Содержание
Введение
1. Назначение,обзор развитие и классификация тепловизоров
2. Тепловизорыс оптико-механическим сканированием
3. Тепловизорыс электрическим сканированием
4. Болометр
5. Применениетепловизоров
Заключение
Список литературы
Введение
Успехи, достигнутые запоследнюю четверть века в освоении инфракрасного диапазона электромагнитногоспектра, привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, и вчастности, тепловизоров — устройств, предназначенных для наблюдения объектов поих собственному инфракрасному излучению. Предшественники тепловизоров — теплогенераторы были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты иопределять на них направление. По мере развития теплопеленгенераторов появиласьвозможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуальногонаблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания.Так совершился логический переход от теплогенераторов к тепловизорам.Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальноммасштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных прииспользовании контактных датчиков температуры, вызвала широкое применениетепловизоров в различных областях промышленного производства, научныхисследованиях и в медицинской практике.
Все тела, температуракоторых отлична от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасногоизлучения. 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 спектрымолекул проявляются только в том случае, когда газ находится в разреженномсостоянии. При увеличении связи между частицами (например, при изменениидавления и температуры) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.
Для спектров жидкостейхарактерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полосвозрастает и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твердыхтел вследствие сильного взаимодействия между молекулами спектры излучения становятсясплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются вполосы, а полосы — в участки сплошного спектра.
Инфракрасное излучениеявляется частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитныхволн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм… В оптическоеизлучение входят также рентгеновское излучение (λ = 0,01…5 нм),ультрафиолетовое (λ = 0,005…0,40 мкм) и видимое (λ = 0,40…0,76мкм). Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн:красная — 0,76…0,62 мкм; оранжевая — 0,62…0,59 мкм; желтая — 0,59…0,56мкм; 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 излучениезанимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны квидимому излучению, а с другой — электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракраснуюобласть спектра принято делить на четыре части: ближнюю (λ = 0.76…3мкм), среднюю(λ = 3…6 мкм), дальнюю (λ= 6…15 мкм) и очень далекую(λ = 15…1000 мкм).
Инфракрасное излучениетак же, как и видимый свет, распространяется в однородной среде по прямойлинии, подчиняется закону обратных квадратов, может отражаться, преломляться,претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространенияинфракрасных лучей равна скорости света.
Характеризуя излучениетепловых источников, выделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело,серые тела и селективные излучатели. Абсолютно черное тело — это идеализированноепонятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретическивозможный максимум излучения.
У большинства твердыхтел, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределениеэнергии излучения по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черноготела. Такие тела называют «серыми». Они характерны тем, что отношение ихэнергетической светимости к энергетической светимости абсолютно черного цвета,имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентомтеплового излучения.
Строго говоря, серыхтел также в природе не существует, однако в ограниченных спектральныхдиапазонах многие тела с достаточной для практики точностью можно считатьсерыми. Введение понятия «серого тела» позволяет использовать законы тепловогоизлучения, выведенные для абсолютно черного тела. Аналогичное допущение делаюти при рассмотрении излучения селективных излучателей, для которых коэффициентомтеплового излучения считают условную величину, зависящую от ряда параметровизлучателя.
Ниже приведены основныеформулы и таблицы, необходимые для инженерного расчета параметров тепловогоизлучения нагретых тел.
1. Назначение,обзор развития и классификация тепловизоров
Тепловизоры —устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственномутепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасноеизлучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматическойобработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.
В отличие отизображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных засчет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности егоэлементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются засчет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями втемпературе и излучательной способности его элементов и окружающего фона.Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мересоответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемыетепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерахрассматриваемых объектов.
Первым тепловизоромусловно можно считать эвапорограф, в котором разность температуррассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разностьтолщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева(эвапорография — регистрация испарением).
В основу устройстваэвапорографа были положены опыты Джона Гершеля, который использовал дляэвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную состороны, 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 вариантэвапорографа Черни — ЕУА. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработанэвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классунесканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих имнедостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах,достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составлялаоколо 1 °С [56, 63].
Другим прибором,относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджеограф. Принцип егодействия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосысобственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосыпоглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селенапропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длинойволны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивностьпрошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явлениеположено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать ифотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволялфиксировать перепадытемператур порядка 10 «С при разрешающей способности 2 лин./мм ипостоянной времени 2 мс [39, 40].
