Värmekamera

Värmekamera  ( värme + lat.  vīsio  "vision; vision") - en anordning för att övervaka temperaturfördelningen på ytan som studeras. Temperaturfördelningen visas på displayen som en färgbild, där olika färger motsvarar olika temperaturer . Studiet av värmeavbildning kallas termografi .

Teknik

Alla kroppar vars temperatur överstiger den absoluta nolltemperaturen avger elektromagnetisk värmestrålning i enlighet med Plancks lag . Strålningens spektrala effekttäthet (Plancks funktion) har ett maximum, vars våglängd på våglängdsskalan beror på temperaturen. Positionen för maximum i emissionsspektrumet skiftar med ökande temperatur mot kortare våglängder ( Wiens förskjutningslag ). Kroppar som värms upp till temperaturen i världen omkring oss (-50..+50 grader Celsius ) har en maximal strålning i det mellan- infraröda området ( våglängd 7..14 mikron). För tekniska ändamål är temperaturintervallet upp till hundratals grader, som emitterar i intervallet 3..7 mikron, också intressant. Temperaturer på cirka tusen grader och uppåt kräver inte värmekamera för observation, deras värmesken är synlig för blotta ögat.

Sensor

Historiskt sett var de första värmeavbildningssensorerna för avbildning elektronvakuumsensorer . Sorten baserad på vidikoner med ett pyroelektriskt mål har fått den största utvecklingen. I dessa enheter skannade elektronstrålen målytan. Strålströmmen berodde på den interna fotoelektriska effekten av målmaterialet under verkan av infraröd strålning. Sådana enheter kallades pirikon eller pyrovidikon [1] . Det fanns också andra typer av avsökningselektron-vakuumrör som var känsliga för det termiska spektrumet av infraröd strålning, såsom termicon och filterscan. [ett]

Elektronvakuumanordningar ersattes med solid-state sådana. De första solid-state sensorerna var ett element, därför var de utrustade med en elektromekanisk optisk skanning för att få en tvådimensionell bild. Sådana värmekamera kallas scanning [1] . I dem projicerar ett system av rörliga speglar sekventiellt strålning från varje punkt i det observerade utrymmet på sensorn. Sensorn kan vara ett enda element, en rad av avkänningselement eller en liten grupp. För att öka känsligheten och minska trögheten, kyls sensorerna för skanande värmekamera till kryogena temperaturer. De bäst kylda sensorerna är kapabla att reagera på enstaka fotoner och har svarstider på mindre än en mikrosekund.

Moderna värmekameror är som regel byggda på basis av speciella matristemperatursensorer - bolometrar . De är en matris av tunnfilmstermistorer i miniatyr. Infraröd strålning, samlad och fokuserad på matrisen av värmekamerans lins, värmer elementen i matrisen i enlighet med temperaturfördelningen för det observerade objektet . Den rumsliga upplösningen för kommersiellt tillgängliga bolometriska matriser når 1280*720 poäng [2] . Kommersiella bolometrar tillverkas vanligtvis okylda för att minska kostnaden och storleken på utrustningen.

Temperaturupplösningen hos moderna värmekamera når hundradelar av en grad Celsius.

Det finns observations- och mätande värmekamera. Observationsvärmekamera visar endast objektets temperaturgradienter. Mätning av värmekamera låter dig mäta temperaturvärdet för en given punkt på ett objekt med en noggrannhet upp till emissivitetenföremålsmaterial. Mätning av värmekamera kräver periodisk kalibrering, för vilken de ofta är utrustade med en inbyggd sensorkalibreringsanordning, vanligtvis i form av en gardin, vars temperatur mäts noggrant. Slutaren rör sig med jämna mellanrum över matrisen, vilket gör det möjligt att kalibrera matrisen efter slutarens temperatur. Denna procedur tar en tid i storleksordningen en sekund, för vilken bilden av värmekameran slutar uppdateras, vilket kan vara avgörande för vissa observationsapplikationer, i synnerhet för att fotografera sevärdheter, därför är observationsvärmekameran inte utrustad med denna mekanism.

Optik

Eftersom vanligt optiskt glas är ogenomskinligt i mitten av IR-området [3] är optiken hos värmekamera gjord av speciella material. Oftast är det germanium [4] [5] [6] , men det är dyrt, så kalkogenidglas används ibland, zinkselenid [7] , kisel , fluorit . För laboratorieändamål kan optik också tillverkas av vissa salter, som bordssalt [8] , som också är transparent i det erforderliga våglängdsområdet.

