Файл: Тепловизоры и их применения.docx

Факультет информационных технологий

Кафедра «Общая физика»

Реферат по дисциплине

«Физика»

Тема «Тепловизоры и их применения»

Выполнил: студент гр. О-22-ИБ-1-ози-Б

Дрожжина А.А.

_____________________
Проверил: доцент

Мачихина И.О.

«___» _______________ 20__ г.

_____________________


Брянск 2023

Содержание

Введение

Тепловизор - это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение, то есть это устройство для съемки изображений в инфракрасном диапазоне волн. В большинстве случаев тепловизор используют для ночного видения или для получения температурного поля объекта. Потребность в тепловизорах обусловлена в поиске горячих или холодных мест на температурном поле. Это помогает узнать о нарушении или поломке объекта, или оборудования. Тепловизионное обследование может проводиться на значительном расстоянии от объекта и в труднодоступных местах, во время проверки не нужно отключать электрооборудование, вскрывать отделку, при этом сама процедура проходит абсолютно безопасно, а ее результаты являются точными и достоверными.

Цель

• 
  Узнать историю создания тепловизоров
  
• 
  Рассмотреть различные виды тепловизора
  
• 
  Изучить устройство работы тепловизора
  
• 
  Познакомиться с применением тепловизора в окружающем нас мире
  

Актуальность

Применение тепловизоров актуальной по сей день, это обуславливается широким применением в разных сферах деятельности людей.

История создания тепловизора

Первой попыткой создания тепловизора можно назвать эвапорограф, что означает регистрация испарения. В качестве преобразователя использовалась масляная пленка. Разность температур наблюдаемого объекта и окружающей среды фиксировалась и преобразовывалась в разность толщины пленки. При нагревании происходило неравномерное испарение жидкости и таким образом осуществлялось отображение объекта. Основой его создания послужили опыты У.Гершеля еще в 19 веке,

---

который использовал фильтровальную бумагу, пропитанную спиртом и прокопченную со стороны наблюдаемого предмета. А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость.

В 30-х годах в Германии начинаются активные исследования влияния инфракрасных лучей на полупроводники. На основании сделанных открытий были изготовлены приемники, чувствительные к тепловой энергии, и первый электронно-оптический преобразователь. Этими приборами была оснащена военная техника. ЭОП установили американцы на танки для возможности передвигаться в ночное время суток.

Настоящая эволюция тепловизоров началась в США, где был изобретен его первый прообраз. В 1954 году на бортах самолетов стали использовать устройства, работающие на ИК излучении. В 60-х годах шведы разработали модель тепловизора, которая больше напоминала телескоп. Все модели этого поколения имели большую массу и требовали использования дополнительного охлаждения. В начале 70-х годов для питания тепловизоров стали применять аккумуляторы. С этих пор приборы стали портативными, но присутствие теплового эталона в поле зрения требовалось. В 1978 году этот недостаток был устранен.

Кроме того, была добавлена функция записи изображений на пленку. Эта модель уже была близка к тем, которые мы знаем сегодня.

Опыт предыдущих поколений и быстрое развитие науки и техники послужили стимулом для разработки твердотельных матриц, и было доказано, что с помощью кремния возможно преобразование оптических в электрические сигналы. В настоящее время наиболее широкое применение имеют сверхчувствительные неохлаждаемые болометры. В нашей стране производство по данной технологии было освоено в 2007 году.

Виды тепловизора

Наблюдательные приборы

Тепловизор применяется строительстве и это идеальное решение, чтобы выявить проблемное место с перегревом или промерзанием стен или потолка, или оборудования

Смотровые тепловизоры зачастую оснащаются монохромными экранами. Такая цветовая гамма дает наибольшую контрастность

---

, что требуется для отслеживания людей или животных, находящихся на охраняемых территориях либо на природе. Этот подвид используется военными, охранниками, силовыми структурами, а также охотниками, спасателями, натуралистами.

Измерительные приборы

Чувствительность тепловизоров этого типа намного выше. Экран передает цветное изображение, каждый оттенок которого соответствует определенной температуре. Устройство требуется для измерения температуры поверхности предметов. Термограмма показывает степень нагрева любой точки отснятой картинки.

Измерительные тепловизоры нужны для дистанционного контроля без разрушения конструкций. Они используются в строительстве, промышленности, медицине, диагностике электрического оборудования и т.д.

Стационарные приборы

Это мощные тепловизоры, оснащенные охлаждаемым сенсором. Поскольку их конструкция несколько громоздкая, они не предназначены для перевозки.

Их устанавливают на производстве, чтобы следить за технологическими процессами. Наблюдаемый температурный промежуток может составлять от -40 до +2000 градусов Цельсия.

Переносные приборы

В основе этих приборов лежат неохлаждаемые болометры — сенсоры из кремния. Переносные тепловизоры более компактны по сравнению со стационарными за счет отсутствия системы охлаждения. Ими проще пользоваться для исследования труднодоступных мест. При этом сохраняются все преимущества стационарных устройств. Большинство приборов имеют именно переносное исполнение.

Высокотемпературные приборы

Высокотемпературный тепловизор может быть как стационарным, так и переносным. Он характеризуется способностью точно определять нагрев свыше +650…+1000 градусов Цельсия.

