О таком устройстве, как тепловизор, сегодня слышал, наверное, каждый. Исключение, пожалуй, составят лишь маленькие дети. Другое дело, что тех, кто видел этот прибор «живьем», не так много, тех же, кто держал его в руках, - и подавно. Но ведь есть и такие, кто не просто держал, а создал собственный «домашний» вариант тепловизора. Впрочем, к какой бы категории вы ни относили себя, наша статья будет в любом случае вам интересной. Непосвященные смогут уяснить принцип работы тепловизора, а бывалые и асы - открыть для себя новые возможности. Но давайте обо всем по порядку.

Прибор тепловизор, являясь устройством для измерения температур поверхностей бесконтактным методом, способен существенно облегчить жизнь представителям многих профессий. Изначально изобретенный для военных целей, этот достаточно сложный и дорогостоящий прибор сегодня успешно применяется в большинстве сфер деятельности человека. Например, в промышленности - для контроля за тепловыми изменениями при технологических процессах; в медицине - для диагностики заболеваний; при охоте на птиц и зверей; в строительстве - для определения зон утечки тепла или, наоборот, мест прокладки труб. И это далеко не полный послужной список данного прибора.

Виды устройств

Тепловизор — настолько востребованное и многофункционально устройство, что имеет два технологических варианта конструкции:

• Стационарный. Устройства этой категории предназначены для использования на промышленных предприятиях с целью контроля за технологическими процессами. Система азотного охлаждения - достаточно частое приспособление, которым оборудован подобный тепловизор. Характеристики его рабочих температур весьма внушительны: от −40 до +2000 °C. В основе данных систем лежат, как правило, устройства, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.

• Переносной (портативный). Инновационные разработки позволили отойти от использования громоздкого охлаждающего оборудования, перейдя к производству тепловизоров на базе неохлаждаемых кремниевых микроболометров. Таким приборам присущи все достоинства своих предшественников, к которым относится, например, малый шаг температуры при измерении (0,1 °C). Возможно также применение тепловизора данного класса для сложных оценочных работ, требующих одновременно простоты использования и портативности устройства. Многие портативные тепловизоры обладают возможностью подключения к ПК для оперативной обработки данных с них.

Применение тепловизора в той или иной сфере налагает определенные отпечатки на требуемые эксплуатационные характеристики данного устройства. Поэтому перед покупкой этого прибора вами должны быть оценены условия его использования. Поможет в этом инструкция. Тепловизор,приобретенный без должного ознакомления с правилами эксплуатации, может совершенно не подходить под ваши нужды.Например, тепловизоры, применяемые при охоте, должны иметь ударопрочный корпус из легкого сплава со степенью защиты не ниже IP54.

Желательно, чтобы это была моноблочная конструкция с индикацией на видоискателе и ЖК-экране. И видимая дальность охотничьих тепловизоров должна достигать 1500 м, тогда как в строительной сфере такие требования к тепловизорам не предъявляются.

Принцип работы тепловизора

Работа тепловизора основана на способности любого объекта генерировать тепловое излучение (ИК-излучение), интенсивность которого напрямую зависит от температуры объекта. Тепловизор фиксирует ИК-лучи на больших расстояниях, преобразуя их в удобный для восприятия человеком вид. Разность тепловых излучений различных объектов и позволяет видеть рельефы в темноте, а также холодные или горячие потоки. При этом красным цветом обозначаются максимально высокотемпературные участки, черным или синим — низкотемпературные.

Следует понимать принципиальное различие между такими устройствами, как тепловизор и прибор ночного видения. Разница состоит в их способности видеть в темноте. Тепловизор передает собственное ИК-излучение объектов, в то время как прибор ночного видения - отраженное и усиленное излучение-подсветку от других объектов. То есть выполнение функций прибора ночного видения тепловизором возможно, а вот построение теплокарты с помощью прибора ночного видения - нет.

Алгоритм работы тепловизора состоит из трех этапов:

1. Фиксации ИК излучения.
2. Преобразования его в температурные величины.
3. Формирования термограммы - теплового изображения объекта, отображающего распределение температуры на поверхностях объектов.

Причем действия эти происходят мгновенно.

Несмотря на достаточно сложный принцип работы тепловизора, схема портативного приспособления не является слишком громоздкой.

