Тепловизор. Принцип работы. Цены. Применение

Тепловизор –  это бесконтактный прибор, предназначенный для визуализации распределения температуры на поверхности исследуемого объекта. Такая визуализация происходит путем преобразования теплового излучения (в инфракрасном спектральном диапазоне), в видимое изображение, которое появляется на экране дисплея тепловизора. Иными словами, тепловизор фиксирует «тепловой профиль» объектов и окружающей среды. Тепловизор может работать даже в полной темноте, так как не требует никакого рассеянного света или дополнительного освещения. Действие приборов ночного видения основывается на усилении слабого освещения от звезд, луны, других слабых источников, тогда как принцип работы тепловизора заключается в непосредственной регистрации теплового излучения от исследуемых объектов и создании электронного изображения. Тепловизионная камера может работать в условиях ограниченной видимости (дым, туман, мгла) или полной темноты, что делает ее незаменимым устройством для спасательных или поисковых операций.

Первый тепловизор был разработан для военных задач, однако со временем его уникальные диагностические возможности начали использовать и для самых разнообразных мирных задач. Самое большое преимущество тепловизора в том, что с его помощью можно проводить диагностику оборудования в рабочем состоянии, не прерывая технологический процесс и не останавливая производство, без физического контакта. Можно контролировать температурное состояние объектов под напряжением, агрессивных сред. Медицинские диагностические методики основываются на изучении теплового профиля человеческого тела. Ну и конечно незаменим он в криминалистике, военном деле.

Как правило, цена тепловизоров достаточно высокая, однако в последнее время на рынке появились недорогие, однако достаточно полнофункциональные модели, что значительно расширило круг пользователей тепловизоров. Вот неполный перечень возможных применений тепловизоров:

  • Строительство (энергоаудит зданий и выявление мест утечек тепла, выявленные влаги в стенах и крышах, структурный анализ кирпичной кладки стен, выявленные теплотрасс и повреждений теплотрасс и т. д.);
  • Контроль технологических процессов;
  • Контроль транспортных средств;
  • Ранняя диагностика возможных неисправностей технических устройств (места перегрева технических узлов и деталей);
  • Поисково-спасательные операции;
  • Пожарные операции, датчики пламени;
  • Военные задачи;
  • Осмотр на контрольно-пропускных пунктах;
  • Медицинская термография, ветеринария;
  • Экология (анализ сточных вод, выявления источников инвазии);
  • Научные задачи, метеорология.

Что такое инфракрасное излучение? Физические основы диагностики при помощи инфракрасного излучения

Рассмотрим более подробно физические принципы, на которых основывается работа тепловизоров.

Если посмотреть на общий спектр электромагнитного излучения, то мы увидим, что видимое излучение, то есть такое, которое видит человеческий глаз без дополнительных технических средств, занимает очень узкую полоску. Поэтому очевидно, что для получения более полной информации об окружающих нас объектах хорошо было бы  научиться «видеть» и в других частотных диапазонах.
Достаточно широкий участок спектра, который идет сразу после видимого, относится к инфракрасному излучению, которое еще называют тепловым. Природа этого электромагнитного излучения заключается в возбуждении атомов и молекул при соударениях в процессе их теплового движения. Уникальность и важность этого диапазона заключается в том, что любое тело, температура которого выше абсолютного нуля (0 ºК, или -273,15 ºС, температура, когда прекращаются хаотические движения атомов и молекул и становится не возможной передача энергии), излучает в инфракрасном диапазоне спектра.
Открытие инфракрасного излучения принадлежит выдающемуся астроному и исследователю звездных систем и туманностей Фридриху Вильгельму Гершелю. Расщепив солнечный свет призмой, он разместил термометр сразу после красного излучения и показал, что показания термометра и в дальнейшем растут. Инфракрасный – означает размещен позади красного, он охватывает длины волн от 0,76 до 2 000 мкм (частоты от 300 до 3 ТГц). Инфракрасный диапазон принято подразделять на ближний (0,7–2,5 мкм), средний (2,5–50 мкм) и дальний (50–2000 мкм)

Количественно тепловое излучение описывается четырьмя основными законами.
Закон Кирхгофа о тепловом излучении говорит о том, что при условии теплового равновесия излучательная способность ε какого-либо тела равна его коэффициенту поглощения на заданной длине волны при определенной температуре, то есть, больше излучает то, что больше поглощает: ε (λ, Т) = α (λ, Т).
Закон Стефана – Больцмана устанавливает связь между общей энергией теплового излучения тела и его температурой:  F=δT4 – общая энергия теплового излучения тела пропорциональна четвертой степени его температуры.
А длина волны, на которую приходится максимум энергии теплового излучения определяется законом смещения Вина: при росте температуры максимум излучения сдвигается в коротковолновую область. Максимум теплового излучения тела человека (с температурой 36 ºС, или 309 ºК) находится в инфракрасном диапазоне на длине волны порядка 10 μм, а объекты с температурой порядка 700–800 °С излучают уже в видимом диапазоне.
И четвертый закон распределения интенсивности по длине волны при разных температурах – закон Планка. На этих законах базируется практическая термография, что позволяет определять температуру исследуемого объекта без физического контакта с ним и с высокой точностью – порядка десятых Кельвина.

