admin / 29.12.2018

Как работает тепловизор

Зачем нужен тепловизор?

Коротко об устройстве

Что такое тепловизор, и чем он отличается от других измерителей температуры? Как и пирометр, тепловизор позволяет определить температуру поверхности объекта без непосредственного контакта с ним. Дело в том, что любая поверхность излучает тепло в инфракрасном спектре, а тепловизоры и пирометры способны регистрировать такое излучение и переводить на понятный нам язык. Это возможно благодаря использованию особой цифровой матрицы, размер и разрешающая способность которой полностью определяют возможности тепловизора.

В отличие от пирометра, тепловизор не только определяет значение температуры в одной точке, но и визуально отображает распределение тепла по всей поверхности объекта. Прибор всегда оснащён дисплеем для вывода полученных данных, а многие тепловизоры помимо ИК-камеры имеют также встроенную камеру видимого диапазона. Такая камера позволяет совмещать изображение поверхности и распределение по ней тепла, что обеспечивает максимальную наглядность.

Именно возможность визуально оценить степень нагрева и распределения тепла по поверхности обеспечивает такое широкое применение тепловизорам. Они позволяют легко определить источник проблемы – например, перегретый элемент механизма или, наоборот, утечку тепла. Кроме того, прибор даёт возможность обнаружить удалённый объект, который будет теплее или холоднее окружающей среды (например, автомобиль или живое существо) в тумане или даже полной темноте.

Тепловизор в быту

    • Простой пример — постройка загородного дома или покупка жилья. В таких случаях проблемы с теплоизоляцией – обычное дело! Но выявить все щели, полости утеплителя и другие места потери тепла «на глаз» невозможно. Конечно, со временем их обнаружат сквозняки и неадекватный расход электроэнергии. Но зачем доводить до этого, если все дефекты можно выявить ещё до сдачи объекта?

Тепловизор создан специально для визуального контроля тепловых аномалий: внешний и внутренний осмотр с помощью такого прибора займёт совсем немного времени, поможет найти все проблемные места и, в итоге, сэкономит кучу времени и средств.

  • Совершенно необходим тепловой контроль при установке стеклопакетов: при неправильном монтаже или браке через окна может уходить огромное количество тепла.

  • Требуют тщательного контроля системы вентиляции и кондиционирования – при их установке особенно рекомендуется использовать тепловизор.

Тепловизионную диагностику можно заказать в специализированной фирме или провести самому, приобретя недорогой прибор бюджетного класса. Последний вариант хорош тем, что вы сможете осуществить проверку в любое время и будете уверены в её качестве и тщательности.

Хорошим образцом тепловизора, рассчитанного на широкий круг пользователей, может служить модель .

  • Прибор оснащён ИК-матрицей размером 80×80 пикселей и встроенной камерой видимого спектра, благодаря чему обеспечивает удивительно хорошее для своей цены качество изображения.

  • 32-кратный цифровой зум позволяет в деталях рассмотреть все температурные переходы.

  • Картинка выводится в реальном времени на цветной экран.

  • Реальное и термографическое изображения могут совмещаться.

Помимо стандартных возможностей тепловизор RGK TL-80 имеет нетипичную для бюджетных приборов функцию: прибор позволяет производить видеосъёмку, как реальную, так и тепловую. Эта возможность облегчает работу на больших площадях. Например, достаточно быстро пройтись по периметру здания, чтобы потом, в комфорте, просмотреть видео и найти все существующие дефекты. Для хранения отснятого материала прибор использует съёмную micro-SD карту объёмом до 8 ГБ.

ТЕПЛОВИЗИОННАЯ ТЕХНИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Успехи медицинской науки во многом зависят от качества используемой медицинской аппаратуры. Тепловизоры, применяемые сейчас в тепловизионной диагностике, представляют собой сканирующие устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное излучение от поверхности тела на чувствительный приемник. Такой приемник требует охлаждения, которое обеспечивает высокую чувствительность. В приборе тепловое излучение последовательно преобразуется в электрический сигнал, усиливающийся и регистрирующийся как полутоновое изображение.

В настоящее время применяются тепловизоры с оптико-механическим сканированием, в которых за счет пространственной развертки изображения осуществляется последовательное преобразование инфракрасного излучения в видимое.

В термовизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на экране ЭЛТ поэлементно, т.е. кадр изображения формируется, как в телевидении, путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. Получение поэлементной развертки обеспечивает оптико-механическое сканирование. В результате на выходе преобразователя формируется видеосигнал, подобный телевизионному. Поскольку спектральный состав части излучения, которая вызывает сигнал на выходе преобразователя, определяется областью пропускания оптической

системы и спектральной характеристикой преобразователя, термовизионная аппаратура имеет более широкую область спектральной чувствительности, чем та, которая построена на базе электронно-оптического преобразователя.