Beröringsfri temperaturmätning

Värmekameran låter dig indirekt bedöma temperaturen på ett objekt genom dess elektromagnetiska strålning inom ett visst område av det infraröda spektrumet. Avvikelser mellan de optiska egenskaperna hos verkliga material från egenskaperna hos en idealisk absolut svart kropp gör det dock svårt att entydigt omvandla strålningen som registreras av en värmekamera till det exakta värdet på temperaturen hos ett verkligt föremål. [9]

Plancks formel beskriver beroendet av den elektromagnetiska strålningen som sänds ut av kroppen på kroppens temperatur i idealfallet, det vill säga i fallet med den sk. helt svart kropp . [9] Men verkliga kroppar skiljer sig oftast från en helt svart kropp, med individuella egenskaper för reflektion ( spridning ), transmission (absorption) och emissionelektromagnetiska vågor. Egenskaperna för reflektion (spridning) och transmission bestämmer den parasitära belysningen av mätobjektet från de omgivande uppvärmda föremålen, vilket kan leda till en överskattning av beröringsfria temperatursensoravläsningar. Egenskapen för strålningsabsorption bestämmer uppvärmningen av föremålet genom strålningen från de omgivande uppvärmda föremålen. Skillnaden i egenskaperna för emissionen av strålning från verkliga material och en svart kropp leder till en underskattning av temperaturavläsningarna.

För att visa några av problemen med att bestämma temperatur från strålning uppfanns en Leslie-kub , där sidorna är gjorda av olika material. Bilderna av Leslie-kuben till höger visar skillnaden i de emissiva och reflekterande egenskaperna hos olika kubytor vid samma kubtemperatur.

För den numeriska karakteriseringen av de optiska egenskaperna hos material som påverkar strålningsnivån från dem, introduceras reflektionskoefficienten ( spridningskoefficient ), transmissionskoefficient (eller absorptionskoefficient ) och strålningskoefficient för elektromagnetiska vågor. Dessa koefficienter visar skillnaden mellan materialet och den optiskt idealiska, i synnerhet visar emissiviteten hur mycket materialets egen värmestrålning är mindre än strålningen från en helt svart kropp vid samma temperatur. Nedan finns en tabell över emissiviteten för vissa material i den del av det infraröda området som är relevant för värmekamera. [9]

Material Emissionsförmåga
polerad aluminium 0,03
Anodiserad aluminium 0,55
polerat guld 0,02
polerat järn 0,21
Oxiderat järn 0,64
polerat stål 0,07
Oxiderat stål 0,79
svart sot 0,95
vitt papper 0,93
Trä 0,90
polerat glas 0,94
mänsklig hud 0,98
Vatten 0,92
Snö 0,80

Alla dessa koefficienter är beroende av våglängden, det vill säga i det synliga och infraröda området kan dessa koefficienter skilja sig åt.

Skapande historia

De första värmebilderna skapades på 1930-talet. 1900-talet Moderna värmeavbildningssystem började sin utveckling på 60-talet av XX-talet. De första värmeavbildningssensorerna för avbildning var elektronvakuumsensorer. Pirikoner ( pyrovidicons ) har fått den största utvecklingen [1] . Det fanns också andra typer av svepelektron-vakuumrör som var känsliga för det termiska spektrumet av infraröd strålning, såsom termicon och filterscan [1] . Då dök värmekamera upp på solid-state-sensorer med optisk-mekanisk skanning av synfältet som bildas av en lins och en strålningsmottagare med ett element. Sådana anordningar var extremt improduktiva och gjorde det möjligt att observera temperaturförändringarna som inträffade i föremålet i mycket låg hastighet.

Med utvecklingen av halvledarteknologi och tillkomsten av CCD-fotodiodceller , som gör det möjligt att lagra den mottagna ljussignalen, blev det möjligt att skapa moderna värmekamera baserade på en matris av CCD-sensorer . Denna avbildningsprincip har gjort det möjligt att skapa bärbara enheter med hög hastighet för informationsbearbetning, som tillåter övervakning av temperaturförändringar i realtid.

Den mest lovande riktningen i utvecklingen av moderna värmekamera är tillämpningen av tekniken för okylda bolometrar [10] , baserad på den ultraexakta bestämningen av förändringen i motståndet hos tunna plattor under inverkan av värmestrålning av hela spektralen räckvidd. Denna teknik används aktivt över hela världen för att skapa en ny generation av värmekamera som uppfyller de högsta kraven på rörlighet och säkerhet vid användning. .