Однако следует учитывать, что для достаточной четкости изображения на экране требуется наличие специальной оптики, с примесью германия. Именно этим и продиктована дороговизна профессиональных устройств. Их стоимость исчисляется тысячами, а иногда и десятками тысяч долларов. Согласитесь, сумма немаленькая.

Огромные возможности тепловизоров уже давно воодушевляют многих молодых людей на идею собрать это устройство собственноручно. И, к счастью, способы, позволяющие смастерить тепловизор своими руками и избежать столь внушительных трат, существуют. Конечно, если не предполагается использование прибора в профессиональных целях.

Три варианта реализации тепловизора в домашних условиях мы приводим ниже - выбирайте, какой вам понравится больше. А датчики для тепловизоров и другие элементы устройства можно купить в готовом виде.

Вариант № 1. Тепловизор своими руками из фотоаппарата

Этот метод основан на том факте, что изначально матрицы всех фотоаппаратов великолепно фиксируют инфракрасное излучение, которое, собственно, и необходимо для работы тепловизора. Другое дело, что производители фототехники делают так, чтобы устройства видели то же самое, что и человеческий глаз. Для этого перед матрицей ставится специальный фильтр, поглощающий или отражающий практически все ИК-излучение - «тепловое зеркало», или hot mirror. Благодаря этому фильтру матричная кривая чувствительности становится аналогичной кривой чувствительности человеческого глаза. Поэтому сделать тепловизор своими руками из фотоаппарата просто, нужно лишь выполнить два действия — вынуть из фотоаппарата тепловые фильтры, а вместо них установить фильтр видимого спектра. Впрочем, как показывает практика, последнее не всегда обязательно.

Сфера применения самодельного тепловизора

Возможно ли использование тепловизора, изготовленного таким способом, в домашних нуждах? Вполне. Будет ли пригоден такой тепловизор для строительства или, к примеру, при охоте? Вполне вероятно. Во всяком случае, любителям отдыха на природе такое устройство точно придется по душе. С его помощью вы сможете контролировать приближение животных к вашему лагерю в ночное время, а также в тумане или клубах пыли проводить поиски заблудившихся членов группы.

Если в вашем распоряжении есть ненужная зеркалка, около 40 $ на ИК-фильтр, желание и возможность разобрать фотоаппарат, то попробовать этот вариант, конечно же, стоит.

Вариант № 2. Тепловизор своими руками с помощью инфракрасного термометра и платы Arduino

Идея этого метода очень проста. Чтоб создать тепловизор своими руками потребуется недорогой инфракрасный термометр — это такой прибор, который умеет измерять температуру конкретной точки пространства на небольшом расстоянии, и плата Arduino, через которую мы подключим его к RGB-светодиодам из какого-нибудь фонаря.

Плата Arduino представляет собой программно-аппаратное средство, предназначенное для построения непрофессиональными пользователями простых систем из сферы автоматики и робототехники.

Запрограммируем систему так, чтоб фонарный свет окрашивался в разные цвета в зависимости от показаний термометра. Сделаем традиционно, чтоб высокой температуре соответствовал красный цвет, а низкой — синий. Таким образом, направляя фонарь со встроенным термометром на любой объект, мы автоматически подсвечиваем этот объект соответствующим цветом, в зависимости от его температуры. Если к данному набору добавить еще и фотоаппарат, то вы не просто сможете видеть в цвете температуры поверхностей окружающих вас предметов, но и получите изображения, ничем не хуже тех, что позволяют увидеть даже самые дорогие тепловизоры.

Где можно использовать такой тепловизор?

Конечно, подобные устройства не такие, как тепловизоры для охоты. Своими руками сложно сделать мощный аппарат. Но представленный вариант вполне сможет пригодиться для домашних нужд, тем более что стоимость данной самодельной конструкции не превышает 50 долларов.

Вариант № 3. Усовершенствованный самодельный тепловизор для съемки статических объектов

Своим появлением на свет разработка обязана двум немецким студентам Максу Риттеру и Марку Коулу. Эти юные жители г. Миндельхейма изобрели довольно-таки простое в изготовлении устройство и получили за него награду в 2010 году на научно-техническом форуме.