Упрощенная функциональная схема термовизора приведена на рисунке

Тепловое излучение от объекта проходит через фильтр Ф, пропускающий необходимую часть излучения и задерживающий значительную часть видимого света, на зеркально-линзовый объектив (ЗЛО). Там с помощью системы зеркал и линз обеспечивается сканирование по горизонтали и вертикали. Далее излучение попадает на охлаждаемый преобразователь (П). Для изменения направления хода лучей установлено зеркало З. Преобразователь подключен к балансно-усилительному блоку БУ, с помощью которого производится настройка термовизора по температурному диапазону и по чувствительности к температуре. Помимо этого БУ производит предварительное усиление видеосигнала, что снижает влияние электромагнитных помех.

Основное усиление сигнала осуществляется линейным усилителем У, выходные сигналы с которого поступают на сумматор СМ1. На другой вход сумматора подается серия пилообразных импульсов от блока формирования шкалы температур ШТ. Помимо этого для получения сложных синтезированных изображений на сумматор могут подаваться сигналы и с других устройств и блоков. Таким образом СМ1 формирует видеосигнал, обеспечивающий получение основного изображения с яркостной отметкой, где наибольшая плотность потока излучения соответствует наиболее яркому свечению экрана ЭЛТ (позитивное изображение). Результирующий сигнал, заполняющий все время кадра, с выхода СМ1 поступает на блок формирования изотерм ИТ и на сумматор СМ2 (в положении 1 переключателя ПР).

При анализе негативного изображения сигнал с выхода СМ1 передается к СМ2 через инвертор И (положение 2 переключателя ПР), который изменяет знак выходного сигнала сумматора СМ1 на противоположный.

Термовизоры в простейшем варианте имеют два крупных конструктивных блока: блок сканирования БС, где размещены элементы оптической системы, устройства сканирования, преобразователь, балансно—усилительный блок, устройства для создания запускающих импульсов развертки, и электронно-осциллографический блок, содержащий основную массу электронных устройств, блоки питания и ЭЛТ. Электронно-осциллографический блок в последнее время часто совмещается с микропроцессорной системой или с мини-ЭВМ. Блок сканирования размещается на механизме установки МУ в виде стойки или треноги с устройствами для поворота и наклона, чтобы направить его на контролируемый объект, и часто делается переносным.

Изображение, получаемое термовизором, может быть зафиксировано и обработано с помощью средств вычислительной техники, например, как это показано на рис. 4

От термовизора к блоку управления БУ подводится видеосигнал изображения и импульсы синхронизации (точки 1, 2 и 3 на рис. 3 и рис 4). БУ организует работу всей системы обработки информации, задаваемую оператором с пульта управления ПУ. Видеосигнал термовизора преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровую форму с помощью интерфейса ИНТ, связывающего АЦП с общей шиной ОШ, после чего цифровые сигналы поступают в измерительный магнитофон МГ и в память ЭВМ. Обработку информации может производить микропроцессор МКП или мини-ЭВМ, которые используют при этом постоянное запоминающее устройство ПЗУ. Сформированные изображения и другая полученная информация отображаются на видеоконтрольных устройствах ВКУ1 и ВКУ2.

Общим недостатком существующих тепловизоров является необходимость их охлаждения до температуры жидкого азота, что обусловливает их ограниченное применение. В 1982 году ученые предложили новый тип инфракрасного радиометра. В его основе — пленочный термоэлемент, работающий при комнатной температуре и обладающий постоянной чувствительностью в широком диапазоне длин волн. Недостатком термоэлемента является низкая чувствительность и большая инерционность. С целью увеличения выходного сигнала и повышения чувствительности в радиометре используется термобатарея, состоящая из 70-80 соединенных последовательно и сжатых в плотный пакет термоэлементов. При этом резко уменьшаются потери за счет излучения и конвекции воздуха, что в конечном счете приводит к повышению чувствительности примерно на порядок. После оптимизации высоты батареи, которой прямо пропорциональна чувствительность прибора, точность измерения температуры достигла примерно 0.1 С. В настоящее время радиометр проходит клинические испытания.

Особенного внимания заслуживают тепловизионные приборы, работающие в миллиметровых диапазонах длин волн. Сконструировано и испытано два новых типа тепловизоров, чувствительных к миллиметровым электромагнитным волнам. Эти аппараты улавливают волны на три порядка длиннее, чем инфракрасные. Такие волны проникают на большую глубину по сравнению с теми, которые улавливает обычный инфракрасный тепловизор. Приборы могут различать колебания температуры до доли градуса в тканях, расположенных на несколько миллиметров внутрь от поверхности кожи. Обычный же тепловизор регистрирует излучение только с поверхности тела.