I Sovjetunionen och Ryssland

De första civila värmekamerorna utvecklades i Sovjetunionen för medicinskt bruk vid kärnkraftverket Istok på 1970-talet. Sedan slutet av 1970-talet har massproduktion av en scannande värmekamera baserad på en kyld halvledarsensor TV-03 påbörjats [11] . Vid tiden för Sovjetunionens kollaps producerades ett brett utbud av värmekamera för civila och industriella ändamål [1] .

Värmekamera för militära ändamål har utvecklats sedan 1970-talet, till en början i form av optiska radarstationer för flyg (OLS) [12] [13] . I slutet av 1980-talet installerades också de första seriella Agava-2 värmeavbildningssiktena på tankar [14] .

Kollapsen av den postsovjetiska industrin på 1990-talet och utvecklingen av effektiva okylda bolometriska matriser i väst gjorde att Ryssland hamnade betydligt efter på detta område. Värmeavbildningssensorer och system för civila och militära ändamål köptes från utlandet. Icke desto mindre började rapporter dyka upp om att övervinna den tekniska klyftan och utöka produktionen av nationella sensorer [15] [16] [17] .

Omfattning

Energiläckagekontroll

Värmekamera används i stor utsträckning både i stora industriföretag, där noggrann övervakning av objektens termiska tillstånd är nödvändig, och i små organisationer som är involverade i felsökning av nätverk för olika ändamål.

Värmekamera används särskilt ofta inom konstruktion när man bedömer konstruktioners värmeisoleringsegenskaper. Så, till exempel, med hjälp av en värmekamera kan du bestämma de områden med störst värmeförlust i huset.

Night vision enhet

Värmekamera används av de väpnade styrkorna som mörkerseendeanordningar för att upptäcka värmekontrasterande mål (manskap och utrustning) när som helst på dygnet, trots de vanliga metoderna för optisk maskering inom det synliga området ( kamouflage ) som används av fienden. Värmekameran har blivit en viktig del av siktsystem för attackarméflyg och pansarfordon. Värmeavbildningssikten för handeldvapen används också, även om de på grund av det höga priset ännu inte har fått någon bred distribution.

Brand- och räddningstjänst

Värmekamera används av brand- och räddningstjänst för att söka efter offer, identifiera eldhärdar, analysera situationen och söka efter evakueringsvägar.

Medicin

Människohud har en hög emissivitet (~0,98), nära emissiviteten för en helt svart kropp, vilket gör det informativt att observera temperaturen på mänsklig hud med en värmekamera. [9] Låg hudreflektans i det termiska IR-området minimerar effekten av uppvärmda miljöföremål. Värmekameran låter dig registrera både den statiska temperaturfördelningen och dynamiken i hudens temperaturfördelning. Ytfördelningen av hudtemperaturen bestäms av tillståndet hos subkutana kärl, muskler, inre organ och fett. Termoregleringens fysiologi kan bero både på miljöförhållanden och på fysisk eller emotionell stress, såväl som verkan av farmakologiska läkemedel.

Utvecklingen av värmekamera för medicin startade i Sovjetunionen i NPP "Istok" ( Fryazino , Moskva-regionen ) 1968 . På 1980-talet utvecklades metoder för att använda värmekamera för att diagnostisera olika sjukdomar. TV-03-värmekameran som tillverkades under dessa år av den inhemska industrin användes i stor utsträckning i olika medicinska institutioner. TV-03 var den första värmekameran som användes inom neurokirurgi [11] . I modern medicin används en värmekamera för att upptäcka patologier som är svåra att diagnostisera med andra metoder, inklusive upptäckt av maligna tumörer.

Identifiering av patienter med SARS

För att förhindra epidemier har man sedan 2008 använt värmekamera för att isolera personer med höga temperaturer från mängden , som åtföljs av akuta luftvägssjukdomar . [18] [19] Covid-19-pandemin som spred sig över världen 2020 har ökat efterfrågan på värmekamera för beröringsfri kroppstemperaturmätning på offentliga och trånga platser. Samma år påpekade Roskomnadzor nyanserna av att använda värmekamera för att mäta temperaturen hos anställda och besökare i organisationer [20] . Det bör dock beaktas att värmekameran mäter temperaturen på öppen hud och därför kan dess avläsningar bero inte bara på kroppstemperaturen utan även på andra faktorer, särskilt klimatförhållanden.

