Termisk billedkamera

Termisk billedkamera  ( varme + lat.  vīsio  "syn; syn") - en enhed til overvågning af temperaturfordelingen af ​​overfladen under undersøgelse. Temperaturfordelingen vises på displayet som et farvebillede, hvor forskellige farver svarer til forskellige temperaturer . Undersøgelsen af ​​termisk billeddannelse kaldes termografi .

Teknologi

Alle legemer, hvis temperatur overstiger temperaturen på det absolutte nulpunkt , udsender elektromagnetisk termisk stråling i overensstemmelse med Plancks lov . Strålingens spektrale effekttæthed (Plancks funktion) har et maksimum, hvis bølgelængde på bølgelængdeskalaen afhænger af temperaturen. Positionen af ​​maksimum i emissionsspektret skifter med stigende temperatur mod kortere bølgelængder ( Wiens forskydningslov ). Legemer opvarmet til temperaturen i verden omkring os (-50..+50 grader Celsius ) har en maksimal stråling i det mellem -infrarøde område ( bølgelængde 7..14 mikron). Til tekniske formål er temperaturområdet op til hundredvis af grader, der udsender i området 3..7 mikron, også interessant. Temperaturer på omkring tusind grader og derover kræver ikke termiske kameraer til observation, deres termiske glød er synlig for det blotte øje.

Sensor

Historisk set var de første termiske billeddannelsessensorer til billeddannelse elektronvakuumsensorer . Sorten baseret på vidicons med et pyroelektrisk mål har fået den største udvikling. I disse enheder scannede elektronstrålen måloverfladen. Strålestrømmen afhang af den interne fotoelektriske effekt af målmaterialet under påvirkning af infrarød stråling. Sådanne enheder blev kaldt pirikon eller pyrovidikon [1] . Der var også andre typer scanningselektron-vakuumrør, der var følsomme over for det termiske spektrum af infrarød stråling, såsom termicon og filterscan. [en]

Elektron-vakuum-enheder blev erstattet af solid state-enheder. De første solid-state sensorer var enkeltelementer, så de var udstyret med en elektromekanisk optisk scanning for at opnå et todimensionelt billede. Sådanne termiske kameraer kaldes scanning [1] . I dem projicerer et system af bevægelige spejle sekventielt stråling fra hvert punkt i det observerede rum på sensoren. Sensoren kan være et enkelt element, en linje af føleelementer eller et lille array. For at øge følsomheden og reducere inertien afkøles sensorerne i scanning af termiske kameraer til kryogene temperaturer. De bedst afkølede sensorer er i stand til at reagere på enkelte fotoner og har responstider på mindre end et mikrosekund.

Moderne termiske kameraer er som regel bygget på basis af specielle matrixtemperatursensorer - bolometre . De er en matrix af miniature tyndfilm termistorer. Infrarød stråling, opsamlet og fokuseret på matrixen af ​​linsen på termokameraet, opvarmer elementerne i matrixen i overensstemmelse med temperaturfordelingen af ​​det observerede objekt. Den rumlige opløsning af kommercielt tilgængelige bolometriske matricer når 1280*720 point [2] . Kommercielle bolometre er normalt lavet ukølet for at reducere omkostningerne og størrelsen af ​​udstyret.

Temperaturopløsningen på moderne termiske kameraer når hundrededele af en grad Celsius.

Der er observations- og målende termiske kameraer. Observationelle termiske kameraer viser kun objektets temperaturgradienter. Måling af termiske kameraer giver dig mulighed for at måle temperaturværdien af ​​et givet punkt på et objekt med en nøjagtighed op til emissivitetengenstandsmateriale. Måling af termiske kameraer kræver periodisk kalibrering, hvortil de ofte er udstyret med en indbygget sensorkalibreringsenhed, normalt i form af et gardin, hvis temperatur måles nøjagtigt. Lukkeren bevæger sig periodisk over matrixen, hvilket gør det muligt at kalibrere matrixen i henhold til lukkerens temperatur. Denne procedure tager en tid af størrelsesordenen et sekund, hvor billedet af termokameraet stopper med at opdatere, hvilket kan være kritisk for nogle observationsapplikationer, især for at optage seværdigheder, derfor er observationstermiske kameraer ikke udstyret med denne mekanisme.