Радиотермографы, работающие в диапазоне ММВ, предназначены для обнаружения злокачественных образований молочных желез, щитовидной железы и некоторых областей головного мозга. Они незаменимы для обнаружения опухолей и воспалений неглубокого залегания, потому что позволяют обеспечить наиболее высокую разрешающую способность и усреднение температуры по наименьшему объему. Это особенно ценно для выявления опухолей в начальной стадии, когда различие их температуры с окружающей средой невелико.

Подводя итог обзору современной тепловизионной техники, нужно указать на основные пути и перспективы ее совершенствования. Это, во-первых, повышение уровня четкости и степени контрастности тепловизионных изображений, создание видеоконтрольных устройств, дающих увеличенное воспроизведение теплового изображения, а также дальнейшая автоматизация исследований и применение ЭВМ. Во-вторых, совершенствование методики тепловизионных исследований различных видов заболеваний. Тепловизор должен давать информацию о площади кожного участка с измененной температурой и координатах фиксированного теплового поля. Предполагается создать аппараты, в которых можно произвольно менять увеличение изображения, фиксировать амплитудное распределение температуры по горизонтальным и вертикальным осям. Кроме того, необходимо сконструировать прибор, способный интенсифицировать развитие исследований механизма теплопередачи и корреляции наблюдаемых тепловых полей с источниками тепла внутри тела человека. Это позволит разработать унифицированные методики тепловизионной диагностики. В-третьих, следует продолжить поиск новых принципов работы тепловизоров, работающих в более длинноволновых областях спектра с целью регистрации максимума теплового излучения тела. В перспективе также возможно совершенствование аппаратуры для сверхчувствительного приема электромагнитных колебаний дециметровых, сантиметровых и миллиметровых диапазонов.

Литература

Дударев А.Л. Лучевая терапия, Л.: Медицина, 1982, 191 с.

Лазерная и магнитно-лазерная терапия в медицине, Тюмень, 1984, 144 с.

Современные методы лазерной терапии, Отв. Ред. Б.И. Хубутия, — Рязань.: 1988 г., 126 с.

Терапевтическая эффективность низкоинтенсивного лазерного излучения., А.С. Крюк, В.А. Мостовников и др., — Минск.: Наука и техника, 1986 г., 231 с.

Лазерные методы лечения и ангиографические исследования в офтальмологии, Сб. науч. тр. Под ред. С.Н. Федорова, 1983 г., 284 с.

Лазеры в клинической медицине , Н. Д. Девятков, — М.: Медицина, 1981 г., 399 с.

Лазеры в хирургии. Под ред. О.К. Скобелкина .- М .: Медицина, 1989, 254 с.

Журнал «Медтехника» ,1995 г. -№3; 1996 г. -№4

Госсорг Ж. Инфракрасная термография, 1988 г.,

Воробьев Тепловидение в медицине, 1985 г., 63 с.

Технологии

Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Спектральная плотность мощности излучения (функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Тела, нагретые до температур окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия) имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 7..14 мкм). Для технических целей интересен также диапазон температур до сотен градусов, излучающий в диапазоне 3..7 мкм. Температуры около тысячи градусов и выше не требуют тепловизоров для наблюдения, их тепловое свечение видно невооружённым глазом.

Датчик

Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получила разновидность на основе видиконов с пироэлектрической мишенью. В этих устройствах электронный луч сканировал поверхность мишени. Ток луча зависел от внутреннего фотоэффекта материала мишени под действием инфракрасного излучения. Такие приборы назывались пирикон или пировидикон. Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.

На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической развёрткой. Такие тепловизоры называются сканирующими. В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.

Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — болометров. Они представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280*720 точек. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.

Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения (англ.)русск. материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.

Оптика

Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий, но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло (англ.)русск., селенид цинка или даже полиэтилен. В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли, также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.

История создания

Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. XX в. Современные тепловизионные системы начали своё развитие в 60-е годы XX столетия. Первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получили пириконы (пировидиконы). Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан. Затем появились тепловизоры на твердотельных сенсорах с оптико-механическим сканированием поля зрения, формируемого объективом и одноэлементным приёмником излучения. 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, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков. 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, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всём мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования.

В СССР и России

Первые тепловизоры гражданского назначения разрабатывались в СССР для медицинского применения в НПП «Исток» в 1970-х годах. С конца 1970-х началось серийное производство сканирующего тепловизора на охлаждаемом твердотельном датчике ТВ-03. К моменту распада СССР выпускалась широкая гамма тепловизоров гражданского и промышленного назначения.

Тепловизоры военного назначения получили развитие с 1970-х годов первоначально в виде авиационных оптико-локационных станций (ОЛС). К концу 1980-х годов первые серийные тепловизионные прицелы «Агава-2» начали устанавливать и на танках.