I traditionell medicinsk praxis utförs mätningar av mänsklig kroppstemperatur med kontakttermometrar i fyra områden: i armhålan (normalt 36,6...36,8°C), under tungan (normalt 36,7...36,8°C), i ändtarmen (normalt 37 ° C), i den yttre hörselgången. [9] Om fjärrmätning av temperatur krävs är dessa områden otillgängliga, oftast är bara ansiktsområdet tillgängligt. COVID-19-pandemin har tvingat fram sökandet efter snabba, beröringsfria sätt att mäta temperatur, och värmekamera som mäter temperaturen i den yttre hörselgången med en utbytbar engångsspets har blivit utbredd [21] .

Metallurgi och maskinteknik

När man kontrollerar temperaturen i komplexa processer som kännetecknas av ojämn uppvärmning, icke-stationaritet och heterogenitet i värmeemissionen, är värmekamera mer effektiva än pyrometrar, eftersom analysen av det resulterande termogrammet eller temperaturfältet utförs av ett kraftfullt mänskligt synsystem.

För att förbättra tillförlitligheten för att mäta temperaturen hos uppvärmda metaller är det nödvändigt att korrekt välja spektralområdet för registrering av termisk strålning [22] . Den termiska strålningskoefficienten ε för metaller som värms upp över 400 °C förändras kraftigt på grund av oxidationen av deras yta med atmosfäriskt syre [23] . För att registrera deras värmestrålning är det därför nödvändigt att välja en del av spektrumet där inverkan av osäkerheten ε på de erhållna temperaturavläsningarna är minimal [22] .

Inom termisk bildteknik används olika delar av spektrumet. Vid mätning av låga temperaturer registreras termisk strålning i spektralområdet 8–14 μm och ibland i området 3–5 μm [24] . För att mäta temperaturer över 700 °C används högtemperaturvärmekamera som använder matriser baserade på Si [25] eller InGaAs, som är känsliga i det nära infraröda området av spektrumet, där den termiska emissiviteten för metaller ε är mycket större än i området 8–14 μm [22] [23] . Om det är nödvändigt att mäta den verkliga temperaturen används värmekamera som registrerar värmestrålning i tre delar av spektrumet.

Andra användningsområden

  • Astronomiska infraröda teleskop.
  • Nattkörningssystem för att underlätta förarens kontroll av vägsituationen.
  • Styrning av elektriska kretsar för överhettning av ledare och dålig kontakt.
  • Veterinärkontroll.

Smartphones

2014 släppte FLIR Systems ett skal för Apple -smarttelefoner , i vilket en värmekamera är monterad [26] . Samma år släppte Seek Thermal en separat värmekamera för iOS- och Android- enheter [27] . I februari 2016 tillkännagavs den första Caterpillar S60-smarttelefonen med en inbyggd värmekamera utvecklad av FLIR [28] .

Kuriosa

I januari 2020 använde en medborgare i Uzbekistan , när han olagligt korsade den vitryska-litauiska gränsen , en folielock för att lura gränsvakternas värmebilder. Det rapporterades att sådana fall registrerades upprepade gånger [29] .

