О тепловизорах (151510)

Посмотреть архив целиком

Содержание


Введение

  1. Назначение, обзор развитие и классификация тепловизоров

  2. Тепловизоры с оптико-механическим сканированием

  3. Тепловизоры с электрическим сканированием

  4. Болометр

  5. Применение тепловизоров

Заключение

Список литературы






Введение


Успехи, достигнутые за последнюю четверть века в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, и в частности, тепловизоров - устройств, предназначенных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению. Предшественники тепловизоров - теплогенераторы были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты и определять на них направление. По мере развития теплопеленгенераторов появилась возможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуального наблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания. Так совершился логический переход от теплогенераторов к тепловизорам. Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальном масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных при использовании контактных датчиков температуры, вызвала широкое применение тепловизоров в различных областях промышленного производства, научных исследованиях и в медицинской практике.

Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасного излучения. 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 спектры молекул проявляются только в том случае, когда газ находится в разреженном состоянии. При увеличении связи между частицами (например, при изменении давления и температуры) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.

Для спектров жидкостей характерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полос возрастает и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твердых тел вследствие сильного взаимодействия между молекулами спектры излучения становятся сплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются в полосы, а полосы — в участки сплошного спектра.

Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм.. В оптическое излучение входят также рентгеновское излучение (λ = 0,01...5 нм), ультрафиолетовое (λ = 0,005...0,40 мкм) и видимое (λ = 0,40...0,76 мкм). Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн: красная — 0,76...0,62 мкм; оранжевая — 0,62...0,59 мкм; желтая — 0,59...0,56 мкм; 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 излучение занимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому излучению, а с другой — электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (λ = 0.76...3 мкм), среднюю(λ = 3...6 мкм), дальнюю (λ= 6...15 мкм) и очень далекую (λ = 15...1000 мкм).

Инфракрасное излучение так же, как и видимый свет, распространяется в однородной среде по прямой линии, подчиняется закону обратных квадратов, может отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространения инфракрасных лучей равна скорости света.

Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело, серые тела и селективные излучатели. Абсолютно черное тело — это идеализированное понятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретически возможный максимум излучения.

У большинства твердых тел, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределение энергии излучения по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черного тела. Такие тела называют «серыми». Они характерны тем, что отношение их энергетической светимости к энергетической светимости абсолютно черного цвета, имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентом теплового излучения.

Строго говоря, серых тел также в природе не существует, однако в ограниченных спектральных диапазонах многие тела с достаточной для практики точностью можно считать серыми. Введение понятия «серого тела» позволяет использовать законы теплового излучения, выведенные для абсолютно черного тела. Аналогичное допущение делают и при рассмотрении излучения селективных излучателей, для которых коэффициентом теплового излучения считают условную величину, зависящую от ряда параметров излучателя.

Ниже приведены основные формулы и таблицы, необходимые для инженерного расчета параметров теплового излучения нагретых тел.






  1. Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров


Тепловизоры — устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.

В отличие от изображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов.

Первым тепловизором условно можно считать эвапорограф, в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография — регистрация испарением).

В основу устройства эвапорографа были положены опыты Джона Гершеля, который использовал для эвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со стороны, 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 вариант эвапорографа Черни — ЕУА. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в 1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла около 1 °С [56, 63].

Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджеограф. Принцип его действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволялфиксировать перепады температур порядка 10 "С при разрешающей способности 2 лин./мм и постоянной времени 2 мс [39, 40].

В послевоенный период в ряде стран началась разработка сканирующих пловизоров в которых использовался метод развертывающего преобразования, предложенный советским ученым Ф. Е. Темниковым. В начале этого пе-иода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передаюшие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа поля Тк > 20 с), среднескоростные (0,5 с <Тк< 20 с) и высокоскоростные (Тк < 0,5 с).

Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции — тепловизор с фоторезистором, в США — авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина.

С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название РЫК (от первых букв английских слов Forward Looking Infa-Red — инфракрасные приборы переднего обзора).

В одной из первых наземных систем РЫК с оптико-механическим сканированием использовались две вращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки с одноэлементным 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 в 1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965—1975 гг.) было разработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].

Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных ПИ, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14 мкм.


  1. Тепловизоры с оптико-механическим сканированием. Основные элементы тепловизоров с оптико-механическим сканированием


Для получения видимого изображения теплоизлучающего объекта в тепловизорах с оптико-механическим сканированием осуществляют разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площадок. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ мощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ, с выхода которого последовательно во времени снимаются сигналы, содержащие информацию о теплоизлучающем объекте и окружающем его фоне. Таким образом, двумерное распределение яркостей в пространстве объектов в результате сканирования преобразуется в одномерное распределение напряжения на нагрузочном резисторе ПИ. Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видео устройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изображение. Чаще всего в качестве индикатора ВКУ используют электронно-лучевую трубку (кинескоп). Так как в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа должен быть идентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующих элементов.

