Успехи, достигнутые за последнюю четверть века в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, и в частности, тепловизоров - устройств, предназначенных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению. Предшественники тепловизоров - теплогенераторы были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты и определять на них направление. По мере развития теплопеленгенераторов появилась возможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуального наблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания. Так совершился логический переход от теплогенераторов к тепловизорам. Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальном масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных при использовании контактных датчиков температуры, вызвала широкое применение тепловизоров в различных областях промышленного производства, научных исследованиях и в медицинской практике.

Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасного излучения. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества. Спектры излучения газов состоят, как правило, из отдельных линий и полос, характерных для данного газа. Линейчатые спектры атомов и полосатые спектры молекул проявляются только в том случае, когда газ находится в разреженном состоянии. При увеличении связи между частицами (например, при изменении давления и температуры) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.

Для спектров жидкостей характерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полос возрастает и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твердых тел вследствие сильного взаимодействия между молекулами спектры излучения становятся сплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются в полосы, а полосы -- в участки сплошного спектра.

Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм.. В оптическое излучение входят также рентгеновское излучение (л = 0,01...5 нм), ультрафиолетовое (л = 0,005...0,40 мкм) и видимое (л = 0,40...0,76 мкм). Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн: красная -- 0,76...0,62 мкм; оранжевая -- 0,62...0,59 мкм; желтая -- 0,59...0,56 мкм; зеленая -- 0,56... ...0,50 мкм; голубая -- 0,50...0,48 мкм; синяя -- 0,48...0,45 мкм и фиолетовая -- 0,45...0,40 мкм.

Инфракрасное излучение занимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому излучению, а с другой -- электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (л = 0.76...3 мкм), среднюю(л = 3...6 мкм), дальнюю (л= 6...15 мкм) и очень далекую (л = 15...1000 мкм).

Инфракрасное излучение так же, как и видимый свет, распространяется в однородной среде по прямой линии, подчиняется закону обратных квадратов, может отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространения инфракрасных лучей равна скорости света.

Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело, серые тела и селективные излучатели. Абсолютно черное тело -- это идеализированное понятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретически возможный максимум излучения.

У большинства твердых тел, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределение энергии излучения по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черного тела. Такие тела называют «серыми». Они характерны тем, что отношение их энергетической светимости к энергетической светимости абсолютно черного цвета, имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентом теплового излучения.

Строго говоря, серых тел также в природе не существует, однако в ограниченных спектральных диапазонах многие тела с достаточной для практики точностью можно считать серыми. Введение понятия «серого тела» позволяет использовать законы теплового излучения, выведенные для абсолютно черного тела. Аналогичное допущение делают и при рассмотрении излучения селективных излучателей, для которых коэффициентом теплового излучения считают условную величину, зависящую от ряда параметров излучателя.

Ниже приведены основные формулы и таблицы, необходимые для инженерного расчета параметров теплового излучения нагретых тел.

1. Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров

Тепловизоры -- устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.

В отличие от изображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов.

Первым тепловизором условно можно считать эвапорограф, в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография -- регистрация испарением).

В основу устройства эвапорографа были положены опыты Джона Гершеля, который использовал для эвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со стороны, обращенной к наблюдаемому объекту (1840 г.).

В эвапорографе Черни (1927 г.) использовалось не испарение спирта, а возгонка нафталина и камфары. Во время второй мировой войны в Германии был создан усовершенствованный вариант эвапорографа Черни -- ЕУА. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в 1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла около 1 °С [56, 63].

Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджеограф. Принцип его действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволялфиксировать перепады температур порядка 10 "С при разрешающей способности 2 лин./мм и постоянной времени 2 мс [39, 40].

В послевоенный период в ряде стран началась разработка сканирующих пловизоров в которых использовался метод развертывающего преобразования, предложенный советским ученым Ф. Е. Темниковым. В начале этого пе-иода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передаюшие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа поля Тк > 20 с), среднескоростные (0,5 с <Тк< 20 с) и высокоскоростные (Тк < 0,5 с).

Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции -- тепловизор с фоторезистором, в США -- авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина.

С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название РЫК (от первых букв английских слов Forward Looking Infa-Red -- инфракрасные приборы переднего обзора).

В одной из первых наземных систем РЫК с оптико-механическим сканированием использовались две вращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки с одноэлементным ПИ на основе антимонида индия (InSb). Мгновенное поле составляло 1 мрад при общем поле зрения 0,087 рад (5°), кадровая частота 0,2 кадра/с, разрешающая способность по температуре 1 °С [56]. Опытные образцы самолетных систем РЫК были созданы и прошли летные испытания в 1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965--1975 гг.) было разработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].

Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных ПИ, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14 мкм.

2. Тепловизоры с оптико-механическим сканированием. Основные элементы тепловизоров с оптико-механическим сканированием

Для получения видимого изображения теплоизлучающего объекта в тепловизорах с оптико-механическим сканированием осуществляют разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площадок. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ мощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ, с выхода которого последовательно во времени снимаются сигналы, содержащие информацию о теплоизлучающем объекте и окружающем его фоне. Таким образом, двумерное распределение яркостей в пространстве объектов в результате сканирования преобразуется в одномерное распределение напряжения на нагрузочном резисторе ПИ. Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видео устройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изображение. Чаще всего в качестве индикатора ВКУ используют электронно-лучевую трубку (кинескоп). Так как в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа должен быть идентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующих элементов.

Принцип действия тепловизора с оптико-механическим сканированием чается в следующем. Тепловое излучение объекта (рис.1) и окружающего его фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор и наблюдаемый объект, фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет развертку объекта, последовательно направляя на ПИ изображения различных элементов объекта После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем 5 'сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображение объекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ поступают также синхронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ со сканирующим устройством.

Рис. 2.1 Упрощенная структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием.

Структурные схемы реальных тепловизоров более сложны, чем рассмотренная схема. Кроме упомянутых основных элементов тепловизора в его состав могут входить вспомогательные элементы (устройства информационно-измерительного обеспечения, элементы стабилизации видеосигнала, дополнительный монитор с увеличенными размерами экрана, стробирующее устройство для получения неподвижных термограмм вращающихся объектов, насадки, позволяющие производить фото- и киносъемку с экрана кинескопа и др.). Как правило, в тепловизорах с оптико-механическим сканированием объектив, сканирующее устройство и ПИ скомпонованы в одном блоке, называемом тепловизионной камерой', усилитель и преобразователь видеосигналов, а также ВКУ -- во втором блоке. Возможно объединение обоих блоков или размещение первых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где располагаются элементы синхронизации, связанные кинематически со сканирующим устройством.

Одним из главных элементов тепловизоров с оптико-механическим сканированием, определяющим их температурную чувствительность и максимальную дальность действия, является приемник инфракрасного излучения. В тепловизорах применяют два вида приемников: одноэлементные и много-элементные. Чувствительные элементы приемников представляют собой фото-езисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего на излучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре пленочные (PbS,PbSe) и монокристаллические (InSb,HgCdTe) фоторезисторы. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с понижением температуры чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до температуры 77... 195 К, используя для этого специальные охлаждающие устройства (криостаты, термоэлектрические холодильники, устройства, основанные на эффекте Джоуля-Томсона, и др.).

Главным параметром приемников инфракрасного излучения является порогчувствительности -- минимальный поток излучения, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов, или превышающий его в заданное число раз.

сканирующие устройства и траектории сканирования.

В оптико-механических сканирующих устройствах сканирование производится путем изменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы прибора.

Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными (спиральная, розеточная, прямоугольная, циклоидальная и др.). В тепловизорах обычно применяют телевизионную развертку: оптическая ось перемещается с постоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые и этом линии называются строками. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Оптико-механические сканирующие устройства достаточно инерционны,. как основаны на колебательном или вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными сканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные к инфракрасной области спектра (InSb,HgCdTe). При этом различают тепловизоры с одноэлементным приёмником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приёмником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемого изображения.

