Использование электромагнитного излучения в НК. Тепловизоры

I. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕПЛОВИЗОРОВ

1.1. Устройство

Тепловизор относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Упрощенно, тепловизор состоит из оптической системы (объектива), фокусирующего тепловой поток от объекта на чувствительный элемент – приемник инфракрасного излучения  (ИКИ) и  блока обработки (усиления) для представления тепловой карты (термограммы) объекта в виде, удобном для анализа. По способу получения термограмм тепловизионные приборы  подразделяются на  сканеры и тепловизор. Термосканеры имеют один чувствительный элемент, на который системой сканирования  подается ИКИ от элементов объекта в соответствии с заданным алгоритмом и с шагом, при котором формируется матрица значений поступивших сигналов. Чувствительным элементом Термосканеры  может быть элемент, изготовленный по различным технологиям. Тепловизоры имеют много  чувствительных элементов, размещенных на  одной подложке -  матрицу (160х120, 320х240, 640х480). Каждый элемент формирует выходной  сигнал в зависимости от величины сигнала ИКИ, поступившего на него с  единицы поверхности объекта.  Чувствительные элементы матриц могут быть  изготовлены по различным технологиям.

1.1.1. Приемники ИК-излучения

По принципу действия в зависимости от типа чувствительного элемента приемники ИК-излучения  подразделяются на: болометрические; пироэлектрические; термоэлектрические; фотонные. В современных  тепловизорах  используются болометрические и фотонные приемники ИКИ. Болометр представляет собой резистор, у которого изменяется сопротивление в зависимости от мощности падающего на него теплового потока.  Из элементарных болометров формируются болометрические матрицы. Наибольшее распространение находят болометрические матрицы  на оксиде ванадия  и на аморфном кремнии.  Такие матрицы  не требуют  охлаждения, т.е. тепловизоры практически всегда  готовы к работе и  отсутствуют требования по безопасности при работе с жидким азотом. Спектральная чувствительность таких матриц  в диапазоне от 1 до 14 мкм  одинакова.

Приемники на основе фотоэффекта  представляют наибольший коммерческий интерес. Но у них есть недостаток: необходимость охлаждения  до низких температур (как правило, с использованием жидкого азота), что создает определенные ограничения при использовании в удалённых малонаселенных местах. Спектральная чувствительность таких приемников на 1-2 порядка выше болометрических, однако, они имеют ограниченный спектральный диапазон чувствительности с явно выраженным максимумом.

1.1.2. Объективы

Главное требование к объективу  тепловизора – он должен быть  прозрачным  для инфракрасного излучения. Объективы для тепловизоров изготавливают из  германия. К качеству объектива предъявляются практически те же требования (просветление), что и к объективам для видимого света (фотосъемки) и они вносят такое же искажение (абберация) при передаче теплового излучения объекта на болометрическую матрицу.Объективы постоянные и сменные изготавливаются для каждого типа тепловизора индивидуально с учетом его конструкции и характеристик матрицы (размера пикселя).

Использование сменных объективов позволяет, не меняя точки съемки,  делать «панорамные» и   «детальные» термограммы объектов. Несмотря на то, что конкретные объективы можно использовать только с конкретным типом тепловизора, сменные объективы должны быть рекомендованной принадлежностью каждого тепловизора. Все это делает  объективы  достаточно дорогим элементом тепловизора.  В настоящее время стоимость объектива составляет примерно 45% стоимости всего прибора, еще 45% – матрица.

1.1.3. Растровая структура

Практически все тепловизоры, имеющиеся на рынке, представляют собой цифровые измерительные приборы. Новые аналоговые модели тепловизоров, в настоящее время, больше не разрабатываются. Для отображения температурного поля в тепловизоре используется матрица, подобная применяемым матрицам в цифровых фотоаппаратах. Отличие в том, что если каждый пиксель матрицы цифрового фотоаппарата несет информацию о яркости и цвете объекта, то в тепловизоре каждый пиксель - это температура в данной точке контролируемого объекта. Таким образом, на экране тепловизора отображается распределение температуры по объекту. При этом для удобства оператора точки с разной температурой отображаются различным цветом. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта.

Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, сине-красная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая.

Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.

1.2. Принцип работы

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта. Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, синекрасная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность  детектора  к  тепловому  излучению  тем  выше, чем  ниже  его  собственная  температура, поэтому  его  помещают  в  специальное  устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный  вид охлаждения  с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур,но  носить с собой сосуды  дюара  очень неудобно. Другой вид – посредством элементов Пельтье (полупроводники,  дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих   по  другому  принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной). Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.