В послевоенный период вряде стран началась разработка сканирующих пловизоров в которых использовалсяметод развертывающего преобразования, предложенный советским ученым Ф. Е.Темниковым. В начале этого пе-иода еще не были доведены до необходимой кондициителевизионные передаюшие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра,поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров соптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик такихсистем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля С этойточки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют натри вида: низкоскоростные (время анализа поля Тк > 20 с), среднескоростные(0,5 с
Вначале разрабатывалисьтепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, вПотстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор сболометром, во Франции — тепловизор с фоторезистором, в США — авиационныйтепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественныйтепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина.
С 1960 г. началиразрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных системпереднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такиеприборы получили название РЫК (от первых букв английских слов ForwardLooking Infa-Red— инфракрасные приборы переднего обзора).
В одной из первыхназемных систем РЫК с оптико-механическим сканированием использовались двевращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки содноэлементным 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 в1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965—1975 гг.) былоразработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].
Техника созданиятепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных имногоэлементных ПИ, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу,и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлажденияприемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечилисоздание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблениеммощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ наоснове теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14мкм.
2. Тепловизорыс оптико-механическим сканированием. Основные элементы тепловизоров соптико-механическим сканированием
Для получения видимогоизображения теплоизлучающего объекта в тепловизорах с оптико-механическимсканированием осуществляют разложение (развертку) объекта на некоторое числоэлементарных площадок. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения,является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализмощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ, с выходакоторого последовательно во времени снимаются сигналы, содержащие информацию отеплоизлучающем объекте и окружающем его фоне. Таким образом, двумерноераспределение яркостей в пространстве объектов в результате сканированияпреобразуется в одномерное распределение напряжения на нагрузочном резистореПИ. Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видеоустройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изображение. Чаще всего вкачестве индикатора ВКУ используют электронно-лучевую трубку (кинескоп). Таккак в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только одинэлемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа должен бытьидентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующихэлементов.
Принцип действиятепловизора с оптико-механическим сканированием чается в следующем. Тепловоеизлучение объекта (рис.1) и окружающего его фона, пройдя через слой атмосферы,разделяющий тепловизор и наблюдаемый объект, фокусируется объективом 2 начувствительную площадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет разверткуобъекта, последовательно направляя на ПИ изображения различных элементовобъекта После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем 5’сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображениеобъекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ поступают такжесинхронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ со сканирующимустройством.
Рис. 2.1 Упрощеннаяструктурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием.
/>
Структурные схемыреальных тепловизоров более сложны, чем рассмотренная схема. Кроме упомянутыхосновных элементов тепловизора в его состав могут входить вспомогательныеэлементы (устройства информационно-измерительного обеспечения, элементыстабилизации видеосигнала, дополнительный монитор с увеличенными размерамиэкрана, стробирующее устройство для получения неподвижных термограммвращающихся объектов, насадки, позволяющие производить фото- и киносъемку сэкрана кинескопа и др.). Как правило, в тепловизорах с оптико-механическимсканированием 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 размещениепервых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где располагаются элементысинхронизации, связанные кинематически со сканирующим устройством.
Одним из главныхэлементов тепловизоров с оптико-механическим сканированием, определяющим ихтемпературную чувствительность и максимальную дальность действия, являетсяприемник инфракрасного излучения. В тепловизорах применяют два вида приемников:одноэлементные и много-элементные. Чувствительные элементы приемников представляютсобой фото-езисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего наизлучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре пленочные (PbS,PbSe)и монокристаллические (InSb,HgCdTe)фоторезисторы. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с понижениемтемпературы чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до температуры 77…195 К, используя для этого специальные охлаждающие устройства (криостаты,термоэлектрические холодильники, устройства, основанные на эффектеДжоуля-Томсона, и др.).
Главным параметром приемниковинфракрасного излучения является порогчувствительности — минимальный потокизлучения, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный напряжениюшумов, или превышающий его в заданное число раз.
Сканирующие устройстваи траектории сканирования.
Воптико-механических сканирующих устройствах сканирование производится путемизменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзорапоследовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системыприбора.
Траекториисканирования могут быть самыми разнообразными (спиральная, розеточная,прямоугольная, циклоидальная и др.). В тепловизорах обычно применяюттелевизионную развертку: оптическая ось перемещается с постоянной скоростью по двумвзаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчнуюразвертку; прочерчиваемые и этом линии называются строками. В результатеперемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строкирасполагаются одна под другой. За один период кадровой развертки происходитпередача неподвижного изображения, называемого кадром.
