Устройство и принцип работы тепловизора

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.

 

1. 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 - 0,1^оС.

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.

 

2. 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 +20000^оС. 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 (0,1^оС), 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.