Optik

Da almindeligt optisk glas er uigennemsigtigt i mellem-IR-området [3] , er optikken i termiske kameraer lavet af specielle materialer. Oftest er det germanium [4] [5] [6] , men det er dyrt, så chalcogenidglas bruges nogle gange, zinkselenid [7] , silicium , fluorit . Til laboratorieformål kan optik også fremstilles af nogle salte, såsom bordsalt [8] , som også er transparent i det nødvendige bølgelængdeområde.

Berøringsfri temperaturmåling

Termokameraet giver dig mulighed for indirekte at bedømme temperaturen på et objekt ved dets elektromagnetiske stråling i et bestemt område af det infrarøde spektrum. Afvigelser af de optiske egenskaber af virkelige materialer fra egenskaberne af en ideel absolut sort krop gør det imidlertid vanskeligt entydigt at konvertere strålingen optaget af et termisk billedapparat til den nøjagtige værdi af temperaturen af ​​et virkeligt objekt. [9]

Plancks formel beskriver afhængigheden af ​​den elektromagnetiske stråling, som kroppen udsender, af kroppens temperatur i det ideelle tilfælde, det vil sige i tilfældet med den såkaldte. helt sort krop . [9] Men virkelige kroppe adskiller sig oftest fra et helt sort legeme, idet de har individuelle egenskaber af refleksion ( spredning ), transmission (absorption) og emissionelektromagnetiske bølger. Egenskaberne for refleksion (spredning) og transmission bestemmer den parasitære belysning af måleobjektet fra de omgivende opvarmede objekter, hvilket kan føre til en overvurdering af de berøringsfrie temperatursensoraflæsninger. Egenskaben for strålingsabsorption bestemmer opvarmningen af ​​genstanden ved strålingen fra de omgivende opvarmede genstande. Forskellen i egenskaberne ved emission af stråling fra virkelige materialer og en sort krop fører til en undervurdering af temperaturaflæsningerne.

For at demonstrere nogle af problemerne med at bestemme temperatur ud fra stråling blev en Leslie-terning opfundet , hvor siderne er lavet af forskellige materialer. Billederne af Leslie-terningen til højre viser forskellen i de emissive og reflekterende egenskaber af forskellige terningoverflader ved den samme terningtemperatur.

Til den numeriske karakterisering af de optiske egenskaber af materialer, der påvirker niveauet af stråling fra dem, introduceres refleksionskoefficienten ( spredningskoefficient ), transmissionskoefficient (eller absorptionskoefficient ) og strålingskoefficient for elektromagnetiske bølger. Disse koefficienter viser forskellen mellem materialet og den optisk ideelle, især viser emissiviteten hvor meget materialets egen termiske stråling er mindre end strålingen fra et helt sort legeme ved samme temperatur. Nedenfor er en tabel over emissiviteten af ​​nogle materialer i den del af det infrarøde område, der er relevant for termiske kameraer. [9]

Materiale Emissionsevne
poleret aluminium 0,03
Anodiseret aluminium 0,55
poleret guld 0,02
poleret jern 0,21
Oxideret jern 0,64
poleret stål 0,07
Oxideret stål 0,79
sort sod 0,95
hvidt papir 0,93
Træ 0,90
poleret glas 0,94
menneskelig hud 0,98
Vand 0,92
Sne 0,80

Alle disse koefficienter er afhængige af bølgelængden, det vil sige i det synlige og infrarøde område kan disse koefficienter være forskellige.