Оптико-механическиесканирующие устройства достаточно инерционны,. как основаны на колебательномили вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизорыс оптико-механическими сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектроннымисканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителейфототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическимисканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные кинфракрасной области спектра (InSb,HgCdTe).При этом различают тепловизоры с одноэлементным приёмником и двумернымсканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приёмником и одномерным сканированием.Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменениечувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемогоизображения.
Сканированиеколеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования теплового поля прямоугольнойформы при одноэлементном ПИ применяют плоское зеркало, совершающееколебательные движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей.Изменение положения зеркала достигается посредством различных электромеханическихи электромагнитных приводов. В процессе сканирования мгновенное поле зренияприбора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуятелевизионный растр.
Зеркалоразмещают либо до объектива в параллельном пучке лучей (рис. 2а), либо заобъективом в сходящемся пучке (рис. 2б). В первом случае достигается высокоекачество изображения (ввиду отсутствия дополнительных аберраций), но при этомразмеры колеблющегося зеркала должны быть большими и требования к качествуизготовления его отражающей поверхности — жёсткими.
/>
Еслизеркало наклонено под большим углом к оптической оси, то плохое качествоотражающей поверхности вызывает астигматизм в изображении точечного источника. Прирасположении зеркала за объективом размеры зеркала можно уменьшить, но в этомслучае при повороте зеркала поверхность изображения получается не плоской, асферической и пятно остаточных аберраций увеличивается.
Построчноесканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала приводит к отклонениюрастра от прямоугольного, если зеркало расположено под некоторым углом gк оптической оси (рис. 2.3, а). Принимая за количественную характеристику этогоотклонения наибольшее относительное изменение размеров/>, соответствующее краю полязрения (/>).Сканирующее плоскоезеркало может быть жестко закреплено на оси под углом 45°, так что сканированиевдоль строки обеспечивается поворотами зеркала относительно этой оси на угол ±j,а сканирование по кадру — поворотом зеркала вместе с осью, на которой онозакреплено, на угол ±g (рис.2.3б) В этом случае форма растраблизка к трапеции. При j = +10° и g =• 95°искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет 3%, аискривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 %. Наряду с одним плоскимзеркалом, имеющим две степени свободы, сканирующих устройствах можно применять двазеркала, каждое из которых совершает колебательное движение относительновзаимно перпендикулярных осей, образуя телевизионный растр.
/>
Вслучае использования многоэлементного (линейного) ПИ конструкция сканирующегоустройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом случае зеркало должносовершать 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 аберраций250 мкм. Сканирование по горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимсяс собственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерциизеркала и жесткостью крутильной пружины, на которое оно подвешено. Приколебаниях зеркала неконтактный датчик выдаёт сигнал обратной связи,соответствующий перемещению зеркала. Этот сигнал после усиления подаётся наобмотку электромагнита, воздействующего на лёгкую железную арматуру,прикреплённую к зеркалу.
/>
Рис.2.4. Сканирующее устройство с многоэлементным ПИ и расположением сканирующегозеркала в параллельном пучке лучей
1 — объектив; 2 — ПИ; 3- отражательное зеркало; 4 — электромагнит; 5 — сканирующее плоское зеркало.
Фазасигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались незатухающие колебаниязеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствующий определенномуположению сканирующего зеркала, используется одновременно для синхронизации разверткиэлектронного пятна по экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали± 15°; поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки ПИ (30 мм).
Общийнедостаток сканирующих устройств с колеблющимися плоскими зеркалами —ограничение частоты развертки из-за ударов в крайних положениях зеркала.Зеркальный барабан имеет более широкие сферы применения.
3. Структурныеи функциональные схемы тепловизоров с электронным сканированием
Тепловизорыс видиконом. В передающей камере тепловизора с электронным сканированиемизображение наблюдаемого объекта проецируете» мощью оптической системы намишень телевизионной передающей типа видикон, чувствительной к коротковолновомуинфракрасному излучению, которая преобразует электронное изображение ввидеосигнал (рис. 6.1)
Рис.3.1. Структурная схема тепловизора с электронным сканированием: — оптическаясистема; 2 — блок передающей Телевизионной трубки; 3 — блок кадровой и строчнойразверток передающей трубки; 4 — предварительный усилитель видеосигнала; 5 —видеотракт ;6-генератор гасящих и синхронизирующих импульсов;7- блок приёмнойтелевизионной трубки;8- блок кадровой и строчной разверток приёмной трубки;; 9— блок синхронизации
/>
Дляразвертки изображения на отклоняющую систему трубки подаются напряженияпилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемые блоком развертки.Согласование во времени движения электронного луча по экрану приемной трубки сдвижением луча по мишени передающей трубки осуществляется с помощьюсинхронизирующих импульсов, подаваемых во время обратного хода луча. При этомсистемы развертки передающей приемной трубок должны работать синхронно исинфазно.