Сканирование колеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования теплового поля прямоугольной формы при одноэлементном ПИ применяют плоское зеркало, совершающее колебательные движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Изменение положения зеркала достигается посредством различных электромеханических и электромагнитных приводов. В процессе сканирования мгновенное поле зрения прибора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр.

Зеркало размещают либо до объектива в параллельном пучке лучей (рис. 2а), либо за объективом в сходящемся пучке (рис. 2б). В первом случае достигается высокое качество изображения (ввиду отсутствия дополнительных аберраций), но при этом размеры колеблющегося зеркала должны быть большими и требования к качеству изготовления его отражающей поверхности - жёсткими.

Если зеркало наклонено под большим углом к оптической оси, то плохое качество отражающей поверхности вызывает астигматизм в изображении точечного источника. При расположении зеркала за объективом размеры зеркала можно уменьшить, но в этом случае при повороте зеркала поверхность изображения получается не плоской, а сферической и пятно остаточных аберраций увеличивается.

Построчное сканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала приводит к отклонению растра от прямоугольного, если зеркало расположено под некоторым углом к оптической оси (рис. 2.3,а). Принимая за количественную характеристику этого отклонения наибольшее относительное изменение размеров, соответствующее краю поля зрения ().Сканирующее плоское зеркало может быть жестко закреплено на оси под углом 45°, так что сканирование вдоль строки обеспечивается поворотами зеркала относительно этой оси на угол ±, а сканирование по кадру -- поворотом зеркала вместе с осью, на которой оно закреплено, на угол ± (рис.2.3б) В этом случае форма растра близка к трапеции. При = +10° и =* 95° искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет 3% , а искривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 % . Наряду с одним плоским зеркалом, имеющим две степени свободы, сканирующих устройствах можно применять два зеркала, каждое из которых совершает колебательное движение относительно взаимно перпендикулярных осей, образуя телевизионный растр.

В случае использования многоэлементного (линейного) ПИ конструкция сканирующего устройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом случае зеркало должно совершать колебательное движение только относительно одной оси (у на рис. 2.4). В приведенной схеме фокусировка излучения осуществляется зеркальным объективом, имеющим диаметр 100 мм, фокусное расстояние 250мм и пятно остаточных аберраций 250 мкм. Сканирование по горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимся с собственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерции зеркала и жесткостью крутильной пружины, на которое оно подвешено. При колебаниях зеркала неконтактный датчик выдаёт сигнал обратной связи, соответствующий перемещению зеркала. Этот сигнал после усиления подаётся на обмотку электромагнита, воздействующего на лёгкую железную арматуру, прикреплённую к зеркалу.

Рис. 2.4. Сканирующее устройство с многоэлементным ПИ и расположением сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей

1 - объектив; 2 - ПИ; 3 - отражательное зеркало; 4 - электромагнит; 5 - сканирующее плоское зеркало.

Фаза сигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались незатухающие колебания зеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствующий определенному положению сканирующего зеркала, используется одновременно для синхронизации развертки электронного пятна по экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали ± 15°; поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки ПИ (30 мм).

Общий недостаток сканирующих устройств с колеблющимися плоскими зеркалами -- ограничение частоты развертки из-за ударов в крайних положениях зеркала. Зеркальный барабан имеет более широкие сферы применения.