Oprettelseshistorie

De første termiske kameraer blev skabt i 1930'erne. 20. århundrede Moderne termiske billeddannelsessystemer begyndte deres udvikling i 60'erne af det XX århundrede. De første termiske billeddannende sensorer til billeddannelse var elektronvakuumsensorer. Pirikoner ( pyrovidicons ) har fået den største udvikling [1] . Der var også andre typer scanningselektron-vakuumrør, der var følsomme over for det termiske spektrum af infrarød stråling, såsom termicon og filterscan [1] . Derefter dukkede termokameraer op på solid-state sensorer med optisk-mekanisk scanning af synsfeltet dannet af en linse og en enkelt-element strålingsmodtager. Sådanne enheder var ekstremt uproduktive og gjorde det muligt at observere temperaturændringerne i objektet med en meget lav hastighed.

Med udviklingen af ​​halvlederteknologi og fremkomsten af ​​CCD-fotodiodeceller , som gør det muligt at lagre det modtagne lyssignal, blev det muligt at skabe moderne termiske kameraer baseret på en matrix af CCD-sensorer . Dette billedbehandlingsprincip har gjort det muligt at skabe bærbare enheder med høj informationsbehandlingshastighed, som tillader overvågning af temperaturændringer i realtid.

Den mest lovende retning i udviklingen af ​​moderne termiske kameraer er anvendelsen af ​​teknologien til ukølede bolometre [10] , baseret på den ultrapræcise bestemmelse af ændringen i modstanden af ​​tynde plader under påvirkning af termisk stråling af hele spektralen rækkevidde. Denne teknologi bruges aktivt over hele verden til at skabe en ny generation af termiske kameraer, der opfylder de højeste krav til mobilitet og sikkerhed ved brug. .

I USSR og Rusland

De første civile termiske kameraer blev udviklet i USSR til medicinsk brug ved NPP Istok i 1970'erne. Siden slutningen af ​​1970'erne er masseproduktion af et scannende termisk billedapparat baseret på en afkølet solid-state sensor TV-03 begyndt [11] . På tidspunktet for Sovjetunionens sammenbrud blev en bred vifte af termiske kameraer til civile og industrielle formål produceret [1] .

Termiske kameraer til militære formål er blevet udviklet siden 1970'erne, i første omgang i form af luftfartsoptiske radarstationer (OLS) [12] [13] . I slutningen af ​​1980'erne blev de første serielle Agava-2 termiske billedsigter også installeret på tanke [14] .

Sammenbruddet af den postsovjetiske industri i 1990'erne og udviklingen af ​​effektive ukølede bolometriske matricer i Vesten fik Rusland til at sakke betydeligt bagud på dette område. Termiske sensorer og systemer til civile og militære formål blev købt fra udlandet. Ikke desto mindre begyndte rapporter at dukke op om at overvinde det teknologiske hul og udvide produktionen af ​​nationale sensorer [15] [16] [17] .

Omfang

Energilækagekontrol

Termiske kameraer er meget udbredt både i store industrielle virksomheder, hvor omhyggelig overvågning af objekters termiske tilstand er nødvendig, og i små organisationer, der er involveret i fejlfinding af netværk til forskellige formål.

Termiske kameraer er især udbredt i byggeriet, når man vurderer konstruktioners varmeisoleringsegenskaber. Så for eksempel ved hjælp af et termisk kamera kan du bestemme områderne med størst varmetab i huset.

Nattesynsenhed

Termiske kameraer bruges af de væbnede styrker som nattesynsanordninger til at detektere varmekontrasterende mål (mandskab og udstyr) på ethvert tidspunkt af dagen, på trods af de sædvanlige midler til optisk maskering i det synlige område ( camouflage ) brugt af fjenden. Termokameraet er blevet et vigtigt element i synssystemer til angrebshærs luftfart og pansrede køretøjer. Termobilledsigter til håndvåben bruges også, selvom de på grund af den høje pris endnu ikke har fået bred distribution.