Синхронизирующиеимпульсы формируются на передающей части телевизионной системы и замешиваются ввидеосигнал. Видеосигнал, состоящий из сигнала изображения, гасящих исинхронизирующих импульсов, называются полным телевизионным сигналом. Онпоступает на приемную телевизионную трубку, изменяя яркость свечения экрана.Для получения изображения электронный луч приемной трубки перемещается поплоскости экрана воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровойчастот, вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемнуютрубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, гдесинхронизирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные икадровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемнойтрубки.
Тепловизорс электронным сканированием содержит следующие основные блоки;
оптическуюсистему, представляющую собой объектив, изготовленных из оптического материала,который пропускает инфракрасное излучение в спектральном диапазонечувствительности видикона;
блокпередающей телевизионной трубки, состоящий из самой передающей трубки,чувствительной к инфракрасному излучению, а также из фокусирующей и отклоняющейсистемы (ФОС). Последняя состоит из двух пар катушек для отклоненияэлектронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих катушек помещаетсяфокусирующая катушка. Иногда для повышения качества изображения в ФОС вводяткорректирующие катушки, исправляющие траекторию луча на краях растра. ГабаритыФОС отечественного производства: диаметр 60 мм, длина 115…142 мм;
Генераторстрочной развертки генерирует пилообразные напряжения с частотой 15625 Гц (пристандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с), а генератор кадровой развертки —пилообразные напряжения с частотой 50 Гц;
предварительныйусилитель видеосигналов;
видеотракт,состоящий из видеоусилителя и ряда каскадов, необходимых для замешивания ввидеосигнал различных служебных сигналов. На выходе видеотракта получаетсяполный телевизионный сигнал положительной полярности с размахом порядка 1 В нанагрузке 75 Ом и отношением сигнал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до7,5 МГц;
синхрогенератор,вырабатывающий кадровые синхронизирующие импульсы, кадровые и строчные гасящиеимпульсы приемной и передающей трубок;
блоксинхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала синхронизирующиеимпульсы, которые поступают на блок развертки приемной телевизионной трубки;
блокприемной телевизионной трубки, состоящий из самой приемной трубки (кинескопа) иФОС;
блоккадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически изменяющиесянапряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного луча в двух взаимноперпендикулярных направлениях.
Ктепловизорам с электронным сканированием относится прибор ДТП’ 103 (рис. 3.17),предназначенный для анализа тепловых полей и разработанный в Московскоминституте радиотехники, электроники и автоматики АТП-103 позволяет исследоватьв реальном масштабе времени стационарные тепловые поля сравнением тепловогоизлучения эталонного и исследуемого объектов в диапазоне температур 250—1200 °Сс погрешностью ± 1 % .
Качественныйанализ исследуемого объекта проводят по черно-белому полутоновому изображениютеплового поля на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) с пропорциональнойзависимостью яркости от температуры. Количественные измерения проводятсясравнением мощности излучения от объекта и эталонного излучателя, либо методомизотерм, который позволяет выявить на экране ВКУ области, температура которых превышаетустановленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложением ихна изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет измерятьтемпературу по выделенной строке, для чего профилограмму выводят на экраносциллографа.
Излучениеот исследуемого объекта поступает через объектив и фильтр на мишень видикона,чувствительного в инфракрасной области спектра. Полученный на мишенипотенциальный рельеф считывается электронным пучком, отклонение которого построкам и кадру выполняется ФОС. Выходной сигнал видикона после усиленияпоступает в блок обработки сигнала (БОС), где формируется стробирующии импульс построкам и кадру. Он определяет геометрические размеры зоны, в которой измеряетсятемпература методом замещения. В БОС амплитуда сигнала видикона,пропорционального температуре в контролируемой зоне объекта, сравнивается самплитудой сигнала, получаемого от эталонного излучателя. Изотермы формируютсяна компараторе; на его вход поступают сигналы от эталонного источниканапряжения и выходной видеосигнал, привязанный к заданному уровню. Сигналы,формирующие теплопортрет, изотермы и стробирующие импульсы, суммируются ипоступают на ВКУ, на экране которого воспроизводится изображение исследуемогообъекта.