3. Структурные и функциональные схемы тепловизоров с электронным сканированием

Тепловизоры с видиконом. В передающей камере тепловизора с электронным сканированием изображение наблюдаемого объекта проецируете» мощью оптической системы на мишень телевизионной передающей типа видикон, чувствительной к коротковолновому инфракрасному излучению, которая преобразует электронное изображение в видеосигнал (рис. 6.1)

Рис. 3.1. Структурная схема тепловизора с электронным сканированием: -- оптическая система; 2 -- блок передающей Телевизионной трубки; 3 -- блок кадровой и строчной разверток передающей трубки; 4 -- предварительный усилитель видеосигнала; 5 -- видеотракт ;6-генератор гасящих и синхронизирующих импульсов;7- блок приёмной телевизионной трубки;8- блок кадровой и строчной разверток приёмной трубки; ; 9 -- блок синхронизации

Для развертки изображения на отклоняющую систему трубки подаются напряжения пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемые блоком развертки. Согласование во времени движения электронного луча по экрану приемной трубки с движением луча по мишени передающей трубки осуществляется с помощью синхронизирующих импульсов, подаваемых во время обратного хода луча. При этом системы развертки передающей приемной трубок должны работать синхронно и синфазно.

Синхронизирующие импульсы формируются на передающей части телевизионной системы и замешиваются в видеосигнал. Видеосигнал, состоящий из сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называются полным телевизионным сигналом. Он поступает на приемную телевизионную трубку, изменяя яркость свечения экрана. Для получения изображения электронный луч приемной трубки перемещается по плоскости экрана воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемную трубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, где синхронизирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные и кадровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемной трубки.

Тепловизор с электронным сканированием содержит следующие основные блоки;

оптическую систему, представляющую собой объектив, изготовленных из оптического материала, который пропускает инфракрасное излучение в спектральном диапазоне чувствительности видикона;

блок передающей телевизионной трубки, состоящий из самой передающей трубки, чувствительной к инфракрасному излучению, а также из фокусирующей и отклоняющей системы (ФОС). Последняя состоит из двух пар катушек для отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих катушек помещается фокусирующая катушка. Иногда для повышения качества изображения в ФОС вводят корректирующие катушки, исправляющие траекторию луча на краях растра. Габариты ФОС отечественного производства: диаметр 60 мм, длина 115...142 мм;

Генератор строчной развертки генерирует пилообразные напряжения с частотой 15625 Гц (при стандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с), а генератор кадровой развертки -- пилообразные напряжения с частотой 50 Гц;

предварительный усилитель видеосигналов;

видеотракт, состоящий из видеоусилителя и ряда каскадов, необходимых для замешивания в видеосигнал различных служебных сигналов. На выходе видеотракта получается полный телевизионный сигнал положительной полярности с размахом порядка 1 В на нагрузке 75 Ом и отношением сигнал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до 7,5 МГц;

синхрогенератор, вырабатывающий кадровые синхронизирующие импульсы, кадровые и строчные гасящие импульсы приемной и передающей трубок;

блок синхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала синхронизирующие импульсы, которые поступают на блок развертки приемной телевизионной трубки;

блок приемной телевизионной трубки, состоящий из самой приемной трубки (кинескопа) и ФОС;

блок кадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

К тепловизорам с электронным сканированием относится прибор ДТП' 103 (рис. 3.17), предназначенный для анализа тепловых полей и разработанный в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики АТП-103 позволяет исследовать в реальном масштабе времени стационарные тепловые поля сравнением теплового излучения эталонного и исследуемого объектов в диапазоне температур 250--1200 °С с погрешностью ± 1 % .

Качественный анализ исследуемого объекта проводят по черно-белому полутоновому изображению теплового поля на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) с пропорциональной зависимостью яркости от температуры. Количественные измерения проводятся сравнением мощности излучения от объекта и эталонного излучателя, либо методом изотерм, который позволяет выявить на экране ВКУ области, температура которых превышает установленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложением их на изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет измерять температуру по выделенной строке, для чего профилограмму выводят на экран осциллографа.