Bilder

  • Värmebildtillbehör för kikarsikten dagtid

  • Universell övervakningsenhet för säkerhet

  • Tvåkanals värmeavbildning och tv-enhet för användning dygnet runt

  • Multispektral multifunktionsövervakning och målbeteckningssystem

  • Monokulär värmeavbildning

  • Värmebildapparat för övervakning dygnet runt

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kriksunov L. Z., Padalko G. A. Värmekamera: en uppslagsbok. - K., 1987.
  2. ↑ DARPA utvecklar personliga LWIR-kameror . Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 24 september 2015.
  3. ↑ Glasögon som absorberar den infraröda delen av spektrumet . Hämtad 15 mars 2017. Arkiverad från originalet 16 mars 2017.
  4. ↑ Germanium (otillgänglig länk) . Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 5 mars 2016. 
  5. ↑ Germanium Windows . Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 25 november 2015.
  6. ↑ Germanium Plano-Konvexa linser . Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 25 november 2015.
  7. ↑ Zinkselenid . Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 25 november 2015.
  8. ↑ CRYSTALTECHNO Ltd. Hämtad 24 november 2015. Arkiverad från originalet 20 november 2015.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 TERMISK VISION BIOMEDISK DIAGNOS . Hämtad 28 december 2020. Arkiverad från originalet 29 augusti 2021.
  10. ↑ Rogalski A. Infraröda detektorer. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 s.
  11. ↑ 1 2 Devyatkov N. D. Användningen av elektronik inom medicin och biologi Arkiverad 15 juli 2019 på Wayback Machine . Elektronisk utrustning. Ser. mikrovågsteknik . 1993. Nr 1 (455). sid. 67-76.
  12. ↑ Su-27 . Datum för åtkomst: 31 mars 2016. Arkiverad från originalet den 22 juli 2010.
  13. ↑ Flygets historia. Glödhet MiG mot himlen . Hämtad 31 mars 2016. Arkiverad från originalet 12 april 2016.
  14. ↑ Värmekamera . Hämtad 31 mars 2016. Arkiverad från originalet 12 april 2016.
  15. ↑ Ryssland kommer äntligen att ha sina egna värmekamera . Hämtad 5 maj 2020. Arkiverad från originalet 17 april 2016.
  16. ↑ NPO ORION . Hämtad 31 mars 2016. Arkiverad från originalet 14 april 2016.
  17. ↑ Tankvärmekamera från Shvabe . Hämtad 5 maj 2020. Arkiverad från originalet 5 augusti 2019.
  18. ↑ Komsomolskaya Pravda. Svininfluensan når oss inte genom luften: en värmekamera har installerats på flygplatsen i Nizhny Novgorod. . kp.ru (13 augusti 2009). Datum för åtkomst: 25 februari 2010. Arkiverad från originalet den 12 april 2012.
  19. ↑ SpecLab. Elektroniskt influensavaccin. (inte tillgänglig länk) . operlenta.ru (14 januari 2010). Hämtad 25 februari 2010. Arkiverad från originalet 17 april 2012. 
  20. ↑ Information från Federal Service for Supervision of Communications, Information Technology and Mass Media daterad 10 mars 2020 "Roskomnadzor förklarar funktionerna i användningen av värmekamera av arbetsgivare - personuppgiftsoperatörer - för att förhindra spridning av coronaviruset" . Hämtad 26 december 2020. Arkiverad från originalet 13 maj 2021.
  21. ↑ Hur exakta är örontermometrar?
  22. ↑ 1 2 3 Källa (inte tillgänglig länk) . Hämtad 19 augusti 2015. Arkiverad från originalet 13 december 2016. 
  23. ↑ 1 2 Burakovsky T., Gizinsky E., Salya A. Infraröda sändare: Per. från polska - L .: Energy, 1978.
  24. ↑ V.V. Korotaev, G.S. et al . Grundläggande termisk avbildning - St Petersburg: NRU ITMO, 2012. - 122 sid.
  25. ↑ En unik värmekamera med ultrahög upplösning / Mikron Infrared Inc. Thermal Imaging Division.
  26. ↑ FLIR One . Hämtad 18 februari 2016. Arkiverad från originalet 25 februari 2016.
  27. ↑ Seek Thermal . Tillträdesdatum: 18 februari 2016. Arkiverad från originalet 11 mars 2016.
  28. ↑ Tekniknyheter - Gazeta.Ru . Datum för åtkomst: 18 februari 2016. Arkiverad från originalet 6 februari 2016.
  29. ↑ Folie "osynlighetslock" hjälpte inte en invånare i Uzbekistan olagligt att korsa gränsen. Han greps av litauiska gränsvakter . Hämtad 30 november 2021. Arkiverad från originalet 30 november 2021.

Litteratur

  • Lloyd J. Termiska bildbehandlingssystem./Trans. från engelska. ed. A. I. Goryacheva. — M.: Mir, 1978, sid. 416.
  • Kriksunov L. Z. Handbook on the basics of infrared technology, Förlag: Sovjetisk radio, år: 1978, sidor: 400.
  • Gossorg J. Infraröd termografi. Grunderna. Metod. Ansökan. M.: Mir, 1988.
  • V. A. Drozdov, V. I. Sukharev. Termografi i konstruktion - M .: Stroyizdat , 1987. - 237 sid.
  • Infraröd termografi inom kraftteknik. T 1. Grunderna för infraröd termografi / Ed. R. K. Newport, A. I. Tadzhibaeva, författare: A. V. Afonin, R. K. Newport, V. S. Polyakov, etc. - St. Petersburg: Izd. PEIPC, 2000. - 240 sid.
  • Ogirko I. V. Rationell temperaturfördelning över ytan av en värmekänslig kropp ... s. 332 // Engineering Physics Journal Volym 47, nummer 2 (augusti, 1984)

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  I bibliografiska kataloger