Развал постсоветской промышленности 1990-х годов и разработка на западе эффективных неохлаждаемых болометрических матриц вызвал значительное отставание России в этой области. Тепловизионные датчики и системы для гражданских и военных целей закупались за границей. Тем не менее начали появляться сообщения о преодолении технологического отставания и развертывании производства национальных датчиков.

Область применения

Контроль утечки энергоресурсов

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

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.

Прибор ночного видения

Тепловизионный прицел для стрелкового оружия. Хорошо видна характерная германиевая линза

Тепловизоры применяются вооружёнными силами в качестве приборов ночного видения для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Спасательные службы

Пожарный с тепловизором

Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации.

Медицина

Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии. В современной медицине тепловизор используется для выявления патологий, плохо поддающихся диагностике другими способами, в том числе для обнаружения злокачественных опухолей.

С 2008—2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.

Металлургия и машиностроение

При контроле температуры сложных процессов, характеризующихся неравномерным нагревом, нестационарностью и неоднородностью коэффициента теплового излучения, тепловизоры эффективнее пирометров, поскольку анализ получаемой термограммы или температурного поля осуществляется мощной зрительной системой человека.

Для улучшения достоверности измерения температуры нагреваемых металлов необходимо правильно выбирать спектральный диапазон регистрации теплового излучения. Коэффициент теплового излучения ε металлов, нагреваемых свыше 400 °C, сильно изменяется за счёт окисления их поверхности атмосферным кислородом. Поэтому для регистрации их теплового излучения нужно выбирать участок спектра, в котором влияние неопределённости ε на получаемые показания температуры минимальное.

В тепловизионной технике используют разные участки спектра. При измерении невысоких температур регистрируют тепловое излучение в спектральном участке 8-14 мкм и иногда в области 3-5 мкм. Для измерения температур, превышающих 700 °C, применяют высокотемпературные тепловизоры, использующие матрицы на основе Si или InGaAs, которые чувствительны в ближней инфракрасной области спектра, где коэффициент теплового излучения металлов ε гораздо больше, чем в области 8-14 мкм. При необходимости измерения истинной температуры используют тепловизоры, регистрирующие тепловое излучение в трёх участках спектра.

Другие применения

Поиск перегрева электроцепей

  • Астрономические инфракрасные телескопы (англ.)русск..
  • Система ночного вождения для облегчения контроля дорожной обстановки водителем.
  • Контроль электроцепей на предмет перегрева проводников и плохого контакта.
  • Ветеринарный контроль.

Примечания

  1. ↑ 1 2 Пириконы
  2. ↑ 1 2 Видиконы — Тепловизоры
  3. ↑ Сканирующие устройства и траектории сканирования — Тепловизоры
  4. ↑ СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВИЗОРОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
  5. ↑ О тепловизорах
  6. ↑ DARPA developing personal LWIR cameras
  7. ↑ Стёкла, поглощающие инфракрасную часть спектра
  8. ↑ Германий
  9. ↑ Germanium Windows
  10. ↑ Germanium Plano-Convex Lenses
  11. ↑ Селенид цинка
  12. ↑ CRYSTALTECHNO Ltd
  13. ↑ Rogalski A. Infrared detectors. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 c.
  14. ↑ 1 2 Девятков Н. Д. Применение электроники в медицине и биологии. Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1993. № 1 (455). С. 67-76.
  15. ↑ Параметры тепловизоров
  16. ↑ Су-27
  17. ↑ История авиации. Раскалённый МиГ на фоне неба
  18. ↑ Тепловизоры
  19. ↑ В России наконец то появятся свои тепловизоры
  20. ↑ НПО ОРИОН
  21. ↑ Танковые тепловизоры от «Швабе»
  22. ↑ Комсомольская правда. Свиной грипп по воздуху к нам не доберется: в нижегородском аэропорту установили тепловизор.. kp.ru (13 августа 2009). Проверено 25 февраля 2010. Архивировано 14 февраля 2012 года.
  23. ↑ СпецЛаб. Электронная вакцина против гриппа.. operlenta.ru (14 января 2010). Проверено 25 февраля 2010. Архивировано 14 февраля 2012 года.
  24. ↑ 1 2 3 http://www.ste.ru/siemens/pdf/rus/ardo_info.pdf (недоступная ссылка) Проверено 26 июня 2017.
  25. ↑ 1 2 Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели: Пер. с польского — Л.: Энергия, 1978.
  26. ↑ В. В. Коротаев, Г. С. и др. Основы тепловидения — СПб: НИУ ИТМО, 2012. — 122 с.
  27. ↑ A Unique Ultra High Resolution Thermal Imager / Mikron Infrared Inc. Thermal Imaging Division.
  28. ↑ FLIR One
  29. ↑ Seek Thermal
  30. ↑ Новости технологий — Газета.Ru

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*