Устройство состоит из двух сервоприводов (для горизонтального и вертикального перемещения), контроллера Arduino (ответственного за обработку сигналов и передачи данных в ПК), модуля бесконтактного датчика температур (например, MLX90614-BCI), лазерного модуля или лазерной указки (будет указывать на зону сканирования), корпуса и веб-камеры. Также понадобятся два резистора по 4.7 кОм и штатив.

Камере отводится роль своеобразного видоискателя области сканирования, а также источника исходной картинки, с этой ролью способна справиться любая дешевая веб-камера (чем она меньше, тем лучше).

Данные, генерируемые датчиком, могут считываться с помощью шин SMBus и ШИМ. Наш случай допускает также использование датчика с индексами BCI. Питание 3V. Индексом BCI обозначается тип форм-фактора с насадкой, обеспечивающей узкий угол зрения в 5°.

Сборка

• Размещаем плату Arduino в корпусе с батарейным отсеком.
• Закрепляем серводвигатель при помощи суперклея или эпоксидки в переднем пустом пространстве платы.
• Размещаем второй серводвигатель в поворотном устройстве и закрепляем всю конструкцию.
• Подключаем инфракрасный термометр к Arduino, подсоединив для этого Ground к GND, SDA к PIN4 VIN к 3.3V и SCL к PIN5. Также установим резистор 4.7 кОм, подключив SDA к 3.3V и SCL к 3.3V.
• Производим подключение Laser Card или же лазерной указки. Это для того, чтобы отслеживать, с какого места в настоящий момент происходит сканирование.
• Устанавливаем веб-камеру так, чтобы ее направление точно совпадало с направлением ИК-датчика и лазера.

И все. Вы сделали тепловизор своими руками!

Для чего сгодится

Процесс сканирования объекта и выдача тепловой карты занимает около минуты, ведь датчик сканирует будущую картинку точку за точкой. Это, конечно же, абсолютно бесполезно для процесса охоты. Однако отличным помощником будет данный самодельный тепловизор для строительства и других ремонтных работ. Например, его можно использовать в качестве метода проверки на предмет нагрева электрических соединений или силовых сборок. Устройство позволяет не только видеть теплограмму, но и количественные величины температур.

Помимо медленной работы тепловизор имеет еще один недостаток - жесткую привязку к ПК, что делает его слабомобильным. Но в некоторых случаях возможности устройства и его стоимость вполне себя оправдывают - за все комплектующие вам придется выложить не более 200 у. е.

Выводы

Из описанных нами вариантов сборки самодельных тепловизоров напрашиваются два вывода:

1. Смастерить тепловизор самостоятельно вполне возможно.
2. Самодельный тепловизор имеет очень узкую область применения.

Поэтому если тепловизор вам необходим в глобальных целях, стоит отложить эксперименты и потратиться на высококачественную технику. Всем же, кто просто любит конструировать и кого вполне устроят возможности самоделок, можно дать совет - собирайте, экспериментируйте, и вполне может быть, что вам удастся переплюнуть достижения описанных нами самодельных вариантов и создать гораздо более совершенные тепловизоры для охоты своими руками. Дерзайте!

Тем, кто не особо дружит с паяльником и отверткой, но очень любит проводить время на природе, а также тем, кому в профессиональных целях может пригодиться визуализация температурных свойств предметов в диапазоне от 0 до 100 °C, рекомендуется обратить внимание на готовое полупрофессиональное оборудование. Например, на смартфоны с тепловизором Flir One.

Эти устройства вполне могут сослужить службу охотникам и путешественникам-экстремалам, поскольку удобны, мобильны, способны работать при температуре от 0 до 45 °C и высокой атмосферной влажности. И при этом стоимость такого устройства не намного отличается от затрат на всевозможные самоделки.

Страница 2 из 2

3. Устройство тепловизоров

Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы - тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько фрагментов:

Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны для обнаружения военных и промышленных объектов.

Общий принцип устройства всех тепловизоров следующий:

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы - матрица и объектив составляют около 90% общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: их нельзя сделать из стекла, потому что этот материал не пропускает ИК-излучение . По этой причине для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешёвых материалов.
Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур,но носить с собой сосуды дюара очень неудобно. Другой вид – посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.
Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).
Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.

Применение тепловидения

Тепловизионный снимок кирпичного
фасада для оценки потерь тепла

Изображение собаки, сделанное тепловизором.

Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельных участков поверхности) в несколько сотых градуса. Это значит, что если вы при входе всвою парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловой отпечаток будет виден на этой ручке целых полчаса. Даже дома при выключенном свете вы будете светить как маяк даже через занавеску. В метро можно спокойно отличить людей, которые только что вошли. А наличие насморка у человека и занимался ли он чем-нибудь интересным до этого можно наблюдать на расстоянии в несколько сотен метров. О распознавании недавно выключенной машины или о том, кто и когда сидел на данном кресле даже нечего и говорить.
Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с не очень высокой точностью, вызванной промежуточными конструкциями.
Таким образом, тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло- и массообмена, атмосферных явлений становиться на порядки удобнее, проще, информативнее.
Широкое применение тепловидение нашло в медицине.
В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.
У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокой или низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самых ранних стадиях их возникновения.
Термография - метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме, в частности как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое значение, о чем свидетельствуют многочисленные клинические исследования.
Выделяют два основных вида термографии:
1.Контактная холестерическаятермография.
2.Телетермография.
Телетермографияоснована на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора.
Контактнаяхолестерическаятермография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим-синий. Нанесенные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочувствительностью в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярной структуры.
После рассмотрения различных методов тепловидения встает вопрос о способах интерпретации термографического изображения. Существуют визуальный и количественный способы оценки тепловизионной картины.
Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно точное измерение температуры. Кроме того, сам подъем кажущейся температуры в термографе оказывается зависимым от скорости развертки и величины поля. Затруднения для клинической оценки результатов термографии заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате небольшой по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.
Радиометрический подход весьма перспективен. Он предполагает использование самой современной техники и может найти применение для проведения массового профилактического обследования, получения количественной информации о патологических процессах в исследуемых участках, а также для оценки эффективности термографии.

Некоторые применения тепловизионных устройств в промышленности:

Энергетика

• состояние дымовых труб и газоходов
• состояние статоров генераторов
• проверка маслонаполненного оборудования
• теплоизоляция турбин, паро- и трубопроводов
• обнаружение мест присосов холодного воздуха
• контроль состояния теплотрасс

Нефтегазовый комплекс

• проверка состояния электрооборудования
• контроль технологических линий
• поиск энергопотерь
• обнаружение утечек из газопроводов
• предотвращение пожаров

Энергосбережение

• диагностика ограждающих конструкций
• обнаружение теплопотерь во внутренних помещениях и снаружи зданий и сооружений
• определение теплоизоляционных свойств материалов

Химическая промышленность

• проверка герметичности и изоляции емкостей для хранения различных жидкостей и газов

Машиностроение

• контроль подшипников, зубчатых передач, валов, муфт и т. д.
• обнаружение несосности оборудования
• контроль температурных режимов сварки
• термоэластический анализ напряжений

Микроэлектроника

• контроль качества сборки печатных плат

Автомобильная промышленность

• проектирование климатических систем автомобиля
• контроль за ультразвуковой сваркой амортизаторов
• разработка и проверка дисковых тормозов
• контроль теплообменных процессов в радиаторах, двигателях и выхлопных системах

Тепловизоры получают всё большее распространение в различных отраслях промышленности и хозяйства. Принцип работы тепловизионных устройств примерно понятен из названия – они «видят» тепло (visio по латыни «видеть»).

Физический принцип работы

С точки зрения физики тепловизор использует эффект инфракрасного излучения в диапазоне 0,75 – 100 мкм. Источником такого излучения становится любой предмет, температура которого выше абсолютного нуля (- 273 градуса). Причём цвет инфракрасного излучения меняется в зависимости от длины волны ровно так же, как и в видимой человеческому глазу части спектра.

Устройство и основные части

Любой тепловизор состоит из трёх основных компонентов. Объектив фокусирует инфракрасное излучение на приёмнике, чаще именуемом матрицей. Затем сигнал усиливается и передаётся на экран. Самым дорогим компонентом тепловизора является матрица. Её изготавливают из сплавов редких металлов, таких как индий, кадмий или теллур. Современные матрицы позволяют заметить разницу температур в сотые доли градуса. Объектив тепловизора внешне похож на фотообъектив, но делается не из стекла – оно не пропускает инфракрасные лучи. Изначально их изготавливали из германия, но из-за дороговизны это вещество стали постепенно заменять более дешёвыми халькогенидным стеклом и селенидом цинка. Сигнал, генерируемый матрицей, передаётся в отображающее устройство, которое и демонстрирует визуально силу инфракрасного излучения частей исследуемого объекта.

