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.

2. 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 g 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 ±j, а сканирование по кадру — поворотом зеркала вместе с осью, на которой оно закреплено, на угол ±g (рис.2.3б) В этом случае форма растра близка к трапеции. При j = +10° и g =• 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.

В случае использования многоэлементного (линейного) ПИ конструкция сканирующего устройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом случае зеркало должно совершать 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 аберраций 250 мкм. Сканирование по горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимся с собственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерции зеркала и жесткостью крутильной пружины, на которое оно подвешено. При колебаниях зеркала неконтактный датчик выдаёт сигнал обратной связи, соответствующий перемещению зеркала. Этот сигнал после усиления подаётся на обмотку электромагнита, воздействующего на лёгкую железную арматуру, прикреплённую к зеркалу.

Рис. 2.4. Сканирующее устройство с многоэлементным ПИ и расположением сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей

1 - объектив; 2 - ПИ; 3 - отражательное зеркало; 4 - электромагнит; 5 - сканирующее плоское зеркало.

Фаза сигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались незатухающие колебания зеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствующий определенному положению сканирующего зеркала, используется одновременно для синхронизации развертки электронного пятна по экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали ± 15°; поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки ПИ (30 мм).

Общий недостаток сканирующих устройств с колеблющимися плоскими зеркалами — ограничение частоты развертки из-за ударов в крайних положениях зеркала. Зеркальный барабан имеет более широкие сферы применения.

3. Структурные и функциональные схемы тепловизоров с электронным сканированием

Тепловизоры с видиконом. В передающей камере тепловизора с электронным сканированием изображение наблюдаемого объекта проецируете» мощью оптической системы на мишень телевизионной передающей типа видикон, чувствительной к коротковолновому инфракрасному излучению, которая преобразует электронное изображение в видеосигнал (рис. 6.1)

Рис. 3.1. Структурная схема тепловизора с электронным сканированием: — оптическая система; 2 — блок передающей Телевизионной трубки; 3 — блок кадровой и строчной разверток передающей трубки; 4 — предварительный усилитель видеосигнала; 5 — видеотракт ;6-генератор гасящих и синхронизирующих импульсов;7- блок приёмной телевизионной трубки;8- блок кадровой и строчной разверток приёмной трубки; ; 9 — блок синхронизации

Для развертки изображения на отклоняющую систему трубки подаются напряжения пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемые блоком развертки. Согласование во времени движения электронного луча по экрану приемной трубки с движением луча по мишени передающей трубки осуществляется с помощью синхронизирующих импульсов, подаваемых во время обратного хода луча. При этом системы развертки передающей приемной трубок должны работать синхронно и синфазно.

Синхронизирующие импульсы формируются на передающей части телевизионной системы и замешиваются в видеосигнал. Видеосигнал, состоящий из сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называются полным телевизионным сигналом. Он поступает на приемную телевизионную трубку, изменяя яркость свечения экрана. Для получения изображения электронный луч приемной трубки перемещается по плоскости экрана воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемную трубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, где синхронизирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные и кадровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемной трубки.

Тепловизор с электронным сканированием содержит следующие основные блоки;

оптическую систему, представляющую собой объектив, изготовленных из оптического материала, который пропускает инфракрасное излучение в спектральном диапазоне чувствительности видикона;

блок передающей телевизионной трубки, состоящий из самой передающей трубки, чувствительной к инфракрасному излучению, а также из фокусирующей и отклоняющей системы (ФОС). Последняя состоит из двух пар катушек для отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих катушек помещается фокусирующая катушка. Иногда для повышения качества изображения в ФОС вводят корректирующие катушки, исправляющие траекторию луча на краях растра. Габариты ФОС отечественного производства: диаметр 60 мм, длина 115...142 мм;

Генератор строчной развертки генерирует пилообразные напряжения с частотой 15625 Гц (при стандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с), а генератор кадровой развертки — пилообразные напряжения с частотой 50 Гц;

предварительный усилитель видеосигналов;

видеотракт, состоящий из видеоусилителя и ряда каскадов, необходимых для замешивания в видеосигнал различных служебных сигналов. На выходе видеотракта получается полный телевизионный сигнал положительной полярности с размахом порядка 1 В на нагрузке 75 Ом и отношением сигнал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до 7,5 МГц;