Техническиехарактеристики тепловизора: температурное разрешение 3 °С (при температуреобъекта 310 °С); поле зрения 4 X6°;геометрическое разрешение не хуже 5 мрад; число кадров в секунду 25; числострок в кадре 625.
ТепловизорАТП-103 конструктивно выполнен в виде четырех блоков: приемной камеры, БОС, ВКУи пульта управления. Связь между ними осуществляется кабелями со штепсельнымиразъемами.
4. Болометры
Полупроводниковыйболометр — это прибор, предназначенный для индикации и измерения тепловогоизлучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитногоизлучения).
Обычноболометр состоит из двух пленочных термисторов (толщиной до 10 мкм). Один изтермисторов болометра является активным, т. е. непосредственно подвергаетсявоздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термистора изменяется врезультате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического илиинфракрасного диапазона частот. Второй термистор — компенсационный, служит длякомпенсации возможных изменений температуры окружающей среды. Компенсационныйтермистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационныйтермисторы помещают в один герметичный корпус.
Болометрыобычно имеют три внешних вывода — от активного и комленсационного термисторов иот средней точки.
Дляхарактеристики болометров используют следующие параметры: 1) сопротивлениеактивного термистора болометра при комнатной температуре; 2) рабочеенапряжение; 3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистогопотока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на входусилителя, к мощности излучения, падающего на болометр; 4) порогчувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал,эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительностиопределяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способензарегистрировать болометр; 5) постоянная времени, характеризующая тепловуюинерционность активного термистора; 6) уровень собственных шумов.
Полупроводниковыеболометры применяют в различных системах ориентации; для бесконтактного идистанционного измерения температур и т. д.
5. Применениетепловизоров
Послесоздания первых тепловизоров длительное время считалось статочным качественноенаблюдение теплоизлучающих объектов. Затем появилась необходимостьколичественного измерения температурь объектов по получаемым термограммам. В настоящеевремя применение тепловизоров для дистанционного измерения температурных полейявляется одним из важных приложений тепловидения, используемых принеразрушающем контроле различных объектов.
Измеритьистинную температуру нагретого тела с помощью тепловизора сложно. Практическиизмеряются не истинную (Т), а так называемую радиационную (Т%) температуру —температуру абсолютно черного тела, при которой его энергетическая светимость Меравна энергетической светимости нечерного излучателя с коэффициентом тепловогоизлучения e (Т).
Наосновании закона Стефана-Больцмана Ме = e(Т) dТ4= d/>, откуда
/> = />
Величина/> определяется по показаниямтепловизора, отградуированного по черному телу.
Такойспособ измерения радиационной температуры применяют в тех случаях, когда втепловлзоре используется неселективный ПИ (например пирикон).
ВеличинаdТзависит от коэффициента теплового излучения, знание которого и его зависимостьот температуры необходимы для правильной интерпретации результатов измерений иколичественной оценки температуры тела.
Влияниеотраженного объектом излучения окружающей среды на определяемую температуруучитывают, вводя эквивалентный коэффициент тепловою излучения
/>, где /> — температура окружающейсреды.
ЕслиТ — Токр/> Т, то />
Контрольсостояния облицовки плавильных печей.
Сталеплавильныепечи облицованы изнутри керамическими огнеупорными материалами. По мереэксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается расплавленнымметаллом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтомуоблицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки большихсталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производствана 3…4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняяпроверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревыстальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерениятемпературы внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указатьобласти разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяетзадержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютнонеобходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимально возможноговремени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстромуобнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи,так как сделать это визуально очень трудно. Диагностика устройств тягового электроснабженияжелезных дорог. С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тяговогоэлектроснабжения железных дорог. При этом для массового контроля и выявления неисправностейконтактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть нениже 5 °С, диапазон измеряемых температур — 20… + 150 °С; поле зрения 20 X10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.
Критериемсостояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температурмежду их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелкии шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температураизолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2…0,4 °С. Длявыявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурнаячувствительность должна быть не ниже 0,1 °С; диапазон измеряемых температур —20…+50°С; поле зрения 3 X5°, мгновенный угол зрения 5′.