Современные тепловизоры часто объединяют с обычной видеокамерой для того, чтобы расширить диапазон наблюдаемого спектра. Кроме того, устройство может быть оснащено средствами записи и микропроцессором, позволяющим анализировать получаемое изображение. Существуют и образцы видеокамер, работающих в инфракрасном диапазоне и выдающих изображение на монитор обычного компьютера.

Виды тепловизоров

Устройство тепловизоров зависит от того, в каких целях ни применяют. Существуют стационарные и переносные устройства. Первые применяются на крупных предприятиях и медицинских центрах. Вторые популярны среди строителей, транспортников, в области коммуникаций и в военной сфере.

По типу охлаждения тепловизоры делят на неохлаждаемые и охлаждаемые. Неохлаждаемые тепловизоры дешевле и мобильнее, но работают с более длинными волнами и имеют более низкую разрешающую способность. Ещё одним их преимуществом является работа с длинными волнами – неохлаждаемые тепловизоры практически нечувствительны к помехам в виде пара, пыли или дыма.

Охлаждаемые устройства намного дороже. К их недостаткам следует отнести также высокую потребляемую мощность и достаточно низкий ресурс – охлаждаемые (обычно жидким азотом) тепловизоры сравнительно быстро выходят из строя. Зато они позволяют исследовать предметы с большим разрешением и на больших расстояниях – некоторые устройства работают на дистанции 10 километров.

Применение

По мере совершенствования и удешевления тепловизоров расширяется сфера их применения. Медики используют их для диагностики. Энергетикам тепловизоры позволяют проверять наличие утечек и температуру сетей. Строители и металлурги с помощью тепловизионных устройств проверяют целостность конструкций. Широко применяют тепловизоры военные. Сначала их устанавливали на тяжёлой технике, но постепенно дело дошло и до индивидуальных прицелов. Тепловизорный прибор ночного видения эффективнее обычного – он не засвечивается вспышками или ярким источником света. Наконец, пожарные и спасатели, используя тепловизоры, могут лучше ориентироваться в дыму и пыли, а также быстрее обнаруживать людей под завалами.

Любой объект излучает электромагнитные волны в очень широком диапазоне частот, в том числе и волны в инфракрасном спектре, так называемое «тепловое излучение». При этом интенсивность теплового излучения напрямую зависит от температуры объекта, и лишь в очень малой степени зависит от условий освещенности в видимом диапазоне. Таким образом, при помощи тепловизионного прибора о любом наблюдаемом объекте может быть собрана и визуализирована дополнительная информация, недоступная человеческому глазу и приборам, Тепловизор – устройство, позволяющее визуализировать картину теплового излучения наблюдаемого объекта. Это открывает ряд уникальных возможностей для разных сфер деятельности: точных измерений, контроля технологических процессов, и конечно – обеспечения безопасности.

Принцип действия современных тепловизоров основан на способности некоторых материалов фиксировать излучение в инфракрасном диапазоне. Посредством оптического прибора, в состав которого входят линзы, изготовленные с применением редких материалов, прозрачных для инфракрасного излучения (таких как германий), тепловое излучение объектов проецируется на матрицу датчиков, чувствительных к инфракрасному излучению. Далее сложные микросхемы считывают информацию с этих датчиков, и генерируют видеосигнал, где разной температуре наблюдаемого объекта соответствует разный цвет изображения. Шкала соответствия цвета точки на изображении к абсолютной температуре наблюдаемого объекта может быть выведена поверх кадра. Также возможно указание температур наиболее горячей и наиболее холодной точки на изображении. В зависимости от модели тепловизоры различаются по величине шага измеряемой температуры. Современные технологии позволяют различать температуру объектов с точностью до 0,05-0,1 К.