Brand- og redningstjenester

Termiske kameraer bruges af brand- og redningstjenester til at søge efter ofre, identificere arnesteder for brand, analysere situationen og søge efter evakueringsruter.

Medicin

Menneskelig hud har en høj emissivitet (~0,98), tæt på emissiviteten af ​​en helt sort krop, hvilket gør det informativt at observere temperaturen på menneskelig hud med et termisk kamera. [9] Lav hudreflektans i det termiske IR-område minimerer effekten af ​​opvarmede miljøgenstande. Termokameraet giver dig mulighed for at registrere både den statiske temperaturfordeling og dynamikken i hudens temperaturfordeling. Overfladefordelingen af ​​hudtemperatur bestemmes af tilstanden af ​​subkutane kar, muskler, indre organer og fedt. Fysiologien af ​​termoregulering kan afhænge både af miljøforhold og af fysisk eller følelsesmæssig stress, såvel som virkningen af ​​farmakologiske lægemidler.

Udviklingen af ​​termiske kameraer til medicin blev startet i USSR i NPP "Istok" ( Fryazino , Moskva-regionen ) i 1968 . I 1980'erne blev der udviklet metoder til at bruge termiske kameraer til at diagnosticere forskellige sygdomme. TV-03 termokameraet produceret i disse år af den indenlandske industri blev meget brugt i forskellige medicinske institutioner. TV-03 var det første termiske kamera, der blev brugt i neurokirurgi [11] . I moderne medicin bruges et termisk billedapparat til at opdage patologier, der er vanskelige at diagnosticere ved andre metoder, herunder påvisning af ondartede tumorer.

Identifikation af patienter med SARS

For at forhindre epidemier er der siden 2008 blevet brugt termiske kameraer til at isolere mennesker med høje temperaturer fra mængden , som er ledsaget af akutte luftvejssygdomme . [18] [19] COVID-19-pandemien , der har spredt sig over hele verden i 2020, har øget efterspørgslen efter termiske kameraer til berøringsfri kropstemperaturmåling på offentlige og overfyldte steder. Samme år påpegede Roskomnadzor nuancerne ved at bruge termiske kameraer til at måle temperaturen på medarbejdere og besøgende i organisationer [20] . Det skal dog tages i betragtning, at termokameraet måler temperaturen på åben hud, og derfor kan dens aflæsninger ikke kun afhænge af kropstemperaturen, men også af andre faktorer, især klimatiske forhold.

I traditionel medicinsk praksis udføres målinger af menneskelig kropstemperatur med kontakttermometre i fire områder: i armhulen (normalt 36.6..36.8°C), under tungen (normalt 36.7..36.8°C), i endetarmen (normalt 37 ° C), i den ydre auditive kanal. [9] Hvis fjerntemperaturmåling er påkrævet, er disse områder utilgængelige, oftest er kun ansigtsområdet tilgængeligt. COVID-19-pandemien har tvunget søgen efter hurtige, berøringsfrie måder at måle temperatur på, og termiske kameraer, der måler temperaturen i den ydre øregang med en udskiftelig engangsspids, er blevet udbredt [21] .

Metallurgi og maskinteknik

Ved styring af temperaturen af ​​komplekse processer karakteriseret ved ujævn opvarmning, ikke-stationaritet og heterogenitet af den termiske emissivitet, er termiske kameraer mere effektive end pyrometre, da analysen af ​​det resulterende termogram eller temperaturfelt udføres af et kraftfuldt menneskeligt visuelt system.

For at forbedre pålideligheden af ​​at måle temperaturen af ​​opvarmede metaller er det nødvendigt at vælge det spektrale område for registrering af termisk stråling korrekt [22] . Den termiske strålingskoefficient ε af metaller opvarmet til over 400 °C ændrer sig meget på grund af oxidationen af ​​deres overflade med atmosfærisk oxygen [23] . For at registrere deres termiske stråling er det derfor nødvendigt at vælge en del af spektret, hvor indflydelsen af ​​usikkerheden ε på de opnåede temperaturaflæsninger er minimal [22] .