Наличиехотя бы одного исправного изолятора в гирлянде (в тяговой с постоянного тока)не позволяет выявить дефектные изоляторы тепловизионным1 способом,так как через гирлянду не проходит ток утечки.
Тепловизорыприменяют также для определения состояния изоляци высоковольтных выводов натяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этомдолжна быть не ниже 0,1 °С.
Тепловыепроцессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для ихэксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек наспециальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры поструктуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этойскорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияниекаждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Этивоздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от её конструкции.Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждомконцентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева неможет быть локализовано.
Этазадача успешно решается с помощью специального тепловизора снабженногодополнительным устройством, получившим название “термостроб”. Оно позволяетвидеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение вращающегося объекта.Применяя тепловизор с термостробом, можно наблюдать тепловое изображениевращающейся покрышки во время динамических испытаний и фиксировать участки ееперегрева.
Кобластям применения тепловизоров в промышленности и науке при исследованиитемпературных полей относят также следующие:
измерениетемпературных режимов при изготовлении бумаги, листового проката металла,производстве стекла, резины и пластика, бетонных и железобетонных изделий:
испытаниестекол с электрическим подогревом для автомобилей и самолетов;
измерениетемпературы вращающихся деталей машин, а также металлических деталей иинструментов при обработке на станках;
изучениепроцессов теплопередачи в моделях, испытываемых в аэродинамических трубах;
исследованиераспределения температуры в газовой струе авиационных двигателей;
определениетемпературы поверхности ИСЗ в камерах, моделирующих космические условия полета;
контролькачества защиты атомных реакторов электростанций; определение положенийподземных и скрытых коммуникаций;
контрольуровня и положения теплых или холодных жидкостей в резервуаре;
непрерывныйконтроль обмуровки вращающихся обжиговых печей в процессе их работы;
определениепотерь в зубчатых зацеплениях:
дефектоскопияматериалов и отдельных конструкций при проведении статических и динамическихиспытаний;
определениеобластей перехода ламинарного режима течения в турбулентный при аэрофизическихисследованиях;
дефектоскопияболтовых и заклепочных соединений;
неразрушающийконтроль неметаллических материалов;
исследованиевнутренней коррозии баков и цистерн;
контролькачества сварки тонкостенных конструкций по термограммай сварного шва, накоторый подается импульс тока;
изучениетеплоизоляции труб искусственных катков;
исследованиетепловых эффектов в клинических и биологических процессах и др.
Сразвитием тепловизионной техники область применения тепловизоров для анализатепловых полей непрерывно расширяется. В СССР и за рубежом для этого созданыспециальные типы приборов.
Снятиетепловых карт местности.
Использованиетепловизоров для снятия тепловых карт местности основано на дистанционномизмерении температуры земной поверхности с самолета или с ИСЗ. Получаемыетепловые карты несут информацию об энергетическом состоянии исследуемыхучастков поверхности Земли, что используется для решения различных научных ипрактических задач.
Тепловыекарты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров,способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземныхутечек в энергосистемах, тепломагистраля, дренажных устройствах, позволяет своевременнообнаруживать очаги зарождающихся пожаров и определять границы крупных пожаровсквозь пелену сплошного дыма, а также границы пожаров горючих ископаемых поскрытым очагам в штабелях угля, сланцев, шахтных отвалов и т. д.
Большоевнимание в нашей стране и за рубежом уделяется использованию самолетныхтепловизоров при борьбе с лесными пожарами. При этом выявляют три основныезадачи: обнаружение малых (площадью не менее §5 м2) очаговзарождающихся пожаров с температурой 600…700 °С; картирование контуровохваченного огнем значительного участка леса или торфяного болота сквозьсплошную пелену дыма, когда визуальные методы неэффективны; контроль зазатухшим или затухающим пожаром, обнаружение участков кромки, где можно ожидатьвторичного возгорания.
Тепловыекарты применяют также для изучения океанских течений, обусловленных стокомрек; обнаружения заболеваний лесной и сельскохозяйственной растительности;определения мощности и возраста льдов, прогнозирования образования ледовыхтрещин; исследования природных ресурсов Земли и т. д.
Тепловыекарты существенно отличаются от обычных аэрофотоснимков, так как в формированиипоследних участвует отраженное излучение, в формировании тепловых карт —отраженное и собственное излучение, а в ряде случаев лишь последнее. Поэтому натепловых картах обнаруживаются нагретые объекты или участки местности, которыене выявляются на фотоснимках. Особенностью тепловых карт является зависимостьдинамики тепловых процессов, протекающих в течение суток. В связи с этимтепловые карты, полученные в разное время даже от одних и тех же объектовотличаются друг от друга.