Многие тепловизионные приборы также оснащены устройствами памяти для записи полученного видеоизображения картины теплового излучения, производительными микропроцессорами, позволяющими осуществлять в режиме реального времени минимальную аналитику полученного в результате сканирования изображения инфракрасного излучения. Довольно часто используется конфигурация совместного использования тепловизора и видеокамеры, что позволяет в общем случае получить изображение объекта в «расширенном» диапазоне объединенных инфракрасного и видимого спектров, а в неблагоприятных условиях (например - отсутствие освещения объекта) наблюдать объект хотя бы в одном из диапазонов. ИК или видимый диапазон могут как накладываться друг на друга, так и транслироваться отдельно. Специальное программное обеспечение позволяет настроить работу тепловизионного комплекса, максимально эффективно скоординировав работу всех входящих в него устройств.

Точность изображения и другие характеристики тепловизора обычно определяются сферой его использования. В научных лабораториях используются более сложные конструкции, имеющие за счет узкой специализации наименьший шаг измеряемой температуры. Для обеспечения безопасности на различных объектах используются модели, фиксирующие тепловое излучение с чуть меньшей точностью, однако работающие на более широком диапазоне частот и с более чем достаточной для эффективного выполнения своих функций точностью. В любом случае, принцип действия тепловизора – измерение и визуализация теплового излучения – востребован во всех сферах жизни современного общества.

Технические характеристики тепловизора

Основными техническими характеристиками тепловизора, на которые обращают внимание специалисты, являются такие параметры, как тип матрицы, фокусное расстояние, чувствительность матрицы, углы обзора и температурный диапазон работы. Конечно, это только основные параметры, существуют и другие.

Так как для каждой модели, исходя из ее назначения, характеристики являются индивидуальными, то подробнее о них вы можете узнать в нашем каталоге .

Тепловизоры это устройства, с помощью которых можно контролировать распределение температуры измеряемой поверхности. Эта поверхность изображается на экране прибора в виде цветового поля. На этом поле определенный цвет соответствует некоторой температуре. На экране отображается интервал видимой температуры. Стандартное разрешение тепловизоров последних моделей составляет 0,1 градус.

В недорогих устройствах информация сохраняется в памяти прибора и при необходимости считывается через компьютер. Чаще всего такие приборы используют совместно с ноутбуком и специальной программой, принимающей информацию с тепловизора.

Впервые тепловизоры появились еще в 30-х годах прошлого века. Современные системы тепловизоров стали развиваться только в 60-х годах. Приемники теплового излучения были с одним элементом. Изображение в приемниках осуществлялось с помощью точечного смещения оптики. Такие приборы имели низкую производительность и давали возможность для наблюдения за изменениями температуры с малым быстродействием.

С развитием технического прогресса появились ячейки, способные хранить сигнал света. Стало возможным проектирования новых тепловизоров на базе матриц датчиков. С этих матриц сигналы поступают на дешифратор, далее на обработку в главный процессор прибора.

В определенной последовательности сигналы проецируются на матрицу с распределением температур с разными обозначенными цветами. Такой принцип дал возможность получить портативные автономные устройства, способные оперативно обрабатывать данные, позволяющие контролировать изменение температуры в реальном времени.

Перспективной разработкой новых тепловизоров стало использование неохлаждаемых болометров. Этот принцип основан на повышенной точности вычисления изменения сопротивления тонких пластин под воздействием излучения тепла всего спектра. Эта технология популярна во многих странах при производстве новых тепловизоров, к которым предъявляются высокие требования безопасности и мобильности. В нашей стране изготовление автономных тепловизоров с неохлаждаемыми болометрами начато в 2007 году.

Работа и конструктивные особенности

Излучение инфракрасного цвета фокусируется оптической системой тепловизора на приемнике, который подает сигнал в форме изменения сопротивления или напряжения.
Электроника регистрирует полученный сигнал от системы тепловидения. В результате сигнал преобразуется в электронную термограмму. Она изображается на дисплее.

Термограммой называется изображение объекта, которое прошло обработку электронной системой для отображения ее на экране с различными цветовыми оттенками, соответствующими распределению инфракрасных лучей по площади объекта. В результате оператор видит термограмму, соответствующую излучению тепла, приходящего от исследуемого объекта.

Чувствительность детектора к излучению тепла зависит от его собственной температуры, и качества охлаждения. Поэтому детектор располагают в специальное охлаждающее устройство. Наиболее популярный вид охлаждения – это жидкий азот. Однако этот метод неудобный и довольно примитивный.