Излучение от исследуемого объекта поступает через объектив и фильтр на мишень видикона, чувствительного в инфракрасной области спектра. Полученный на мишени потенциальный рельеф считывается электронным пучком, отклонение которого по строкам и кадру выполняется ФОС. Выходной сигнал видикона после усиления поступает в блок обработки сигнала (БОС),где формируется стробирующии импульс по строкам и кадру. Он определяет геометрические размеры зоны, в которой измеряется температура методом замещения. В БОС амплитуда сигнала видикона, пропорционального температуре в контролируемой зоне объекта, сравнивается с амплитудой сигнала, получаемого от эталонного излучателя. Изотермы формируются на компараторе; на его вход поступают сигналы от эталонного источника напряжения и выходной видеосигнал, привязанный к заданному уровню. Сигналы, формирующие теплопортрет, изотермы и стробирующие импульсы, суммируются и поступают на ВКУ, на экране которого воспроизводится изображение исследуемого объекта.

studfiles.net

Устройство и принцип работы тепловизора — реферат

Устройство и принцип работы тепловизора

Основы теории тепловидения.

Как известно, видимый невооруженным глазом спектр электромагнитного излучения ( с длиной волны (0,36 – 0,76 мкм) составляет небольшую часть всего электромагнитного спектра, причем, наше зрение видит отраженные от различных поверхностей лучи, независимо от состояния и температуры этих поверхностей. В то же время, все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, независимо от их освещения, излучают невидимое более длинноволновое излучение ( 8-14 мкм ), называемое поэтому инфракрасным ( ИК ), причем интенсивность этого излучения пропорциональна температуре тела.

Именно на этом свойстве основаны современные приборы тепловизоры и, позволяющие дистанционно, по величине излученного ИК излучения судить о температуре поверхности в различных ее точках и строить термограммы – визуально распознаваемые картины теплового распределения по объекту.

Что такое тепловизор?

Тепловизор - это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение.

Тепловизор - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определенной температуре соответствует определенный цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров - 0,1оС.

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

История создания тепловизоров.

Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора.

В 70-х гг. созданы тепловизоры, в которых тепловое изображение переводится в видимое непосредственно на экране, покрытом светочувствительным веществом (люминофоры, жидкие кристаллы, полупроводниковые пленки). Тепловизоры используются для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах. Применяются в дефектоскопии, навигации, а также в медицине.

Современные тепловизорные системы начали своё развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью. С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС (ПЗС - прибор с зарядовой связью), позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможно создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощенно, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров (болометр - прибор для измерения энергии излучения, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона). Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования.

3. Проблемы производства тепловизоров.

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы - матрица и объектив составляют около 90% общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизится. С объективами сложнее: их нельзя сделать из стекла, потому что этот материал не пропускает ИК-излучение. По этой причине для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешевых материалов.

4. Классификация тепловизоров.

Тепловизоры делятся на:

Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от -20 до +20000оС. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.
Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1оС), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

Тепловизоры часто путают с приборами ночного видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного видения позволяет ориентироваться при низком уровне освещенности, усиливая свет, попадающий в объектив. Во многих случаях яркий объект, оказавшийся в поле зрения, «слепит» прибор. С этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень. Тепловизор же в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, в данном случае на тепло.

5. Принцип действия.

Действие всех тепловизионных систем основано на фиксировании температурной разницы объект/фон и на преобразовании полученной информации в изображение, видимое глазом. Современные тепловизионные приборы способны обнаруживать температурный контраст, равный 0,05-0,1 К. В то время как оптические приборы ночного видения, работающих на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), улавливают излучение с длиной волны ~ 1-2 мкм, что лишь немногим выше чувствительности человеческого глаза, основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8-14 мкм – область далекого ИК-излучения и 3-5,5 мкм – среднего ИК. Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 до +500С максимальна. Таким образом, тепловизионные приборы способны обеспечивать большую дальность видения в любое время суток, через любую прозрачную для ИК-изучения маскировку и даже при несколько пониженной прозрачности атмосферы: при тумане, дожде, снегопаде, пыли и дыме. (Следует оговориться, что пары воды и углекислый газ весьма интенсивно поглощают волны ИК-спектра, и это заметно отражается на чувствительности приборов.) Фоточувствительным элементом современного тепловизионного прибора является фокально-плоскостная двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленная на основе полупроводников – примесных кремния и германия. Поскольку в современных тепловизорах отсутствуют оптико-механические сканирующие устройства, они отличаются компактностью, малой энергоемкостью, высоким отношением сигнал/шум и хорошим качеством изображения.