Высокая  чувствительность  тепловизоров  реализуется  благодаря  наличию  высокочувствительных  полупроводниковых  приемников  излучения  из  антимонида  индия  InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te  и  др.

Рисунок 3 – Упрощенная схема устройства тепловизора

2. Конструктивные характеристики и функциональное оснащение

2.1. Конструктивные характеристики

Эффективное использование тепловизора, как впрочем, и любого другого прибора, определяется рациональностью  выбора конкретной модели или модификации в зависимости от требуемых технических характеристик. Условно все характеристики тепловизоров можно разделить на три  группы: технические, сервисные и конструктивные. К конструктивным  характеристикам относятся те, которые обязательно присутствуют в любой марке тепловизора, а именно:

·         Тип матрицы \ детектора – определяет быстродействие, чувствительность;

·         Размер матрицы – говорит о количестве элементарных болометров и, косвенно, о  величине   iFOV;

·         Оптическое поле зрения, по горизонтали и по вертикали (FOV-Field of View) – позволяет рассчитать фактические размеры объекта, которым соответствует получаемое термоизображение (для определенного положения тепловизора относительно объекта);

·         Фокусное расстояние  - говорит о минимальном расстоянии до объекта съёмки, при котором можно получить четкие термограммы (стандартно 01, 0,3м);

·         Пространственное разрешение  - (мгновенное поле зрения IFOV) из условия   измерения температуры одним элементом (пикселем) без осреднения – характеризует размер площади поверхности объекта, «приходящуюся на один пиксель», с учетом положения тепловизора относительно объекта; (телесный угол, под которым один пиксель «видит» объект). Этот параметр, характеризует способность тепловизора различать мелкие предметы на большом расстоянии, по существу представляет собой поле зрения каждого элемента матрицы ИК камеры. Зависимость IFOV от размеров матриц и оптического поля зрения (FOV) приведена ниже в таблице 1.

·         Охлаждение матрицы – охлаждаемые матрицы имеют более высокую температурную чувствительность, но требуют периодическую заливку жидкого азота, а неохлаждаемые обеспечивают более высокую готовность тепловизора к работе;

·         Диапазон измерений температуры, °С – рабочий диапазон должен перекрывать максимальную  температуру объекта на 25%. Верхний предел должен быть не менее 200 град. - для контроля электрооборудования. При обследовании тепломеханического оборудования, этот порог имеет смысл увеличить до 500 град.

·         Порог температурной чувствительности  - практически характеризует собственные шумы матрицы (детектора) и определяет минимальную различимую разность температур объекта и его фона. Должен быть не хуже 0,1 град. при температуре +30 град. Большинство приборов удовлетворяют этому требованию

·         Погрешность измерения температуры – интегральная характеристика тепловизора, зависящая от методов обработки сигналов – у большинства  тепловизоров с неохлаждаемой матрицей  составляет  -+ 2%;

·         Частота развертки изображения, кадров/с. Это важная характеристика тепловизора, характеризующая число изображений получаемых в секунду. Современные тепловизоры имеют одну из двух частот развертки изображения:  9 Гц или 50(60) Гц. В зависимости от теплотехнических свойств объекта для съёмки надо выбирать тепловизор «медленный» с частотой смены кадров 9 Гц,  или «быстрый» с частотой смены кадров 50 Гц. Быстрая развертка необходима при регистрации высоко-динамичных тепловых процессов и при съёмке с    автомобиля или вертолёта;

·         Распознавание типа объективов – отдельные камеры оснащены функцией автоматического распознавания типа объектива (короткофокусный, длиннофокусный или стандартный)

·         Режим фокусировки – ручной или автоматический. Рекомендуется использовать камеры, оснащенные, в том числе, и ручным управлением фокуса. Оно лучше моторизированного по быстроте, плавности и надежности, и, кроме того, снижает энергопотребление камеры. В качестве примера можно привести профессиональную фототехнику, которая всегда оснащена ручным приводом фокуса.

·         Автокомпенсация воздействия внешних факторов. Внешние факторы вносят погрешности в измерения, ручная поправка в показания тепловизоров достаточно сложна.  На показания тепловизора оказывают влияние  температура окружающей среды, влажность воздуха, фактическая излучательная способность объекта. Современные тепловизоры оснащены автоматической компенсацией температуры окружающей среды, настройкой излучательной  способности объекта от 0,20 до 1,00 (с шагом 0,01) и компенсацией влажности воздуха. (Влажность особенно влияет в диапазоне 8-14мкм)