Принцип действия тепловизора

Тепловизор - это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение. Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора. В 70-х гг. созданы тепловизоры, в которых тепловое изображение переводится в видимое непосредственно на экране, покрытом светочувствительным веществом (люминофоры, жидкие кристаллы, полупроводниковые пленки). Тепловизоры используются для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах. Применяются в дефектоскопии, навигации, а также в медицине.

Принцип действия

Вследствие того, что тела нагреты неравномерно (например, температура автомобиля с работающим двигателем будет выше температуры автомобиля с двигателем выключенным), складывается некая картина распределения ИК-излучения.

Действие всех тепловизионных систем основано на фиксировании температурной разницы объект/фон и на преобразовании полученной информации в изображение, видимое глазом. Современные тепловизионные приборы способны обнаруживать температурный контраст, равный 0,05-0,1 К.

В то время как оптические приборы ночного видения, работающих на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), улавливают излучение с длиной волны ~ 1-2 мкм, что лишь немногим выше чувствительности человеческого глаза, основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8-14 мкм – область далекого ИК-излучения и 3-5,5 мкм – среднего ИК. Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 до +500С максимальна.

Таким образом, тепловизионные приборы способны обеспечивать большую дальность видения в любое время суток, через любую прозрачную для ИК-изучения маскировку и даже при несколько пониженной прозрачности атмосферы: при тумане, дожде, снегопаде, пыли и дыме. (Следует оговориться, что пары воды и углекислый газ весьма интенсивно поглощают волны ИК-спектра, и это заметно отражается на чувствительности приборов.)

Фоточувствительным элементом современного тепловизионного прибора является фокально-плоскостная двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленная на основе полупроводников – примесных кремния и германия.

Поскольку в современных тепловизорах отсутствуют оптико-механические сканирующие устройства, они отличаются компактностью, малой энергоемкостью, высоким отношением сигнал/шум и хорошим качеством изображения.

Недостаток

Основным и главным недостатком тепловизора является большая цена. 90% стоимости прибора составляет его основные элементы: матрица и объектив.

Матрицы весьма сложны в производстве, и, соответственно, это все упирается в большие деньги.

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.

Для понижения шумов и, следовательно, повышения пороговой чувствительности, в тепловизионных приборах матрицу фоточувствительных элементов охлаждает микрокомпрессорная система, либо используется термостабилизация при помощи термоэлектрической системы.

В последнее время все большее распространение получают приборы с неохлаждаемой микроболометрической матрицей.

Приминение

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей. Широкое применение тепловизоры получили в военной индустрии для координации боевых действий в темное время суток. Эта дорогостоящая аппаратура может устанавливаться на самолеты-разведчики, для оценки количества живой силы противника и ее расположения на участке боевых действий. Помимо инженерного применения с 2008-2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать в медицинских целях - для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.

Электромагнитные методы контроля. Общая классификация

Основан на регистрации изменения взаимодействия собственного электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в контролируемом объекте. Применяется для обнаружения поверхностных дефектов в магнитных и немагнитных деталях и полуфабрикатах. Метод позволяет выявлять нарушения сплошности, в основном трещин, на различных по конфигурации деталях, в том числе имеющих покрытия. На основе метода вихревых токов разработаны приборы для измерения толщины листов и покрытий, диаметра проволоки и прутков. Применяют на заводах и ремонтных предприятиях. В условиях эксплуатации применяют для профилактического контроля лопаток турбин газотурбинных двигателей, сварных и литых узлов элементов конструкций и др.

К наиболее известным представителям этого класса относятся электрические, магнитные, радиоволновые и вихретоковые методы.

Радиоволновые методы контроля

Основаны на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний, взаимодействующих с контролируемым объектом. Их применяют для контроля качества и геометрических размеров изделий из диэлектрических материалов (стеклопластики и пластмассы, резина, термозащитные и теплоизоляционные материалы, фибра), вибраций, толщины металлического листа и т. п. В качестве источников энергии служат магнетроны, клистроны, лампы обратной волны, преобразователи частоты, твердотельные генераторы, диоды Ганна и т. п.

Электрические и магнитные методы

Электрические методы

Основаны на регистрации электростатических полей и электрических параметров контролируемого объекта. Их применяют для выявления раковин и других дефектов в отливках, расслоений в металлических листах, различных дефектов в сварных и паяных швах, трещин в металлических изделиях, растрескиваний в эмалевых покрытиях и органическом стекле и т. д. Кроме того, эти методы применяют для сортировки деталей, измерения толщин пленочных покрытий, проверки химического состава и определения степени термообработки металлических изделий. Наиболее распространенными из этих методов являются измерение электрического сопротивления, трибоэлектрический, термоэлектрический и др.

Магнитные методы

Основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами или магнитных свойств контролируемого объекта. Применяют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в деталях и полуфабрикатах различной формы, изготовленных из ферромагнитных материалов. К ним относятся магнитно-порошковый, магнитно-графический, феррозондовый, магнитно-индукционный и другие методы.

Магнитные поля рассеяния над дефектами регистрируются в магнитно-порошковом методе с помощью ферромагнитного порошка или суспензии, в магнитно-графическом — с помощью ферромагнитной ленты и в феррозондовом — с помощью чувствительных к магнитным полям феррозондов.

Магнитно-порошковый метод нашел широкое применение на заводах промышленности, ремонтных предприятиях и эксплуатирующих подразделениях. С его помощью надежно выявляют поверхностные трещины, микротрещины, волосовины, флокены и другие дефекты.