I termisk billedteknologi anvendes forskellige dele af spektret. Ved måling af lave temperaturer registreres termisk stråling i spektralområdet 8-14 μm og nogle gange i området 3-5 μm [24] . For at måle temperaturer over 700 °C anvendes højtemperatur termiske billedkameraer, der anvender matricer baseret på Si [25] eller InGaAs, som er følsomme i det nære infrarøde område af spektret, hvor den termiske emissivitet af metaller ε er meget større end i området 8-14 μm [22] [23] . Hvis det er nødvendigt at måle den sande temperatur, bruges termiske kameraer, der optager termisk stråling i tre dele af spektret.

Andre anvendelser

  • Astronomiske infrarøde teleskoper.
  • Natkørselssystem for at lette førerens kontrol af vejsituationen.
  • Styring af elektriske kredsløb for overophedning af ledere og dårlig kontakt.
  • Veterinær kontrol.

Smartphones

I 2014 udgav FLIR Systems et kabinet til Apple -smartphones , hvori der er monteret et termisk kamera [26] . Samme år udgav Seek Thermal et separat termisk billedkamera til iOS- og Android -enheder [27] . I februar 2016 blev den første Caterpillar S60-smartphone med et indbygget termisk billedkamera udviklet af FLIR [28] annonceret .

Kuriosa

I januar 2020 brugte en borger i Usbekistan , mens han ulovligt krydsede den hviderussisk-litauiske grænse , en foliehætte til at narre grænsevagternes termiske kameraer. Det blev rapporteret, at sådanne tilfælde blev registreret gentagne gange [29] .

