История создания тепловизора кратко

Обновлено: 05.07.2024

А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость. Такой приемник излучения позволил дойти до максимально возможной на то время длины волны до 5,3 мкм, а к 1923 году в излучении маленького электрического осциллятора детектируются уже 420 мкм. Начало XX века ознаменовывается появлением массы идей, касающихся практического воплощения теоретических поисков предшествующих десятилетий. Так, появляется фоторезистор из сернистого таллия, обработанный кислородом (оксисульфид таллия), способный изменять свою электропроводность под действием инфракрасных лучей. Немецкие инженеры создали на их основе таллофидные приемники, ставшие надежным средством связи на поле боя. До 1942 года вермахту удавалось держать в секрете свою систему, способную работать на дальность до 8 км, пока не прокололись при Эль-Аламейне. Эвапорографы являются первыми истинными тепловизионными системами, позволяющими получать более или менее удовлетворительные теплограммы.

Первой попыткой создания тепловизора можно назвать эвапорограф, что означает регистрация испарения. В качестве преобразователя использовалась масляная пленка. Разность температур наблюдаемого объекта и окружающей среды фиксировалась и преобразовывалась в разность толщины пленки. При нагревании происходило неравномерное испарение жидкости и таким образом осуществлялось отображение объекта. Основой его создания послужили опыты Д.Гершеля еще в 19 веке, который использовал фильтровальную бумагу пропитанную спиртом и прокопченную со стороны наблюдаемого предмета. В начале 20 века были попытки усовершенствовать прибор и достигались определенные успехи в Америке, Германии и Советском Союзе. Однако все приборы относились к классу не сканирующих устройств и не получили широкого применения из-за низкой разрешающей способности и скорости воспроизведения предмета исследования.

Тепловизоры используются во многих областях промышленности, где требуется контроль над температурными изменениями

После войны во многих странах начались разработки сканирующего устройства, идею которого предложил советский ученый Ф. Е. Темников, и в основе этого метода было развертывающее преобразование. Главное внимание было направлено на систему оптико-механического сканирования, поскольку в то время передающие телевизионные трубки не были достаточно чувствительными к инфракрасному излучению, и основным показателем было время передачи изображения. По этому принципу они классифицировались как низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные. Первые ысокоскоростные тепловизоры появились в 60 годах 20 века, и это момент с которого началось активное развитие данной отрасли.

Опыт предыдущих поколений и быстрое развитие науки и техники послужили стимулом для разработки твердотельных матриц, и было доказано, что с помощью кремния возможно преобразование оптических в электрические сигналы. При помощи сдвиговых регистров отдельные элементы матриц, располагающиеся по периферии, сканировались в двух перпендикулярных направлениях. В 70 годах появились аналоги регистров, которые именуются ПЗС, выполняющие роль хранителей сигналов, которые затем расшифровываются специальными устройствами и транслируются в виде изображений. В настоящее время наиболее широкое применение имеют сверхчувствительные неохлаждаемые болометры. В нашей стране производство по данной технологии было освоено в 2007 году.

Тепловизоры используются во многих областях промышленности, где требуется контроль над температурными изменениями. Создание малогабаритного, но высокоэффективного прибора делает доступным его применение при выполнении различных выездных заданий. Услугу тепловизионной съемки вы можете заказать у специалистов нашей компании.

Содержание

Технологии [ ]

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

Датчик [ ]

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

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

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

Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.

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

Оптика [ ]

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

Бесконтактное измерение температуры [ ]

Тепловизор позволяет косвенно судить о температуре объекта по его электромагнитному излучению в определенном диапазоне инфракрасного спектра. Однако отклонения оптических свойств реальных материалов от свойств идеального абсолютно черного тела затрудняет однозначное преобразование излучения, регистрируемого тепловизором, в точное значение температуры реального объекта.

Формула Планка описывает зависимость испускаемого телом электромагнитного излучения от температуры тела в идеальном случае, то есть в случае т. н. абсолютно черного тела. Однако реальные тела чаще всего отличаются от абсолютно черного тела, обладая индивидуальными свойствами отражения (рассеяния), пропускания (поглощения) и испускания (англ.)рус. электромагнитных волн. Свойства отражения (рассеяния) и пропускания определяют паразитную засветку объекта измерения от окружающих нагретых предметов, что может приводить к завышению показаний бесконтактного датчика температуры. Свойство поглощения излучения определяет подогрев объекта излучением окружающих нагретых предметов. Различие в свойстве испускания излучения реальных материалов и абсолютно черного тела приводит к занижению показаний температуры. Нагретый куб Лесли. Видно что черная и белая грани куба имеют высокий коэффициент излучения и тепловизор показывает что грани горячие. А полированная и матовая грани куба сделаны из материала с низким коэффициентом излучения но с высоким коэффициентом отражения, потому в тепловизоре они выглядят холодными и в них отражается тепло руки. Для демонстрации некоторых проблем определения температуры по излучению был придуман куб Лесли, у которого стороны выполнены из разных материалов. Изображения куба Лесли справа демонстрируют разницу в излучательных и отражательных свойствах разных граней куба при одной и той же температуре куба.