6. Назначение.

Тепловизоры применяют во всех отраслях промышленности, где необходимо обеспечить качественный контроль над технологическими процессами производства. Они позволяют оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения, происходящие в отдельно взятых частях машин или механизме в целом. При этом, повышение температуры может быть расценено, как знак к возрастанию нагрузки, после чего может быть принято решение об остановке эксплуатации устройства в связи с обеспечением безопасности.

Тепловизор должен входить в стационарный набор инструментов технических инженеров, осуществляющих тепловой контроль на предприятиях. Специально для этих целей были разработаны портативные высокопроизводительные тепловизоры, которые позволяют с высокой степенью точности оценивать изменения температуры объекта в режиме реального времени. Небольшие размеры и вес подобных устройств позволяют применять их на выездных мероприятиях, когда доступ к стационарному оборудованию затруднен.

7. Область применения тепловизоров.

Строительство. Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Военная индустрия. Широкое применение тепловизоры получили в военной индустрии для координации боевых действий в темное время суток. Эта дорогостоящая аппаратура может устанавливаться на самолеты-разведчики, для оценки количества живой силы противника и ее расположения на участке боевых действий.

Медицина. Тепловизоры широко используются как точный и надежный неинвазивный (Неинвазивный - (noninvasive) - 1. Термин используется для характеристики методов исследования или лечения, во время которых на кожу не оказывается никакого воздействия с помощью игл или различных хирургических инструментов. 2. Термин используется для описания опухолей, которые не распространяются на окружающие ткани) инструмент для ранней диагностики некоторых заболеваний. Различные страны устанавливают тепловизоры в аэропортах, для обнаружения людей с повышенной температурой при эпидемиях. Только тепловизоры позволяют провести быструю диагностику большого количества людей за короткий период времени.

Автомобилестроение. БМВ, один из главных автомобильных производителей в мире, оснастил тепловизорами 7-ю серию автомобилей. Увеличение безопасности пассажиров и водителя - одно из приоритетных направлений для БМВ. А так как много несчастных случаев происходило в ночное время, специалисты БМВ искали решение этой проблемы. Позже тепловизорный модуль BMW Night Vision стал доступным как опция для 5-й и 6-й серии БМВ. Эти модули позволяют водителю увидеть обстановку при ослеплении встречными фарами, солнцем на закате, в полной темноте, в тумане, в дождь на расстояние в 5 раз превышающее дальность фар и вовремя среагировать. Так что опыт внедрения тепловизоров, которые стоят на страже безопасности водителей и пассажиров, должны обязательно перенять все остальные автобрэнды. Существуют тепловизоры для грузовиков и автобусов. Они могут быть установлены в поездах и метро.

Пожаротушение. Военные были первыми, кто понял, что тепловизоры позволяют низколетящему самолёту видеть ландшафт в полной темноте, сквозь дым и облака, пыль. Однако эта особенность тепловизоров быстро нашла применение в гражданских самолетах для обнаружения очагов с повышенной температурой, которые могут стать источником лесных пожаров в засушливое время года. Тепловизоры могут использоваться пилотами как дополнительный индикатор при посадке самолета в неблагоприятных погодных условиях. Кроме того, при борьбе с пожарами в зданиях, когда первостепенной задачей является спасение людей, тепловизоры остаются незаменимыми помощниками пожарных, так как позволяют в задымленном помещении быстро отыскать людей.

Морская навигация. Трудно переоценить использование тепловизоров для безопасности морских перевозок. В полной темноте, в лёгкий туман, дождь тепловизоры позволяют дополнительно обезопасить навигацию. Особенно важно использование тепловизоров при проведении спасательных мероприятий: поиск людей, оказавшихся за бортом, когда время является главным критерием эффективности.