Основныетребования, предъявляемые к тепловизионной аппаратуре для снятия тепловых картместности: рабочий спектральный диапазон должен соответствовать спектральнымобластям наибольшего пропускания инфракрасного излучения атмосферой и областяммаксимального излучения исследуемой поверхности; чувствительность и разрешающаяспособность должны позволять обнаруживать и регистрировать мелкие объекты смалыми температурными контрастами; угол обзора должен быть достаточно большим,но при этом ухудшение разрешающей способности на краю поля обзора не должнопревышать допустимые значения.
Тепловизоры,предназначенные для снятия тепловой карты местности и устанавливаемые налетательных аппаратах (ЛА), выполняют сканирование мгновенного угла зрениятолько в плоскости, перпендикулярной направлению полета, обеспечивая просмотрпо строке. Просмотр по кадру осуществляется за счет прямолинейного движенияносителя аппаратуры. Обычно в таких тепловизорах применяют систему соптико-механическим сканированием, реже — системы с электронным сканированием исамосканированием (на основе приборов с зарядовой связью, чувствительных в ИК.области спектра).
Предупреждениестолкновений кораблей при их движениях на встречных курсах.
Вкорабельном тепловизоре, предназначенном для навигации в ночных условиях ипредупреждения столкновений кораблей при их движении на встречных курсах, узелсканирования выполнен по схеме, но с вертикальной осью вращения зеркальнойпирамиды (рис. 5.12). Головка прибора помещена в кардановый подвес и связанаэлектрическими проводами и трубопроводами охлаждения ПИ с корпусом, которыйустанавливают на корабельной мачте. Для получения четкого изображениянаблюдаемых теплоизлучающих объектов необходима большая частота вращениязеркальной пирамиды.
Достаточнобольшой кинетический момент вращающейся пирамиды используется в системегироскопической стабилизации оси визирования тепловизора при качке корабля .
Медицинскаядиагностика.
Появлениеи развитие тепловидения позволило реализовать идею использования инфракрасногоизлучения человеческого тела для медицинской диагностики. Одно из первыхсообщений о возможности радиометрического обнаружения опухоли молочной железыбыло сделано Р. Лоусоном, который показал, что температура над опухолью можетотличаться от температуры тела в среднем на 1°. При клинических исследованияхбыла получена определенная корреляция между ростом температуры и степеньюразвития злокачественной опухоли. В результате исследований с применениемэвапорографа оказалось, что этот прибор может быть использован для проведенияпрофилактических обследований подобно тому, как флюорография применяется приобнаружении ранней стадии туберкулеза. Применение тепловизоров для исследованиясобственного теплового излучения тела человека позволило установить рядпоказателей физиологического состояния его организма, связанных сраспределением температуры по поверхности кожного покрова.
Тепловидениезначительно расширяет обычные области применения ИК техники в медицине, так какпозволяет не только фотографировать освещенную ИК лучами поверхность телачеловека и расположенные вблизи от нее сосуды, но и наблюдать изображения,создаваемые собственным тепловым излучением тела. Особенность наблюдения в этойобласти ИК спектра состоит в том, что различные предметы, окружающиенаблюдаемую поверхность, имеют близкую к ней температуру. Вследствие этогорадиационные контрасты оказываются недостаточными для непосредственногонаблюдения: даже разность температур 1 °С создает при длине волны 10 мкмконтраст, примерно равный 1 %, что вдвое меньше минимального контраста, ещеразличимого глазом.
Причинывозникновения температурных перепадов на поверхности тела человека продолжаютшироко обсуждаться, однако не вызывает сомнений прямая связь поверхностныхтемпературных эффектов с процессами, происходящими в организме. Наряду с чистофизической природой возникновения температурных перепадов, существует ещезависимость их от работы вегетативной нервной системы, вызывающей при любыхизменениях тепловой энергии внутренних органов эффект изменения кровенаполненияв сопряженной с ними подкожной сосудистой сети в рефлексогенной зоне, соответствующейданному органу, и, как следствие, изменения температуры. Свойства человеческойкожи в ИК диапазоне по излучательной способности близки к абсолютно черномутелу. Среднее значение коэффициента излучения кожи принимают равным 0,97 и поразличным данным он может иметь значение в пределах 0,84… 1,00, что приводитк ошибкам определения истинной температуры. Так, различия коэффициентовизлучения кожи в 1 % эквивалентно перепаду температур в 1 °. Спектральный максимумизлучения кожи /> = 10.мкм.Изменение температуры фона также влияет на точность измерений,, например, приее изменении от 25 до 15 °С ошибка составляет 0,3 °С при /> = 0,95, а при /> = 0,83 — 1,2 °С, т. е.погрешность измерения температуры растет при уменьшении 8. Температуру фонаследует поддерживать с точностью />С, чтопри />= 0,97 обеспечитпогрешность, не превышающую 0,05 °С.