Для численной характеристики оптических свойств материалов, влияющих на уровень излучения от них, введены коэффициент отражения (коэффициент рассеяния), коэффициент пропускания (или коэффициент поглощения) и коэффициент излучения электромагнитных волн. Эти коэффициенты показывают отличия материала от оптически идеального, в частности, коэффициент излучения показывает насколько излучение материала меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Ниже приведена таблица коэффициента излучения некоторых материалов в актуальной для тепловизоров части инфракрасного диапазона.

Материал	Коэффициент излучения
Полированный алюминий	0,03
Анодированный алюминий	0,55
Полированное золото	0,02
Полированное железо	0,21
Окисленное железо	0,64
Полированная сталь	0,07
Окисленная сталь	0,79
Черная сажа	0,95
Белая бумага	0,93
Дерево	0,90
Полированное стекло	0,94
Человеческая кожа	0,98
Вода	0,92
Снег	0,80

Все эти коэффициенты имеют зависимость от длины волны, то есть в видимом и инфракрасном диапазоне эти коэффициенты могут отличаться.

История создания [ ]

Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. XX в. Современные тепловизионные системы начали своё развитие в 60-е годы XX столетия. Первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получили пириконы (пировидиконы). Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан. Затем появились тепловизоры на твердотельных сенсорах с оптико-механическим сканированием поля зрения, формируемого объективом и одноэлементным приёмником излучения. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всём мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования.

В СССР и России [ ]

Область применения [ ]

Контроль утечки энергоресурсов [ ]

Тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в доме.

Прибор ночного видения [ ]

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

Спасательные службы [ ]

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

Медицина [ ]

Кожа человека имеет высокий коэффициент излучения (~0,98), близкий к коэффициенту излучения абсолютно черного тела, что делает информативным наблюдение тепловизором за температурой кожи человека. Низкий коэффициент отражения кожи в тепловом ИК диапазоне минимизирует влияние нагретых предметов окружающей среды. Тепловизор позволяет регистрировать как статическое распределение температуры так и динамику температурного распределения кожи. Поверхностное распределение температуры кожи обусловлено состоянием подкожных сосудов, мышц, внутренних органов, жировой прослойки. Физиология терморегуляции может зависеть как от окружающих условий так и от физической или эмоциональной нагрузок, а также действия фармакологических препаратов.

Выявление больных ОРВИ [ ]

С целью предотвращения эпидемий с 2008 года тепловизоры начали использовать для выделения из толпы лиц с высокой температурой, которой сопровождаются острые респираторные заболевания. Пандемия COVID-19, распространившаяся в мире в 2020 году, увеличила спрос на тепловизоры для бесконтактного измерения температуры тела в общественных местах и местах скопления людей. В этом же году Роскомнадзор указал на нюансы использования тепловизоров для измерения температуры работников и посетителей организаций. Следует, однако, учитывать, что тепловизор измеряет температуру открытых кожных покровов и потому его показания могут зависеть не только от температуры тела но и от других факторов, в частности климатических условий.

В традиционной медицинской практике измерения температуры тела человека выполняются контактными термометрами в четырех областях: подмышечной впадине (в норме 36,6..36,8°С), под языком (в норме 36,7..36,8°С), в прямой кишке (в норме 37°С), в наружном слуховом проходе. При необходимости дистанционного измерения температуры эти области являются недоступными, чаще всего доступна лишь область лица.

Металлургия и машиностроение [ ]

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

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

Тепловизор является устройством, основным предназначением которого принято считать наблюдение за температурным режимом на поверхности, которая в данный момент подвергается исследованию. Он широко применяется в медицинской, строительной, нефтедобывающей, машиностроительной и многих других сферах, позволяя человеку избежать ошибок и мелких погрешностей, которые могут иметь крайне негативные последствия.

История создания

Первое упоминание о тепловизоре, приходится на 60-е годы 20 столетия. Первые приборы были одноэлементными приемниками, в которых наблюдения имели графическое обозначение в виде точек. Изначально тепловизоры создавались для обеспечения военных надежным прибором, способным выявлять опасные зоны и противника даже в темноте. Однако с течением времени и благодаря ускорению технического прогресса потребность в данном приборе начали испытывать все новые и новые сферы. В итоге, конструкция тепловизора, доступная лишь избранным, начала претерпевать постепенное упрощение, за счет чего начала уменьшаться и стоимость устройства, делая их доступными всем желающим.

Особенности работы первых и современных устройств

В первых моделях тепловизоров кадры получались путем оптико-механического сканирования пространства. Однако разрешение таких изображений было таким же низким, как и скорость его передачи, что побудило создателей к совершенствованию прибора. В итоге, с целью повышения расширения специалисты начали применять несколько объединенных в единую сеть приемников, имитирующих матрицу. С течением времени конструкция изделий продолжила совершенствоваться. Результатом стал матричный приемник, который невероятным образом расширил горизонты возможностей исследователей.