Системы безопасности. Ранее использование тепловизоров для охраны было привилегией пограничных служб. Сейчас тепловизоры используются различными предприятиями для организации охраны материальных ценностей и персонала. При охране периметра с помощью тепловизоров легко определить вторжение. Нет необходимости в установке дорогостоящего осветительного оборудования.

Поисковые работы. Ранее упоминалось о проведении поисковых работ на воде, но тепловизоры успешно используются при проведении спасательных операций в горах, пустынях и лесах. Тепловизоры можно легко переносить, транспортировать.

Энергосберегающие нормы при строительстве зданий. Сегодня все больше стран на законодательном уровне устанавливают энергосберегающие нормы при строительстве зданий. Тепловизоры - удобный в работе инструмент для поиска и исправления дефектов в изоляции и других видимых аномалий зданий. В недалеком будущем каждое строящееся здание будет подвергаться тепловизионному осмотру.

8. Сколько стоит тепловизор?

Тепловизор - дорогостоящий прибор. Цена на украинском рынке колеблется от 3 до 100 тыс. у.е. На стоимость тепловизора влияют характеристики, такие как: размер матрицы термо-детекторов тепловизора, объектив, диапазон измеряемых температур, температурная чувствительность, точность измерения температуры и т.д. Основные ценовые факторы: размер матрицы в пикселях, как и в цифровых фотоаппаратах, чем больше мегапикселей тем дороже.

freepapers.ru

О тепловизорах

Содержание

Введение

Назначение, обзор развитие и классификация тепловизоров
Тепловизоры с оптико-механическим сканированием
Тепловизоры с электрическим сканированием
Болометр
Применение тепловизоров

Заключение

Список литературы

Введение

Для спектров жидкостей характерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полос возрастает и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твердых тел вследствие сильного взаимодействия между молекулами спектры излучения становятся сплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются в полосы, а полосы — в участки сплошного спектра.

Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм.. В оптическое излучение входят также рентгеновское излучение (λ = 0,01...5 нм), ультрафиолетовое (λ = 0,005...0,40 мкм) и видимое (λ = 0,40...0,76 мкм). Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн: красная — 0,76...0,62 мкм; оранжевая — 0,62...0,59 мкм; желтая — 0,59...0,56 мкм; зеленая — 0,56... ...0,50 мкм; голубая — 0,50...0,48 мкм; синяя — 0,48...0,45 мкм и фиолетовая — 0,45...0,40 мкм.

Инфракрасное излучение занимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому излучению, а с другой — электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (λ = 0.76...3 мкм), среднюю(λ = 3...6 мкм), дальнюю (λ= 6...15 мкм) и очень далекую (λ = 15...1000 мкм).

Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело, серые тела и селективные излучатели. Абсолютно черное тело — это идеализированное понятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретически возможный максимум излучения.

Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров

Тепловизоры — устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.

В эвапорографе Черни (1927 г.) использовалось не испарение спирта, а возгонка нафталина и камфары. Во время второй мировой войны в Германии был создан усовершенствованный вариант эвапорографа Черни — ЕУА. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в 1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла около 1 °С [56, 63].

Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции — тепловизор с фоторезистором, в США — авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина.

С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название РЫК (от первых букв английских слов Forward Looking Infa-Red — инфракрасные приборы переднего обзора).

В одной из первых наземных систем РЫК с оптико-механическим сканированием использовались две вращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки с одноэлементным ПИ на основе антимонида индия (InSb). Мгновенное поле составляло 1 мрад при общем поле зрения 0,087 рад (5°), кадровая частота 0,2 кадра/с, разрешающая способность по температуре 1 °С [56]. Опытные образцы самолетных систем РЫК были созданы и прошли летные испытания в 1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965—1975 гг.) было разработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].

www.coolreferat.com

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..