Рабочий диапазон тепловизионных камер лежит в средней области ИК-спектра. Особенно интересным является диапазон 8–14 мкм, он совпадает с наиболее широким окном прозрачности атмосферы, а также соответствует максимальной излучательной способности объектов с температурой от -50 до +500 °С. 

Конструктивные особенности телевизоров

Основными конструктивными элементами тепловизора являются оптическая система, система регистрации, болометрическая матрица для измерения температуры, силовой блок, корпус. Для моделей с расширенными функциональными возможностями этот список может дополнить дополнительное оборудование (лампа подсветки, лазер и т. д.).

Микроболометрическая матрица

Принцип работы пирометров может основываться на пиро- (емкостного) или сегнетоэлектрических (поляризационных), фероэлектрических или болометрических (резистивных) технологиях – под действием инфракрасного излучения в приемнике должно меняться количество носителей, которые в свою очередь влияют на электрические свойства материала, изменение в которых фиксирует электронная система пирометра.

Если контролировать изменение сопротивления, то такой термочувствительный элемент называется болометр. Первые тепловизоры работали на одном болометре с охлаждением и с использованием горизонтальной и вертикальной развертки. В дальнейшем были разработаны линейные системы из нескольких болометров с покадровой разверткой. Современные же приборы работают на основе многоэлементных (матричных) твердотельных FPA – FocalPlateArea – приемников. Есть два типа барометрических матриц – с охлаждением и без охлаждения.

Неохлаждаемые инфракрасные датчики работают при температуре окружающей среды и не требуют громоздких систем охлаждения. Могут быть дополнительно стабилизированы до температуры окружающей среды для снижения уровня шума.

На рисунке представлено схематическое изображение полупроводникового болометра без охлаждения на основе двух термисторов. Когда ИК-излучение попадает на активный термистор, температура его изменяется, и соответственно меняются электрические характеристики (в данном случае сопротивление), что фиксируется электрической схемой и представляется графически в виде изображения. Количество элементов в матрице может достигать 640х480, то есть 307 200 элементов, а их линейные размеры порядка длины волны ИК излучения (17–25 мкм).

В 2013 году DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – агентство передовых оборонных исследовательских проектов) анонсировало выход новой низкочастотной инфракрасной камеры с FPA матрицей 1280х720 пикселей. Однако для рядового пользователя это пока из области фантастики. На практике бывает достаточно матрицы гораздо меньшего разрешения, тем более, что стоимость матрицы и есть основная составляющая стоимости тепловизора. Наиболее распространенным и дешевым является микроболометр из аморфного кремния, также из оксида ванадия, сплавов различных металлов и др.
К преимуществам неохлаждаемых матриц можно отнести их дешевизну, высокую надежность, они дают хорошую контрастность изображения в ночное время, однако они бесспорно уступают по чувствительности охлаждаемым матрицам.

Охлаждаемые инфракрасные датчики как правило изолированы от окружающей среды в герметичной вакуумной упаковке с криогенным охлаждением. Охлаждение необходимо для работы полупроводниковой матрицы, она настолько чувствительна, что без охлаждения будет просто "ослеплена" собственным тепловым излучением. Диапазон рабочих температур может достигать от 4 °К практически до комнатной температуры, наиболее распространенный диапазон от 60 °К до 100 °К. Как систему охлаждения используют криокулеры Стирлинга, альтернативой может быть использование теплообменников, охлаждаемых сжатыми газами, например азотом. Такие системы могут быть применены в полевых условиях.

Конечно, система охлаждения является достаточно громоздкой и дорогой, для начала работы нужно несколько минут, чтобы охладить матрицу, кроме того, охлаждаемые датчики имеют ограниченный срок службы. Однако эти неудобства полностью компенсирует чрезвычайно высокая чувствительность и безупречное качество изображения. Преимуществом является также возможность использования линз с большими фокусными расстояниями, а следовательно – можно работать на больших расстояниях.

Наиболее чувствительные тепловизоры, которые используют для научных задач, работают на сверхпроводящих технологиях (эффект Джозефсона) и могут зарегистрировать единичные фотоны. Наиболее широко употребляемыми материалами для охлаждаемых матриц являются ртуть-теллурид кадмия (HgCdTe) (1–2 мкм, 3–5 мкм, 8–12 мкм), антимонид индия (InSb) (3–5 мкм), и др.