Принцип действия тепловизора с оптико-механическим сканированием чается в следующем. Тепловое излучение объекта (рис.1) и окружающего его фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор и наблюдаемый объект, фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет развертку объекта, последовательно направляя на ПИ изображения различных элементов объекта После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем 5 'сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображение объекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ поступают также синхронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ со сканирующим устройством.


Рис. 2.1 Упрощенная структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием.


Структурные схемы реальных тепловизоров более сложны, чем рассмотренная схема. Кроме упомянутых основных элементов тепловизора в его состав могут входить вспомогательные элементы (устройства информационно-измерительного обеспечения, элементы стабилизации видеосигнала, дополнительный монитор с увеличенными размерами экрана, стробирующее устройство для получения неподвижных термограмм вращающихся объектов, насадки, позволяющие производить фото- и киносъемку с экрана кинескопа и др.). Как правило, в тепловизорах с оптико-механическим сканированием 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 размещение первых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где располагаются элементы синхронизации, связанные кинематически со сканирующим устройством.

Одним из главных элементов тепловизоров с оптико-механическим сканированием, определяющим их температурную чувствительность и максимальную дальность действия, является приемник инфракрасного излучения. В тепловизорах применяют два вида приемников: одноэлементные и много-элементные. Чувствительные элементы приемников представляют собой фото-езисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего на излучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре пленочные (PbS,PbSe) и монокристаллические (InSb,HgCdTe) фоторезисторы. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с понижением температуры чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до температуры 77... 195 К, используя для этого специальные охлаждающие устройства (криостаты, термоэлектрические холодильники, устройства, основанные на эффекте Джоуля-Томсона, и др.).

Главным параметром приемников инфракрасного излучения является порогчувствительности — минимальный поток излучения, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов, или превышающий его в заданное число раз.

Сканирующие устройства и траектории сканирования.

В оптико-механических сканирующих устройствах сканирование производится путем изменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы прибора.

Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными (спиральная, розеточная, прямоугольная, циклоидальная и др.). В тепловизорах обычно применяют телевизионную развертку: оптическая ось перемещается с постоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые и этом линии называются строками. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Оптико-механические сканирующие устройства достаточно инерционны,. как основаны на колебательном или вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными сканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные к инфракрасной области спектра (InSb,HgCdTe). При этом различают тепловизоры с одноэлементным приёмником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приёмником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемого изображения.

Сканирование колеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования теплового поля прямоугольной формы при одноэлементном ПИ применяют плоское зеркало, совершающее колебательные движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Изменение положения зеркала достигается посредством различных электромеханических и электромагнитных приводов. В процессе сканирования мгновенное поле зрения прибора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр.

Зеркало размещают либо до объектива в параллельном пучке лучей (рис. 2а), либо за объективом в сходящемся пучке (рис. 2б). В первом случае достигается высокое качество изображения (ввиду отсутствия дополнительных аберраций), но при этом размеры колеблющегося зеркала должны быть большими и требования к качеству изготовления его отражающей поверхности - жёсткими.





Если зеркало наклонено под большим углом к оптической оси, то плохое качество отражающей поверхности вызывает астигматизм в изображении точечного источника. При расположении зеркала за объективом размеры зеркала можно уменьшить, но в этом случае при повороте зеркала поверхность изображения получается не плоской, а сферической и пятно остаточных аберраций увеличивается.

Построчное сканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала приводит к отклонению растра от прямоугольного, если зеркало расположено под некоторым углом  к оптической оси (рис. 2.3,а). Принимая за количественную характеристику этого отклонения наибольшее относительное изменение размеров, соответствующее краю поля зрения ().Сканирующее плоское зеркало может быть жестко закреплено на оси под углом 45°, так что сканирование вдоль строки обеспечивается поворотами зеркала относительно этой оси на угол ±, а сканирование по кадру — поворотом зеркала вместе с осью, на которой оно закреплено, на угол ± (рис.2.3б) В этом случае форма растра близка к трапеции. При  = +10° и  =• 95° искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет 3% , а искривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 % . Наряду с одним плоским зеркалом, имеющим две степени свободы, сканирующих устройствах можно применять два зеркала, каждое из которых совершает колебательное движение относительно взаимно перпендикулярных осей, образуя телевизионный растр.