Другим видом охлаждения стали . Это полупроводники, способные обеспечить перепад температур при прохождении по ним электрического тока, и действующие по принципу теплового насоса. Чувствительность датчика тепловизора создается с помощью чувствительных полупроводников, выполненных из ртуть-кадмий-теллура, антимонида индия и других материалов.

Части и элементы тепловизора

Стоимость тепловизора довольно высока. Основными его элементами являются объектив и матрица (приемник излучения), которые составляют 90% стоимости всего прибора. Такие матрицы сложны в изготовлении. Объектив невозможно выполнить из стекла, так как стекло не пропускает инфракрасные лучи. Поэтом для объективов используют дорогие редкие материалы (германий). В настоящее время ведутся поиски других недорогих материалов.

Другими составными частями прибора являются:

1 — Крышка объектива
2 — Дисплей
3 — Управление
4 — Ручка с ремнем
5 — Тепловизор
6 — Пуск
7 — Объектив
8* — Электронная система
9* — Память для хранения информации
10* — Программное обеспечение

Объективы

В тепловизоре в обязательном порядке имеется хотя бы один объектив, который способен фокусировать излучение инфракрасных волн на приемнике излучения. Далее приемник подает электрический сигнал и образует тепловое (электронное) отображение, которое называется термограммой.

Чаще всего объективы изготавливают из германия. Чтобы оптимизировать пропускание света объективами, применяют просветляющие тонкопленочные покрытия. В комплект тепловизора обычно входит чехол для хранения и переноски устройства, другого дополнительного оборудования для применения прибора в полевых условиях.

Дисплеи

Отображение картины теплового излучения осуществляется на жидкокристаллическом экране (дисплее). Он должен иметь хорошую яркость и достаточный размер для легкого обзора изображения при различных условиях освещения, в полевых условиях. На экране обычно имеется вспомогательная информация. К ней относится цветовая шкала температур, время, дата, заряд батареи, температура объекта и другая полезная информация.

Схема обработки сигнала и приемник излучения применяются для модификации излучения инфракрасного света в необходимую полезную информацию. Фокусировка теплового излучения объекта осуществляется на специальный приемник. Он изготовлен из полупроводников. Тепловое излучение создает электрический сигнал на приемнике. Далее сигнал поступает на электронную схему, расположенную внутри прибора, после обработки сигнала электроникой, на экране возникает тепловое изображение.

Органы управления

С помощью этих элементов производятся различные настройки электронной системы для оптимизации изображения теплового излучения на дисплее. Такие настройки в электронном виде могут изменить цветовую гамму и слияние изображений, интервал теплового уровня. Также регулируется отраженная фоновая температура и коэффициент излучения.

Хранилище данных

Цифровые электронные данные, которые содержат изображения тепла и вспомогательные данные, могут сохраняться на электронных картах памяти различного типа, либо на устройствах передачи и хранения информации.

Большинство тепловизионных инфракрасных систем способны сохранять вспомогательные текстовые и голосовые данные, а также снимок изображения, которые получены при помощи внутренней встроенной камеры, работающей в спектре видимости человеком.

Создание отчета и программное обеспечение

Программное обеспечение, применяемое с многими современными системами тепловидение, является удобным и функциональным для оператора. Тепловые цифровые и видимые изображения копируются на компьютер или ноутбук. Там эту информацию можно проанализировать с применением разных цветовых палитр, осуществить другие регулировки радиометрических данных.

Также есть возможность применить встроенные опции проведения анализа. Обработанные картинки можно включить в образцы отчетов или отпечатать на принтере. Изображения также можно по интернету отправить заказчику, либо сохранить на компьютере в электронном виде.

Классификация

Тепловизоры делятся на несколько видов по различным признакам.

Наблюдательные преобразуют инфракрасные лучи в видимый для глаза свет по специальной цветовой шкале.

Измерительные тепловизоры способны определять температуру исследуемого объекта путем присвоения величине цифрового сигнала пикселей определенную соответствующую температуру. В итоге образуется изображение распределения температур.