Инфракрасноеизлучение в диапазоне 0,7…0,9 мкм проникает сквозь кожу на глубину около 3мм, что позволяет регистрировать сосуды при освещении пациента ИК источником.Регистрация изображения в ближней ИК области возможна как с использованиемсоответствующих фотоматериалов,, так и аппаратуры на базе электронно-лучевыхтрубок типа видикон, электронно-оптических преобразователей.
Важноезначение в медицинской тепловизионной диагностике имеют аппаратура, методики ееиспользования, помещение, где она установлена. В ГОИ имени С. И. Вавиловаимеется «Планировочно-технологическое решение кабинета» для оснащения вновьстроящихся лечебных учреждений, термографическими кабинетами, предназначеннымидля диагностики различных заболеваний и проведения массового профилактическогоосмотра населения.
Тепловидениеявляется хотя и эффективным, но дополнительным методом при диагностикеразличных заболеваний; полезно сочетание тепловизионного метода исследования сдругими, например, рентгенологическим, ультразвуковым, радиоизотопным,лазерным, охватывающими более широкий спектр электромагнитных волн [100].
Применяяиглотерапию или электроакупунктуру, также наблюдают с помощью тепловизораизменение порядка на 1 °С теплового поля кожи, позволяющее судить о ходе лечения,например, такого заболевания, как неврит лицевого нерва, биологически активныеточки (БАТ), как правило, располагаются в областях с повышенной радиационнойтемпературой. Отдельные БАТ могут наблюдаться тепловизором, особенно если в немпредусмотрено подавление низкочастотных составляющих спектра видеосигнала.Созданная в древности координатная привязка БАТ к поверхности тела человекадостаточно универсальна. Поэтому предпринимаются попытки использоватьсуществующую координатную привязку БАТ для систематизации тепловых полейчеловека и установления их связи с местоположением Б’АТ в частности с цельюсоздания алгоритмов машинной диагностики заболеваний. Для координатной привязкитермограммы и поверхности тела разработана система обозначений, упрощающаяописание термограмм, статистическую обработку экспериментальных результатов.
Решениезадач медицинской диагностики облегчается при наличии эталона, так называемойнормальной термограммы. Выявление разницы между нормой и патологией зависит отквалификации врача термолога. Наиболее полезным является периодическое, втечение жизни человека, его термографированне для сравнения настоящей ипредыдущих термограмм. Для обнаружения патологии необходимо знатьориентировочные значения перепадов и абсолютных значений температур различныхучастков тела.
Заключение
Тепловизоры имеютогромное значение в настоящее время, и имеют большой спектр применения. Ихприменяют для снятия тепловых карт местности, тепловые карты позволяют судить огеологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам ирегистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек вэнергосистемах, позволяет своевременно обнаруживать очаги зарождающихся пожарови определять границы крупных пожаров и т. д. А так же их применяют в медицине.Разработаны многочисленные методические рекомендации по применениютепловидения, например, при травмах опорно-двигательного аппарата, вдиагностике повреждений нервных стволов верхних конечностей, урологии, органовдыхания и т. д. А так же тепловизоры используют для предупреждения столкновенийкораблей на их движении на встречных курсах, при испытании автопокрышек, дляконтроля облицовочных плавильных печей и т. д.
Литература
1. ДрагунВ.Л. Тепловизионные системы в исследовании тепловых процессов./М.: Наука, 1967.– 256 с.
2. КриксуновЛ.З. Тепловизоры./Киев.: Техника,1987.- 287 с.
3. ПасынковВ.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы/М.: Высшая школа,1981.- 476 с.
4. СавельевИ.В. Курс общей физики./М.: Астрель,2003.- 368 с.
5. СивухинД.В. Общий курс физики./М.: ФИЗМАТ МФТИ, 2002.- 782 с.