синхрогенератор, вырабатывающий кадровые синхронизирующие импульсы, кадровые и строчные гасящие импульсы приемной и передающей трубок;

блок синхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала синхронизирующие импульсы, которые поступают на блок развертки приемной телевизионной трубки;

блок приемной телевизионной трубки, состоящий из самой приемной трубки (кинескопа) и ФОС;

блок кадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

К тепловизорам с электронным сканированием относится прибор ДТП' 103 (рис. 3.17), предназначенный для анализа тепловых полей и разработанный в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики АТП-103 позволяет исследовать в реальном масштабе времени стационарные тепловые поля сравнением теплового излучения эталонного и исследуемого объектов в диапазоне температур 250—1200 °С с погрешностью ± 1 % .

Качественный анализ исследуемого объекта проводят по черно-белому полутоновому изображению теплового поля на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) с пропорциональной зависимостью яркости от температуры. Количественные измерения проводятся сравнением мощности излучения от объекта и эталонного излучателя, либо методом изотерм, который позволяет выявить на экране ВКУ области, температура которых превышает установленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложением их на изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет измерять температуру по выделенной строке, для чего профилограмму выводят на экран осциллографа.

Излучение от исследуемого объекта поступает через объектив и фильтр на мишень видикона, чувствительного в инфракрасной области спектра. Полученный на мишени потенциальный рельеф считывается электронным пучком, отклонение которого по строкам и кадру выполняется ФОС. Выходной сигнал видикона после усиления поступает в блок обработки сигнала (БОС),где формируется стробирующии импульс по строкам и кадру. Он определяет геометрические размеры зоны, в которой измеряется температура методом замещения. В БОС амплитуда сигнала видикона, пропорционального температуре в контролируемой зоне объекта, сравнивается с амплитудой сигнала, получаемого от эталонного излучателя. Изотермы формируются на компараторе; на его вход поступают сигналы от эталонного источника напряжения и выходной видеосигнал, привязанный к заданному уровню. Сигналы, формирующие теплопортрет, изотермы и стробирующие импульсы, суммируются и поступают на ВКУ, на экране которого воспроизводится изображение исследуемого объекта.

Технические характеристики тепловизора: температурное разрешение 3 °С (при температуре объекта 310 °С); поле зрения 4 X 6°; геометрическое разрешение не хуже 5 мрад; число кадров в секунду 25; число строк в кадре 625.

Тепловизор АТП-103 конструктивно выполнен в виде четырех блоков: приемной камеры, БОС, ВКУ и пульта управления. Связь между ними осуществляется кабелями со штепсельными разъемами.

4. Болометры

Полупроводниковый болометр — это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).

Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов (толщиной до 10 мкм). Один из термисторов болометра является активным, т. е. непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термистора изменяется в результате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот. Второй термистор — компенсационный, служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды. Компенсационный термистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационный термисторы помещают в один герметичный корпус.

Болометры обычно имеют три внешних вывода — от активного и комленсационного термисторов и от средней точки.

Для характеристики болометров используют следующие параметры: 1) сопротивление активного термистора болометра при комнатной температуре; 2) рабочее напряжение; 3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистого потока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на вход усилителя, к мощности излучения, падающего на болометр; 4) порог чувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр; 5) постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного термистора; 6) уровень собственных шумов.

Полупроводниковые болометры применяют в различных системах ориентации; для бесконтактного и дистанционного измерения температур и т. д.

5. Применение тепловизоров

После создания первых тепловизоров длительное время считалось статочным качественное наблюдение теплоизлучающих объектов. Затем появилась необходимость количественного измерения температурь объектов по получаемым термограммам. В настоящее время применение тепловизоров для дистанционного измерения температурных полей является одним из важных приложений тепловидения, используемых при неразрушающем контроле различных объектов.

Измерить истинную температуру нагретого тела с помощью тепловизора сложно. Практически измеряются не истинную (Т), а так называемую радиационную (Т%) температуру — температуру абсолютно черного тела, при которой его энергетическая светимость Ме равна энергетической светимости нечерного излучателя с коэффициентом теплового излучения e (Т).

На основании закона Стефана-Больцмана Ме = e (Т) dТ4 = d, откуда

Величина определяется по показаниям тепловизора, отградуированного по черному телу.

Такой способ измерения радиационной температуры применяют в тех случаях, когда в тепловлзоре используется неселективный ПИ (например пирикон).