Стационарные тепловизоры служат для использования на предприятиях промышленности, где осуществляется контроль над соблюдением технологических процессов в интервале -40 +2000 градусов. Такие устройства оснащаются азотным охлаждением, чтобы создать нормальные условия для работы приемной аппаратуры. Такие системы состоят из тепловизоров 3-го поколения, выполненных на полупроводниковых матрицах фотоприемников.

Переносные устройства тепловидения разработаны на основе неохлаждаемых кремниевых микроболометров. Вследствие чего появилась возможность отказаться от применения громоздкой и дорогой аппаратуры охлаждения. Такие приборы имеют все преимущества стационарных моделей. При этом их можно использовать в труднодоступных местах. Многие переносные тепловизоры можно подключать к компьютеру для обработки информации.

Часто приборы ночного видения путают с тепловизорами. Однако между ними большая разница. Устройство ночного видения может работать при малой освещенности, так как усиливает свет. Часто попавший в объектив свет ослепляет человека. Для тепловизора не нужен свет, так как его принцип действия основан на тепловых инфракрасных лучах.

Сфера применения тепловизоров

Тепловизоры используются в различных сферах нашей жизни. Так, например эти устройства используются в охране объектов и военной разведке. Ночью человека можно через этот прибор заметить в полной темноте на удалении до 300 метров, а военную технику видно до 3 км.

В настоящее время существуют видеокамеры микроволнового рабочего диапазона с выходом изображения на компьютер. Чувствительность такой камеры несколько сотых долей градуса. Следовательно, если вы взялись за ручку двери ночью, то тепловой отпечаток после этого будет видно около 30 минут.

Большую перспективу имеют тепловизоры в определении дефектов в разных установках. Это имеет место в случае повышения или понижения температуры определенного места механизма, или устройства. Иногда определенные дефекты выявляются только тепловизором. На опорных тяжелых конструкциях (мостах) при усталостном старении металла, возникающих деформациях в некоторых местах выделяется больше тепла, чем положено. Поэтому есть возможность диагностики дефектов без разборки объекта.

В результате можно сказать, что тепловизоры применяются в качестве оперативного контролера безопасности объектов.

Широкое применение тепловизоры нашли в медицине в качестве диагностики патологии различных заболеваний. У здорового пациента температура тела распределена симметрично от средней линии всего тела. Если эта симметрия нарушается, то это является критерием диагностики заболеваний тепловизором.

Термография является современным методом диагностики в медицине. Этот метод основан на обнаружении инфракрасного излучения тела человека в зависимости от его температуры. Интенсивность и распределение излучения тепла в норме определяется своеобразными физиологическими процессами, которые происходят в организме в глубоких и поверхностных органах.

Разные состояния патологии характеризуются несимметричностью распределения температуры тела. Это находит свое отражение на термографической картине. Такой факт имеет важное прогностическое и диагностическое значение. Об этом свидетельствуют многие клинические исследования.

Существуют два главных вида термографии:

1. Телетермография.
2. Контактная холестерическая термография.

Телетермография действует на модифицировании инфракрасных лучей от тела человека в сигнал электрического тока, изображающегося на дисплее тепловизора.

Контактная холестерическая термография работает по принципу оптических свойств жидких кристаллов, проявляющихся изменением цвета в радужные цвета при нанесении их на излучающие поверхности. Более холодным местам соответствует синий цвет, а горячим – красный.

Применение в промышленности

• Контроль процессов обмена тепла в выхлопных системах, двигателях и радиаторах автомобиля.
• Проверка и проектирование тормозной системы автомобиля.
• Контроль ультразвуковой сварки.
• Разработка климатической системы автомобиля.
• Контроль качества монтажных плат в электронике.
• Контроль режима сварки.
• Выявление несоосности валов, подшипников, шестерен.
• Анализ напряжений металла.
• Контроль изоляции и герметичности емкостей для жидкостей.
• Определение свойств теплоизоляции.
• Выявление потерь тепла в помещениях.
• Диагностика конструкций ограждений.
• Предотвращение пожаров.
• Выявление утечки газа из газопровода.
• Контроль технологических процессов.
• Проверка электрооборудования.
• Проверка работоспособности тепловых трасс.
• Выявление мест подсоса холодного воздуха.
• Контроль теплоизоляции трубопроводов.
• Проверка оборудования с наполнением маслом.
• Проверка статора генератора.
• Контроль газо- и дымоходов.