Развитие тепловизионной техники

24.03.2015

Многие типы приемников были известны еще в XIX, но изготовить полноценную тепловизионную систему не могли долгое время. Возьмем, к примеру, болометр. Принцип работы данного приемника излучения основан на возможности менять свое электрическое сопротивление в зависимости от теплового потока, падающего на приемник.

Допустим надо получить картину 100 на 100 точек с частотой 10 кадров в секунду. Для этого необходимо, чтобы одноэлементный приемник реагировал на сигналы с частотой 100000 Гц. Инерционность болометров на три порядка хуже. Для получения тепловизионной картины требовались приемники с гораздо более высоким быстродействием. Это стало возможным с появлением фотоприемников, быстродействие которых доходит до нескольких миллионов реакций в секунду. Однако для работы фотоприемников требуется глубокое охлаждение до температуры около минус двухсот градусов Цельсия. Кроме этого необходимо принимать во внимание, что атмосфера прозрачна только в определенных спектральных диапазонах, а также то, что с ростом температуры максимум излучения смещается в область более коротких длин волн.

Наиболее широко используемые окна прозрачности атмосферы – это 3-5 мкм и 7-14 мкм. В области 3-5 мкм имеют максимум излучения объекты с температурой от 300 до 700 градусов Цельсия, а в области 7-14 мкм имеют максимум излучения объекты с температурой от -60 до 140 градусов Цельсия. Исходя из задач термографии, очевидно, что больший интерес представляет спектральный диапазон 7-14 мкм.

Вся история развития тепловизионной техники показывает, как производители инфракрасной техники стремились улучшить чувствительность, уменьшить размеры и вес, повысить надежность и быстродействие, а также изготовить прибор, работающий без дополнительного охлаждения и в определенном спектральном диапазоне.

Самым чувствительный материал одноэлементных тепловизоров — антимонид индия InSb, но он работает в спектральном диапазоне 3-5 мкм. В диапазоне 7-14 мкм самым известным материалом фотоприемников является кадмий-ртуть-теллур HgCdTe.

Первым способом охлаждения приемников – был способ охлаждения с помощью жидкого азота, температура которого составляет минус 196 градусов Цельсия. Кроме этого для тепловизоров с одноэлементными приемниками излучения требовалась механическая система развертки, которая формировала изображение объектов.

TVS2000

Тепловизор AVIO TVS-2000

Все это обуславливало то, что первые гражданские тепловизоры, выпущенные в 60-х годах ХХ века, весили около 35 кг, им требовалось сетевое питание, тележка для перемещения, а также жидкий азот для охлаждения. Развитие электроники в 70-х – начале 80-х годов ХХ века привело к тому, что стало возможно питание тепловизоров от аккумуляторов и снижение веса до 12 кг. При этом появилась возможность фиксации тепловой картинки на видеомагнитофон с последующей обработкой записанной информации на специализированном компьютере. Пространственное разрешение таких тепловизоров было около 150 на 150 элементов, а частота кадров не превосходила 10 Гц.

TH5104

Тепловизор NEC TH5104

Дальнейшее развитие новых технологий позволило в конце 80-х – начале 90-х годов ХХ века за счет применения протяженных приемников снизить глубину охлаждения. Такие приемники работали при температуре около минус 80 градусов Цельсия. Это был настоящий прорыв в производстве тепловизионной техники. Охлаждение осуществлялось с помощью термоэлектрического холодильника и не требовало жидкого азота. Приборы стали компактнее и их вес снизился до нескольких кг. Применение цифровой обработки сигнала дало возможность записывать информацию на стандартную дискету, которую можно было прочитать на любом персональном компьютере. Пространственное разрешение достигало 256 на 256 элементов, а частота кадров была около 20 Гц. Казалось, что это предел для тепловизоров, который был достигнут с использованием одноэлементных приемников. Требовалось радикальное изменение схем построения приборов.

Ближе к середине 90-х годов ХХ века такой революцией стало применение матричных технологий. Первые матрицы требовали охлаждения. В качестве такого холодильника была использована машина Стирлинга. Преимуществом было то, что охлаждение до температуры около минус 200 градусов Цельсия происходило в замкнутой системе. Недостатком было большое потребление энергии, недолговечность и длительный выход в рабочий режим после включения. Новый прибор был готов к работе через 5-10 минут. После нескольких лет эксплуатации данное время могло быть увеличено вдвое. Для стационарных систем это не имеет большого значения и практически все современные тепловизоры на матрицах с квантовыми приемниками излучения имеют охлаждение с помощью машины Стирлинга. Изначально такие тепловизоры имели чувствительность около 0,01 градуса Цельсия, размер матрицы 256 на 256 элементов, частоту кадров свыше 50 Гц и вес около 2 кг. В настоящий момент идет улучшение данных параметров и усовершенствование функциональности приборов.

Что касается портативных тепловизоров на охлаждаемых матрицах, то их преимущества имели меньшую значимость, чем их недостатки. Более того спектральный диапазон был 3-5 мкм, а хотелось получить наиболее компактный инструмент, который бы работал в диапазоне 7-14 мкм.

Так во второй половине 90-х годов ХХ века стали производить болометрические матрицы, которые функционировали в данном диапазоне и не требовали дополнительного охлаждения. Практически все современные портативные приборы основаны на этой технологии. Они имеют пространственное разрешение от 16 на 16 до 640 на 480 элементов, чувствительность около 0,1 градуса Цельсия, частоту кадров 50-60 Гц и вес от нескольких сот грамм до килограмма с небольшим.

В связи с доступностью матричных технологий производство тепловизоров с начала ХХI все больше и больше смещается в Юго-Восточную Азию.


Применение пирометра LumaSense Impac IPE 140/45 в составе системы LumaSense FEGT для измерения температуры газа на выходе из топки Современные тепловизоры
Применение пирометра LumaSense Impac IPE 140/45 в составе системы LumaSense FEGT для измерения температуры газа на выходе из топки
Современные тепловизоры

OOO Диагност | Адрес: 105187, г. Москва, Окружной проезд, д. 15, корпус 2 Телефон: 8 (495) 783-39-64 Электронная почта: diagnost@diagnost.ru
©1991-2015 OOO "Диагност". Продажа диагностических и измерительных приборов: тепловизоры, пирометры, дефектоскопы, толщиномеры, течеискатели, твердомеры, анализаторы металлов и сплавов, электроизмерительные приборы. Яндекс.Метрика