Оптические элементы

Обычные стеклянные линзы для тепловизоров не подходят, поскольку стекло (оксид кремния SiO2 ) не прозрачно в ИК-диапазоне. Поэтому используют кремний, германий, сульфид цинка, селенид цинка, фториды щелочных металлов, специфические пластмассы.
Германий, благодаря своим оптическим свойствам (прозрачный от 2 до 16 мкм, высокий показатель преломления), умеренной цене и хорошими эксплуатационным характеристикам, приобрел наибольшую популярность для изготовления оптических элементов тепловизоров.
Для обеспечения высококачественной дискретизации изображения, важна также оптическая схема объектива. Использование трилинзовой системы позволяет избавиться от аберраций и получить четкое изображение.
Однако следует помнить о том, что хотя германий и достаточно твердый, ухаживать за объективом нужно очень осторожно, все же он значительно дороже, чем стеклянный или пластмассовый. Также, при повышении температуры до 100 °С, германий теряет половину своей прозрачности.
Для очистки германиевого объектива в полевых условиях можно воспользоваться слегка увлажненной хлопчатобумажной тряпкой, а  для удаления жирных пятен подойдет этиловый спирт или ацетон. Протирать нужно легкими зигзагообразными движениями, не прикладывая особых усилий

Формирование изображения.

Датчики тепловизионных камер не различают длины волн инфракрасного излучения – то есть не различают цвета, фиксируются только изменения электрических свойств в зависимости от интенсивности облучения. Поэтому тепловизоры имеют одноцветный канал и формируют монохромные изображения, где интенсивность излучения (а, следовательно, и температура) отражаются оттенками серого – высокая температура соответствует светлому оттенку..
Для дифференциации длин волн нужны более сложные конструкции датчиков. Однако принципиально в этом нет никакой необходимости. Во-первых, человеческий глаз все равно их не может различить, с другой стороны, вспомним, что чувствительность зрительной системы человека различна на разных частотах видимого диапазона (кривая спектральной световой эффективности имеет максимум в зеленой области).
Поэтому для удобства оператора изображения отображаются в псевдо-цвете, где более высоким температурам присваивается более яркий оттенок, а более холодные участки – более темный цвет (от белого до черного). Шкала отображается сбоку на экране, вместе с погрешностью. Хотя у человеческого зрения гораздо больший динамический диапазон обнаружения интенсивности, а не цвета, представление изображения в псевдо-цвете оказывается полезным для определения различий в ярких или, наоборот, очень темных областях.

Поисковые и измерительные тепловизоры

По назначению и применению, тепловизоры делятся на поисковые и измерительные.

Поисковые тепловизоры используют для выявления отдаленных тепловых объектов и визуализации их на экране тепловизора в определенной цветовой шкале без измерения температуры. Для более эффективного использования, поисковые тепловизоры могут быть оснащены дополнительными устройствами, например дальномером, прибором ночного видения. Их главная задача – увидеть замаскированный или скрытый объект, независимо от уровня естественного освещения, уровня прозрачности атмосферы, через лиственный покров деревьев, слой почвы, маскировочные элементы, т. Поисковые тепловизоры в основном используются для охраны, контроля на пунктах пропуска и таможни, для поисково-спасательных операций, для военных задач нацеливания, разведки, наблюдения и т. д.
Измерительные (или радиометрические) тепловизоры больше предназначены для технических задач, для диагностики оборудования, промышленных и производственных систем, зданий, сооружений, для медицинской термографии, для научных исследований, аэрофотосъемки и т. д. Кроме визуализации теплового изображения, каждому цветному оттенку присваивается определенная температура. Таким образом мы получим карту температурного распределения. Кроме того, тепловизоры могут быть портативными (пистолетного типа), переносными, стационарными или временно устанавливаться на держателях, с поворотными системами.
Технические параметры, по которым оценивают качество телевизора, включают:

  • Диапазон измеряемых температур;
  • Разрешение по температуре;
  • Поле зрения;
  • Мгновенное поле зрения (пространственное разрешение);
  • Рабочий спектральный диапазон;
  • Размер матрицы (количество элементов в приемнике излучения).

Измерительные тепловизоры пистолетного типа

Очень удобными и практичными в применении являются тепловизоры пистолетного типа. Хотя они и принадлежат к дешевым моделям, однако простота в эксплуатации, надежность в работе, а также достаточно демократичная цена, способствуют росту популярности таких тепловизоров. Особенно востребованы они в области технического обслуживания и надзора за высокотехнологическим оборудованием, для осмотра линий электропередач, для диагностики транспортных средств. Незаменимыми будут также на строительстве.

Конечно, для удешевления конструкции здесь стоит сравнительно небольшая матрица (60х60 в модели IR-60 и 80х60 в модели Walcom IR-80), однако это не мешает достичь достаточно высокого уровня тепловой чувствительности (0,15 °С в модели IR-60 и 0,08 °С в модели Walcom IR-80), и точности измерения температуры порядка 2 %. Рабочий частотный диапазон 8–14 мкм, настраиваемый коэффициент эмиссии, рабочий температурный диапазон от -20 °С до +300 °С – такие технические параметры являются вполне достаточными для широкого круга задач.

Изображения, полученные в процессе исследований, можно сохранить на съемную карту памяти и перенести на компьютер для дальнейшей обработки или статистического анализа. Энергосберегающие элементы питания (батарейки или аккумуляторы) позволяют работать непрерывно до 6 часов, а наличие функции автоматического выключения может еще продлить время работы.

 

Специалисты маркета SIMVOLT предоставят исчерпывающую информацию и проконсультируют по всем вопросам выбора, эксплуатации и хранения тепловизоров.