Billeder

  • Termisk billeddannende vedhæftning til dagstimer

  • Universal overvågningsenhed for sikkerhed

  • To-kanals termisk billedbehandling og tv-enhed til brug døgnet rundt

  • Multispektralt multi-purpose overvågning og måludpegningssystem

  • Monokulær termisk billeddannelse

  • Termisk billedbehandlingsenhed til overvågning døgnet rundt

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kriksunov L. Z., Padalko G. A. Termiske kameraer: en opslagsbog. - K., 1987.
  2. ↑ DARPA udvikler personlige LWIR-kameraer . Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 24. september 2015.
  3. ↑ Briller, der absorberer den infrarøde del af spektret . Hentet 15. marts 2017. Arkiveret fra originalen 16. marts 2017.
  4. ↑ Germanium (utilgængeligt link) . Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 5. marts 2016. 
  5. ↑ Germanium Windows . Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 25. november 2015.
  6. ↑ Germanium plano-konvekse linser . Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 25. november 2015.
  7. ↑ Zinkselenid . Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 25. november 2015.
  8. ↑ CRYSTALTECHNO Ltd. Hentet 24. november 2015. Arkiveret fra originalen 20. november 2015.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 TERMISK VISION BIOMEDISK DIAGNOSE . Hentet 28. december 2020. Arkiveret fra originalen 29. august 2021.
  10. ↑ Rogalski A. Infrarøde detektorer. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 s.
  11. ↑ 1 2 Devyatkov N. D. Brugen af ​​elektronik i medicin og biologi Arkiveret 15. juli 2019 på Wayback Machine . Elektronisk udstyr. Ser. mikrobølgeteknologi . 1993. nr. 1 (455). s. 67-76.
  12. ↑ Su-27 . Dato for adgang: 31. marts 2016. Arkiveret fra originalen 22. juli 2010.
  13. ↑ Luftfartens historie. Glødende MiG mod himlen . Hentet 31. marts 2016. Arkiveret fra originalen 12. april 2016.
  14. ↑ Termiske kameraer . Hentet 31. marts 2016. Arkiveret fra originalen 12. april 2016.
  15. ↑ Rusland vil endelig have sine egne termiske kameraer . Hentet 5. maj 2020. Arkiveret fra originalen 17. april 2016.
  16. ↑ NPO ORION . Hentet 31. marts 2016. Arkiveret fra originalen 14. april 2016.
  17. ↑ Tank termokameraer fra Shvabe . Hentet 5. maj 2020. Arkiveret fra originalen 5. august 2019.
  18. ↑ Komsomolskaya Pravda. Svineinfluenza vil ikke nå os gennem luften: et termisk kamera er blevet installeret i Nizhny Novgorod lufthavn. . kp.ru (13. august 2009). Dato for adgang: 25. februar 2010. Arkiveret fra originalen 12. april 2012.
  19. ↑ SpecLab. Elektronisk influenzavaccine. (utilgængeligt link) . operlenta.ru (14. januar 2010). Hentet 25. februar 2010. Arkiveret fra originalen 17. april 2012. 
  20. ↑ Oplysninger fra Federal Service for Supervision of Communications, Information Technology and Mass Media dateret 10. marts 2020 "Roskomnadzor forklarer funktionerne i brugen af ​​termiske kameraer af arbejdsgivere - persondataoperatører - for at forhindre spredning af coronavirus" . Hentet 26. december 2020. Arkiveret fra originalen 13. maj 2021.
  21. ↑ Hvor nøjagtige er øretermometre?
  22. ↑ 1 2 3 Kilde (utilgængeligt link) . Hentet 19. august 2015. Arkiveret fra originalen 13. december 2016. 
  23. ↑ 1 2 Burakovsky T., Gizinsky E., Salya A. Infrarøde emittere: Pr. fra polsk - L .: Energy, 1978.
  24. ↑ V. V. Korotaev, G. S. et al . Grundlæggende om termisk billeddannelse - St. Petersborg: NRU ITMO, 2012. - 122 s.
  25. ↑ Et unikt termisk kamera med ultrahøj opløsning / Mikron Infrared Inc. Thermal Imaging Division.
  26. ↑ FLIR One . Hentet 18. februar 2016. Arkiveret fra originalen 25. februar 2016.
  27. ↑ Søg termisk . Dato for adgang: 18. februar 2016. Arkiveret fra originalen 11. marts 2016.
  28. ↑ Teknologinyheder - Gazeta.Ru . Dato for adgang: 18. februar 2016. Arkiveret fra originalen 6. februar 2016.
  29. ↑ Folie "usynlighedshætte" hjalp ikke en beboer i Usbekistan med ulovligt at krydse grænsen. Han blev tilbageholdt af litauiske grænsevagter . Hentet 30. november 2021. Arkiveret fra originalen 30. november 2021.

Litteratur

  • Lloyd J. Termiske billeddannelsessystemer./Trans. fra engelsk. udg. A. I. Goryacheva. — M.: Mir, 1978, s. 416.
  • Kriksunov L. Z. Håndbog om det grundlæggende i infrarød teknologi, Udgiver: Sovjetisk radio, årgang: 1978, sider: 400.
  • Gossorg J. Infrarød termografi. Grundlæggende. Teknik. Ansøgning. M.: Mir, 1988.
  • V. A. Drozdov, V. I. Sukharev. Termografi i konstruktion - M .: Stroyizdat , 1987. - 237 s.
  • Infrarød termografi i kraftteknik. T 1. Grundlæggende om infrarød termografi / Ed. R. K. Newport, A. I. Tadzhibaeva, forfattere: A. V. Afonin, R. K. Newport, V. S. Polyakov osv. - St. Petersborg: Izd. PEIPC, 2000. - 240 s.
  • Ogirko I. V. Rationel temperaturfordeling over overfladen af ​​en termofølsom krop ... s. 332 // Engineering Physics Journal bind 47, nummer 2 (august, 1984)

Links

  Gå til Wikidata-elementet  I bibliografiske kataloger