Принцип работы тепловизоров

Принцип работы тепловизора основан на регистрации и анализе температур поверхности объектов. У каждого из материалов своя отражающая и поглощающая инфракрасное излучение способность. Неравномерность нагрева одной и той же поверхности позволяет формировать картину распределения температуры на ней, ассоциируя цвет на дисплее с температурой Техническое устройство и принцип действия тепловизора очень похожи на устройство обычного фотоаппарата. Инфракрасное излучение от нагретых предметов проходит через фокусирующую оптику и фиксируется инфракрасным сенсором (матрицей), далее полученное изображение поступает в цифровой электронный блок

---

, где оно обрабатывается и выводится на экран дисплея.

Электромагнитные волны инфракрасного диапазона распространяются в соответствии с законами оптики, поэтому фокусирующая система тепловизора собирает эти волны и фокусирует их на инфракрасный сенсор, так же как и обычная оптическая линза. Фокусирующая оптика имеет важную характеристику – угол обзора. Чем больше этот угол, тем большая часть наблюдаемой сцены попадает на экран дисплея, но вместе с тем снижается детализация изображения.

Инфракрасный сенсор или чип по своему устройству напоминает матрицу фотоаппарата, поскольку характеризуется разрешающей способностью, которая указывается в количестве пикселей. Чем выше разрешение, тем более детализированное изображение получается. Разрешающая способность подобных датчиков ниже, чем у оптических, примерно 160х120 или 320х240 пкс. У наиболее современных моделей разрешение может составлять до 1024х768 пкс.

Очень важной характеристикой инфракрасного сенсора является динамический диапазон. Это диапазон температур, в пределах которого все объекты с такими температурами будут отображаться на дисплее.
Цифровой электронный блок обрабатывает полученное от инфракрасного сенсора изображение, убирает помехи и шумы, например вызванные собственным излучением воздуха, накладывает на изображение полезную информацию и различные данные, а также может выполнять ряд дополнительных функций (фото-, и видеозахват, выделение особо нагретых областей и т.д.)

Дисплей тепловизора тоже имеет ряд важных характеристик: диагональ, яркость и разрешение. Разрешение дисплея может не совпадать с разрешением инфракрасного сенсора, тогда итоговое изображение будет искажено. Например, если разрешение дисплея будет ниже инфракрасного сенсора – может пострадать детализация, если разрешение дисплея будет выше инфракрасного сенсора – станет заметным некорректное расстояние до объектов.

Необходимо заметить, что в работе тепловизионного оборудования есть своя специфика, например оно не дает изображения через стекло, воду или блестящие объекты, так как эти поверхности действуют как зеркала в системе.
Устройство тепловизоров

Тепловизоры состоят из:

• 
  Объектива (линзы)
  
• 
  ИК детектора-микробалометра
  
• 
  МЭО –модуль электронной обработки
  
• 
  Дисплея
  

Линзы тепловизоров изготавливаются из металла германия. Есть разработки предлагающие альтернативные материалы, но их массовое производство пока не нашло широкого применения несмотря на обещанную дешевизну.

---

Диаметр линз может варьироваться от 10 до 100 миллиметров и более. Применительно к линзам, установленным на тепловизоры существует правило. Чем больше линза, установленная на прибор тем дальше тепловизор может обнаружить и распознать цель. Линзу меньших диаметров чаще ставят на монокуляры и прицелы, рассчитанные для использования накоротке. Линзы более крупные устанавливают чаще на бинокли и «дальнобойные» прицелы. Чем больше линза, тем меньше угол обзора, который вы сможете обозревать и тем больше кратность. И наоборот, чем линза меньше, тем угол обзора больше, а кратность меньше. Материал линзы – германий, дорог. Поэтому цена линзы влияет на стоимость прибора. Больше линза, прибор дороже.

Инфракрасный детектор - балометр
Все тепловизоры можно условно разделить на две большие группы. Это фотонные (охлаждаемые и неохлаждаемые) тепловизоры и тепловизоры базе тепловых детекторов (микроболометров). Первые используются в научных целях и на сложных производствах. Технические возможности фотонных тепловизоров значительно превосходят болометры, но и их цена выше на один два порядка. Размеры фотонных тепловизоров так же не способствуют их применению в быту. Болометры же намного дешевле, компактней и соответственно легче своих собратьев, что позволяет их применять в системах широко применяемых в народном хозяйстве.

МЭО Модуль электронной обработки.

Основной задачей этих устройств являются генерация управляющих сигналов болометра, восприятие потока данных и его «оцифровку», с последующей передачей на дисплей.

Сферы применения

При помощи аппарата определяется разница температур, при отсутствии контакта с объектами, они не реагируют на помехи, не могут быть обнаружены системами слежения, имеют большую дальность действия: от 100 м до 3 км. Эти принципы работы позволяют применять их в самых различных областях.

В военной технике

Новая современная техника поступает сегодня на вооружение, имея в своем арсенале встроенные тепловизорные камеры. Их использование позволяет вести боевые действия в условиях плохой видимости, обнаруживать противника и технику. Помимо этого, устройства устанавливаются на беспилотных самолетах и на технике, управляемой дистанционно.

В морских приборах

Охота

Обследование зданий

С помощью тепловизорных датчиков есть возможность обследовать любое сооружение, чтобы определить место утечки тепла. Результаты исследования станут весомым аргументом для того чтобы доказать плохое качество теплоизоляции стен. Для коммунальщиков применение тепловизора для обследования зданий – хорошее средство правильно определить проблемные зоны и направить силы на утепление конкретных мест.

---