Величина dТ зависит от коэффициента теплового излучения, знание которого и его зависимость от температуры необходимы для правильной интерпретации результатов измерений и количественной оценки температуры тела.

Влияние отраженного объектом излучения окружающей среды на определяемую температуру учитывают, вводя эквивалентный коэффициент тепловою излучения

, где — температура окружающей среды.

Если Т - Токр Т, то

Контроль состояния облицовки плавильных печей.

Сталеплавильные печи облицованы изнутри керамическими огнеупорными материалами. По мере эксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается расплавленным металлом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производства на 3...4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерения температуры внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать области разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимально возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно. Диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог. С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог . При этом для массового контроля и выявления неисправностей контактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть не ниже 5 °С, диапазон измеряемых температур — 20... + 150 °С; поле зрения 20 X 10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.

Критерием состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температура изолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2...0,4 °С. Для выявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурная чувствительность должна быть не ниже 0,1 °С; диапазон измеряемых температур — 20...+50°С; поле зрения 3 X 5°, мгновенный угол зрения 5'.

Наличие хотя 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.

Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляци высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °С.

Тепловые процессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Эти воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от её конструкции. Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано.

Эта задача успешно решается с помощью специального тепловизора снабженного дополнительным устройством, получившим название “термостроб”. Оно позволяет видеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение вращающегося объекта. Применяя тепловизор с термостробом, можно наблюдать тепловое изображение вращающейся покрышки во время динамических испытаний и фиксировать участки ее перегрева.

К областям применения тепловизоров в промышленности и науке при исследовании температурных полей относят также следующие:

измерение температурных режимов при изготовлении бумаги, листового проката металла, производстве стекла, резины и пластика, бетонных и железобетонных изделий:

испытание стекол с электрическим подогревом для автомобилей и самолетов;

измерение температуры вращающихся деталей машин, а также металлических деталей и инструментов при обработке на станках;

изучение процессов теплопередачи в моделях, испытываемых в аэродинамических трубах;

исследование распределения температуры в газовой струе авиационных двигателей;

определение температуры поверхности ИСЗ в камерах, моделирующих космические условия полета;

контроль качества защиты атомных реакторов электростанций; определение положений подземных и скрытых коммуникаций;

контроль уровня и положения теплых или холодных жидкостей в резервуаре;

непрерывный контроль обмуровки вращающихся обжиговых печей в процессе их работы;

определение потерь в зубчатых зацеплениях:

дефектоскопия материалов и отдельных конструкций при проведении статических и динамических испытаний;

определение областей перехода ламинарного режима течения в турбулентный при аэрофизических исследованиях;

дефектоскопия болтовых и заклепочных соединений;

неразрушающий контроль неметаллических материалов;

исследование внутренней коррозии баков и цистерн;

контроль качества сварки тонкостенных конструкций по термограммай сварного шва, на который подается импульс тока;

изучение теплоизоляции труб искусственных катков;

исследование тепловых эффектов в клинических и биологических процессах и др.

С развитием тепловизионной техники область применения тепловизоров для анализа тепловых полей непрерывно расширяется. В СССР и за рубежом для этого созданы специальные типы приборов.

Снятие тепловых карт местности.

Использование тепловизоров для снятия тепловых карт местности основано на дистанционном измерении температуры земной поверхности с самолета или с ИСЗ. Получаемые тепловые карты несут информацию об энергетическом состоянии исследуемых участков поверхности Земли, что используется для решения различных научных и практических задач.

Тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, тепломагистраля, дренажных устройствах, позволяет своевременно обнаруживать очаги зарождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров сквозь пелену сплошного дыма, а также границы пожаров горючих ископаемых по скрытым очагам в штабелях угля, сланцев, шахтных отвалов и т. д.

Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется использованию самолетных тепловизоров при борьбе с лесными пожарами. При этом выявляют три основные задачи : обнаружение малых (площадью не менее §5 м2) очагов зарождающихся пожаров с температурой 600...700 °С; картирование контуров охваченного огнем значительного участка леса или торфяного болота сквозь сплошную пелену дыма, когда визуальные методы неэффективны; контроль за затухшим или затухающим пожаром, обнаружение участков кромки, где можно ожидать вторичного возгорания.

Тепловые карты применяют также для изучения океанских течений , обусловленных стоком рек; обнаружения заболеваний лесной и сельскохозяйственной растительности; определения мощности и возраста льдов, прогнозирования образования ледовых трещин; исследования природных ресурсов Земли и т. д.

Тепловые карты существенно отличаются от обычных аэрофотоснимков, так как в формировании последних участвует отраженное излучение, в формировании тепловых карт — отраженное и собственное излучение, а в ряде случаев лишь последнее. Поэтому на тепловых картах обнаруживаются нагретые объекты или участки местности, которые не выявляются на фотоснимках. Особенностью тепловых карт является зависимость динамики тепловых процессов, протекающих в течение суток. В связи с этим тепловые карты, полученные в разное время даже от одних и тех же объектов отличаются друг от друга.

Основные требования, предъявляемые к тепловизионной аппаратуре для снятия тепловых карт местности: рабочий спектральный диапазон должен соответствовать спектральным областям наибольшего пропускания инфракрасного излучения атмосферой и областям максимального излучения исследуемой поверхности; чувствительность и разрешающая способность должны позволять обнаруживать и регистрировать мелкие объекты с малыми температурными контрастами; угол обзора должен быть достаточно большим, но при этом ухудшение разрешающей способности на краю поля обзора не должно превышать допустимые значения.

Тепловизоры, предназначенные для снятия тепловой карты местности и устанавливаемые на летательных аппаратах (ЛА), выполняют сканирование мгновенного угла зрения только в плоскости, перпендикулярной направлению полета, обеспечивая просмотр по строке. Просмотр по кадру осуществляется за счет прямолинейного движения носителя аппаратуры. Обычно в таких тепловизорах применяют систему с оптико-механическим сканированием, реже — системы с электронным сканированием и самосканированием (на основе приборов с зарядовой связью, чувствительных в ИК. области спектра).

Предупреждение столкновений кораблей при их движениях на встречных курсах.

В корабельном тепловизоре, предназначенном для навигации в ночных условиях и предупреждения столкновений кораблей при их движении на встречных курсах, узел сканирования выполнен по схеме, но с вертикальной осью вращения зеркальной пирамиды (рис. 5.12). Головка прибора помещена в кардановый подвес и связана электрическими проводами и трубопроводами охлаждения ПИ с корпусом, который устанавливают на корабельной мачте. Для получения четкого изображения наблюдаемых теплоизлучающих объектов необходима большая частота вращения зеркальной пирамиды.

Достаточно большой кинетический момент вращающейся пирамиды используется в системе гироскопической стабилизации оси визирования тепловизора при качке корабля .

Медицинская диагностика.

Появление и развитие тепловидения позволило реализовать идею использования инфракрасного излучения человеческого тела для медицинской диагностики. Одно из первых сообщений о возможности радиометрического обнаружения опухоли молочной железы было сделано Р. Лоусоном , который показал, что температура над опухолью может отличаться от температуры тела в среднем на 1°. При клинических исследованиях была получена определенная корреляция между ростом температуры и степенью развития злокачественной опухоли. В результате исследований с применением эвапорографа оказалось, что этот прибор может быть использован для проведения профилактических обследований подобно тому, как флюорография применяется при обнаружении ранней стадии туберкулеза. Применение тепловизоров для исследования собственного теплового излучения тела человека позволило установить ряд показателей физиологического состояния его организма, связанных с распределением температуры по поверхности кожного покрова.

Тепловидение значительно расширяет обычные области применения ИК техники в медицине, так как позволяет не только фотографировать освещенную ИК лучами поверхность тела человека и расположенные вблизи от нее сосуды, но и наблюдать изображения, создаваемые собственным тепловым излучением тела. Особенность наблюдения в этой области ИК спектра состоит в том, что различные предметы, окружающие наблюдаемую поверхность, имеют близкую к ней температуру. Вследствие этого радиационные контрасты оказываются недостаточными для непосредственного наблюдения: даже разность температур 1 °С создает при длине волны 10 мкм контраст, примерно равный 1 %, что вдвое меньше минимального контраста, еще различимого глазом.

Причины возникновения температурных перепадов на поверхности тела человека продолжают широко обсуждаться, однако не вызывает сомнений прямая связь поверхностных температурных эффектов с процессами, происходящими в организме. Наряду с чисто физической природой возникновения температурных перепадов, существует еще зависимость их от работы вегетативной нервной системы, вызывающей при любых изменениях тепловой энергии внутренних органов эффект изменения кровенаполнения в сопряженной с ними подкожной сосудистой сети в рефлексогенной зоне, соответствующей данному органу, и, как следствие, изменения температуры. Свойства человеческой кожи в ИК диапазоне по излучательной способности близки к абсолютно черному телу. Среднее значение коэффициента излучения кожи принимают равным 0,97 и по различным данным он может иметь значение в пределах 0,84... 1,00, что приводит к ошибкам определения истинной температуры. Так, различия коэффициентов излучения кожи в 1 % эквивалентно перепаду температур в 1 °. Спектральный максимум излучения кожи = 10.мкм. Изменение температуры фона также влияет на точность измерений,, например, при ее 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 фона следует поддерживать с точностью С, что при = 0,97 обеспечит погрешность, не превышающую 0,05 °С.

Инфракрасное излучение в диапазоне 0,7...0,9 мкм проникает сквозь кожу на глубину около 3 мм, что позволяет регистрировать сосуды при освещении пациента ИК источником. Регистрация изображения в ближней ИК области возможна как с использованием соответствующих фотоматериалов,, так и аппаратуры на базе электронно-лучевых трубок типа видикон, электронно-оптических преобразователей.

Важное значение в медицинской тепловизионной диагностике имеют аппаратура, методики ее использования, помещение, где она установлена. В ГОИ имени С. И. Вавилова имеется «Планировочно-технологическое решение кабинета» для оснащения вновь строящихся лечебных учреждений, термографическими кабинетами, предназначенными для диагностики различных заболеваний и проведения массового профилактического осмотра населения.

Тепловидение является хотя и эффективным, но дополнительным методом при диагностике различных заболеваний; полезно сочетание тепловизионного метода исследования с другими, например, рентгенологическим, ультразвуковым, радиоизотопным, лазерным, охватывающими более широкий спектр электромагнитных волн [100].

Применяя иглотерапию или электроакупунктуру, также наблюдают с помощью тепловизора изменение порядка на 1 °С теплового поля кожи, позволяющее судить о ходе лечения, например, такого заболевания, как неврит лицевого нерва, биологически активные точки (БАТ), как правило, располагаются в областях с повышенной радиационной температурой. Отдельные БАТ могут наблюдаться тепловизором, особенно если в нем предусмотрено подавление низкочастотных составляющих спектра видеосигнала. Созданная в древности координатная привязка БАТ к поверхности тела человека достаточно универсальна. Поэтому предпринимаются попытки использовать существующую координатную привязку БАТ для систематизации тепловых полей человека и установления их связи с местоположением Б'АТ в частности с целью создания алгоритмов машинной диагностики заболеваний. Для координатной привязки термограммы и поверхности тела разработана система обозначений, упрощающая описание термограмм, статистическую обработку экспериментальных результатов.

Решение задач медицинской диагностики облегчается при наличии эталона, так называемой нормальной термограммы. Выявление разницы между нормой и патологией зависит от квалификации врача термолога. Наиболее полезным является периодическое, в течение жизни человека, его термографированне для сравнения настоящей и предыдущих термограмм. Для обнаружения патологии необходимо знать ориентировочные значения перепадов и абсолютных значений температур различных участков тела.

Заключение

Тепловизоры имеют огромное значение в настоящее время, и имеют большой спектр применения. Их применяют для снятия тепловых карт местности, тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, позволяет своевременно обнаруживать очаги зарождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров и т. д. А так же их применяют в медицине. Разработаны многочисленные методические рекомендации по применению тепловидения, например, при травмах опорно-двигательного аппарата, в диагностике повреждений нервных стволов верхних конечностей, урологии, органов дыхания и т. д. А так же тепловизоры используют для предупреждения столкновений кораблей на их движении на встречных курсах, при испытании автопокрышек, для контроля облицовочных плавильных печей и т. д.

Литература

1. Драгун В.Л. Тепловизионные системы в исследовании тепловых процессов./М.: Наука, 1967. – 256 с.

2. Криксунов Л.З. Тепловизоры./Киев.: Техника,1987.- 287 с.

3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы/М.: Высшая школа,1981.- 476 с.

4. Савельев И.В. Курс общей физики./М.: Астрель,2003.- 368 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики./М.: ФИЗМАТ МФТИ, 2002.- 782 с.