Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров

Тепловизоры

http://knowledge.allbest.ru/physics/3c0b65635b2ad78a5c53b88421316d27_0.html

Тепловизоры - устройства, предназначенные для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению: назначение, обзор развития, классификация (с оптико-механическим и электрическим сканированием), значение в настоящее время и спектр применения.

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 (л = 0,01...5 нм),

- ультрафиолетовое (л = 0,005...0,40 мкм) и

- видимое (л = 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 – к электромагнитным колебаниям радиодиапазона.

Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части:

- ближнюю (ƛ = 0.76...3 мкм),

- среднюю (ƛ = 3...6 мкм),

- дальнюю (ƛ = 6...15 мкм) и

- очень далекую (ƛ = 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.

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 Т_к > 20 с), среднескоростные (0,5 с <Т_к< 20 с) и высокоскоростные (Т_к < 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.