В настоящее время матричным видом приемника оснащен каждый современный тепловизор. Матрица позволяет мгновенно обрабатывать сигнал, передавая памяти устройства сигнал в высоком разрешении. При этом масса и вес прибора остаются минимальными.

Впервые аппараты дистанционного измерения температуры начали появляться в начале 60-х годов прошлого века. Самые первые модели имели всего один измерительный элемент. Во время процесса он постепенно сдвигался по горизонтали и вертикали, передавая значение температуры в каждой точке. На кинескоп же выводилась итоговая картина, но подобный метод имел существенный недостаток. Изображение медленно обновлялось и невозможно было проследить за динамикой быстрых процессов.

Современные тепловизоры по своей сути являются черно-белой цифровой камерой, с одним существенным отличием: они настроены на спектр волн, невидимый человеческому глазу.

Современные тепловизоры по своей сути являются черно-белой цифровой камерой, с одним существенным отличием: они настроены на спектр волн, невидимый человеческому глазу. В качестве приемника выступает матрица, сделанная из множества крошечных ПЗС датчиков. Каждый из них замеряет интенсивность излучения в отведенной ему точке. На выходе получается температурная карта объекта в черно-белом цвете.

Для того, чтобы изображение получилось более информативным, его обычно делают цветным. Темно-синий цвет принимают за самую холодную точку карты, а ярко-красный – за самую теплую. Дополнительно на экране выводят шкалу, которая помогает сопоставить оттенок с конкретной температурой. За все преобразования отвечает микропроцессор, который уже встроен в прибор. Это позволяет выводить температурную карту на экран в режиме реального времени с частотой до нескольких сотен Гц.

Советуем вам ознакомиться со следующей моделью цветного тепловизора: XINTEST HT-02. Для этого перейдите по ссылке.

Сферы применения тепловизоров

Сегодня тепловизоры активно используются как в военной, так и в гражданской сфере. Уникальные свойства прибора, позволяющие выявить скрытые аномалии, применяются для обнаружения дефектов различных конструкционных материалов. С его помощью можно увидеть внутренние трещины и полости в металле или бетоне. Также тепловизор используется для контроля режима нагрева и охлаждения крупных деталей на производстве. Прибор помогает добиться равномерного изменения температуры по всей поверхности материала, что позволяет предотвратить деформацию.
В последние годы тепловизоры стали активно использовать коммунальные службы и строители. Осмотрев портативным прибором крышу и фасад здания, можно определить основные источники утечки тепла и своевременно устранить их, повысив тем самым энергоэффективность здания. Аналогичным образом используют устройства газовики – они осматривают трубопроводы и находят малейшие утечки газа. Это позволяет своевременно произвести локальный ремонт и избежать серьезной аварии. Также тепловизоры появились на вооружении у спасателей и пожарных. Устройство позволяет спасательным службам находить людей в дыму или кромешной темноте, а также избегать контакта с раскаленным воздухом.

Основными потребителями тепловизоров по-прежнему остаются силовики. Спецслужбы и полиция используют приборы для слежки в темное время суток и при плохой видимости. У военных же тепловизоры стоят практически везде. Уже более 20 лет современные самолеты, вертолеты, танки и другие боевые машины оснащаются соответствующими приборами. Они позволяют увидеть живую силу и технику противника среди деревьев и кустарников в темное время суток. В последние же годы устройствами стали оснащать не только технику, но и пехоту. Тепловизионные прицелы устанавливают на стрелковое оружие и переносные пусковые установки, кроме того их используют в приборах наблюдения и целеуказания.

Несмотря на широкое распространение прибора, цены на него все еще остаются огромными. Купить тепловизор могут позволить себе разве что серьезные организации. Цена на самые дешевые модели китайской разработки начинается от тысячи долларов, а высокоточные приборы американского производителя FLIR или немецкого TESTO стоят в 5-10 раз дороже.

Мало кто захочет тратить такие деньги для развлечения, так что любителям охоты и тепловых фотографий приходится изобретать и мастерить устройство из подручных средств. Для того, чтобы сделать тепловизор своими руками, обычно используют фотоаппарат или камеру.

Линзы фотоаппарата прекрасно пропускают тепловые лучи, и для того, чтобы они не портили изображения, внутри камеры устанавливают инфракрасный фильтр. Его и необходимо заменить на фильтр для видимого спектра излучения. Таким образом зеркальный фотоаппарат и превращается в тепловизор. Аналогичные операции нужно проделать и с камерой. От самодельной поделки не стоит ожидать фантастического качества, но для развлечения такой вариант вполне подойдет.

Также любителей бюджетных поделок может порадовать тепловизор на базе микроконтроллера Arduino. Для его изготовления потребуется обычная веб-камера, температурный датчик, 2 сервопривода и лазерная указка. Готовый комплект стоит около 50 долларов, но собирать устройство придется самостоятельно.

Читайте также: