Як працює тепловізор?

1. Принцип дії інфрачервоної камери
2. Основний елемент будь-якого тепловізора: матриця в фокальній області
3. Передача і аналіз теплових діаграм
4. Апаратне забезпечення тепловізорів
5. Обов'язково: Калібрування зміщення
6. Області застосування тепловізорів
7. Оптимізація технологічних процесів в полімерній промисловості
8. Застосування однорядковою камери в установках затвердіння скла
9. Повітряна термографія з легкими камерами
10. Вхідне в комплект ПО по термографії гарантує гнучкість
11. література

Побачити місця локального нагріву і отже слабкі місця нашого оточення було завжди захоплюючим процесом в сучасному тепловидения. Інфрачервоні камери зазнали істотних змін в плані поліпшення співвідношення ціна / продуктивність не в останню чергу завдяки все більш ефективним способам виготовлення інфраскрасно-оптичних датчиків зображення. Техніка стала більш дрібної, а пристрої більш міцними і невибагливими до витрати електроенергії. Як же працюють сучасні інфрачервоні камери?

Принцип дії інфрачервоної камери

Тепловізори працюють як звичайні цифрові камери: Вони мають полем зору, так званим Field of View (FOV), яке може становити як телеоб'єктива 6 °, стандартної оптики 23 °, а в якості ширококутний об'єктив 48 °. Чим далі перебуваєш від об'єкта вимірювання, тим більше що охоплюється область зображення і отже розмір кадру, який реєструє окремий піксель. Плюсом в цьому є те, що яскравість світіння при чималій площі не залежить від видалення. Завдяки цьому відстань до об'єкта вимірювання в значній мірі не впливає на процеси вимірювання температури. [1]

Теплове випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні може фокусуватися тільки за рахунок оптики з германію, сплавів германію, цинкових солей або за допомогою дзеркал з поверхневим покриттям. Така поліпшена оптика в порівнянні зі звичайними, що виготовляються великими партіями об'єктивами у видимій спектральної області все ще є значним фактором витрат при виготовленні тепловізорів. Вони виконані у вигляді сферичного 3-лінзового об'єктива або асферичного 2-лінзового об'єктива і повинні для термометричні правильних вимірів калібрувати саме на камерах зі змінними об'єктивами щодо їх впливу на кожен окремий піксель.

Основний елемент будь-якого тепловізора: матриця в фокальній області

Основним елементом будь-якого тепловізора, як правило, є матриця в фокальній області (FPA). Вона являє собою вбудований датчик зображення розміром від 20 000 до 1 мільйона пікселів. Кожен піксель сам є мікроболометр розміром від 17 x 17 до 35 x 35 мкм². Подібні теплові приймачі товщиною 150 нанометрів нагріваються за допомогою теплового випромінювання протягом 10 мс приблизно на одну п'яту різниці між температурою об'єкта і власної температурою. Подібного роду висока чутливість досягається за рахунок дуже низької теплоємності в поєднанні з чудовою ізоляцією інфрачервоної камери щодо вільного оточення. Коефіцієнт поглинання частково прозорою площі приймача збільшується за допомогою взаємодії пропущеної і потім відображеної на поверхні кремнієвого кристала світлової хвилі з подальшою пучком. [2]

Для використання даного ефекту самоінтерференціі поверхню болометра, що складається з оксиду ванадію або аморфного кремнію, повинна за допомогою спеціальних технологій травлення розташовуватися на відстані бл. 2 мкм від схеми зчитування. Відносить до поверхні і ширині смуги пропускання питома обнаружительная здатність описуваної тут матриці в фокальній області досягає значень близько 109 см Hz1 / 2 / W. Цим самим вона на порядок перевершує інші теплові датчики, які використовуються, напр., В пірометрах. За рахунок власної температури болометра знову змінюється його опір, яке перетворюється в електричний сигнал напруги. Швидкі 14-бітові аналого-цифрові перетворювачі оцифровує попередньо посилений і серіалізовані відеосигнал. Система цифрової обробки сигналу розраховує для кожного окремого пікселя значення температури і генерує в реальному часі знайомі псевдоцветной зображення або теплові діаграми.

Тепловізори потрібно досить дороге калібрування, при якому кожному пікселю для різних температур мікросхеми або чорного випромінювача потрібно присвоїти ряд величин чутливості. Для підвищення точності вимірювання матриці в фокальній області болометра термостатіруются при певних температурах з великою точністю регулювання.

Передача і аналіз теплових діаграм

Завдяки розробці все більш продуктивних, компактних і одночасно недорогих ноутбуків, ультра-мобільних ПК, нетбуків і планшетних ПК в даний час є можливість використання їх

• великих дисплеїв для подання теплових діаграм,
• оптимізованих літій-іонних акумуляторів для електроживлення,
• обчислювальної потужності для гнучкого високоякісного уявлення сигналу в реальному часі,
• ємності пам'яті для практично необмеженої за часом відеозапису теплових діаграм, а також
• інтерфейсів, напр., Ethernet, Bluetooth, WLAN і ПО для інтеграції термографической системи в середу користувача.

Стандартний і доступний інтерфейс USB 2.0 дозволяє при цьому передавати дані на швидкості

• 30 Гц з роздільною здатністю 320 x 240 пікселів і
• 120 Гц для форматів зображення 20 000 пікселів.

Введена в 2009 році технологія USB 3.0 підходить навіть для дозволу теплових діаграм стандарту XGA до 100 Гц. За рахунок застосування принципу веб-камер в області термографії з'явилися зовсім нові властивості продукції з істотно поліпшеним співвідношенням ціна / продуктивність. При цьому тепловізор в реальному часі підключається до ПК на базі ОС Windows © через інтерфейс зі швидкістю передачі даних 480 Мбод, який одночасно забезпечує і електроживлення.

Апаратне забезпечення тепловізорів

Стандарт USB служив раніше лише в якості засобу зв'язку офісної техніки. У порівнянні з шиною FireWire досить широке поширення даного стандарту інтерфейсу ініціювало численні розробки, які значно підвищили ступінь промислової придатності цього інтерфейсу і отже можливість використання кінцевих пристроїв зі стандартом USB 2.0, і перш за все інфрачервоних USB-камер. До них відносяться:

• кабель, здатний до експлуатації в якості енергоцепі і витримує навантаження до 200 ° C і довжиною до 10 м [3];
• кабельні подовжувачі до 100 м CAT5E (Ethernet) з підсилювачами сигналу;
• оптоволоконні USB-модеми для довжини проводів до 10 км.

Завдяки високій ширині пропускання сигналу USB-шини, можна, напр., До ноутбука підключати п'ять 120-гігагерцовий інфрачервоних камер за допомогою стандартного хаба через 100-метровий провід Ethernet.

Вологонепроникні, стійкі до вібрацій і ударів тепловізори серії optris PI відповідають класу захисту IP 67 і тому придатні для надійного застосування на випробувальних стендах. Розмір 45 x 45 x 62 мм ³ і маса 200 г істотно знижують при цьому витрати на установку корпусу охолодження і повітродувних насадок.

Обов'язково: Калібрування зміщення

Унаслідок термічного зсуву болометрів і їх обробки сигналів на мікросхемі всім виконують вимірювання інфрачервоним камерам потрібно з інтервалом в декілька хвилин коригування зміщення. З цією метою зачернённая металева деталь за допомогою електроприводу переміщається закриває передню частину сенсора. Завдяки цьому кожен елемент зображення налаштовується на однакову, відому температуру. Звичайно, в ході виконання такого калібрування зміщення тепловізори не працюють. Щоб якось знизити негативну дію подібного процесу, активацію коригування зміщення в певний час можна налаштувати за допомогою установки зовнішнього керуючого контакту.

До того ж камери розроблені так, що самокалібрування виконується максимально швидко: Настанова щодо швидких виконавчих елементів дозволяє виконувати самонастройку протягом 250 мс. Це можна порівняти з тривалістю змикання повік і тому прийнятно для багатьох процесів вимірювання. На конвеєрах, де необхідно виявляти несподівані місця перегріву, часто можуть використовуватися створені в реальному масштабі часу «хороші» контрольні зображення в рамках динамічного вимірювання різниці зображень. За рахунок цього може бути тривалий режим роботи без задіяння механічного елемента.

Саме при використанні камери технології лазерної обробки сигналів CO2 з довжиною хвилі 10,6 мкм добре себе зарекомендувала можливість закривання оптичного каналу за рахунок зовнішнього управління при одночасно незалежної сигналізації Оптомеханические захищеного режиму роботи камери. Завдяки хорошій блокування фільтрів вимірювання температури можуть проводитися «за місцем» для всіх інших обробних лазерів, що працюють в діапазоні від 800 нм до 2,6 мкм.

Області застосування тепловізорів

Основними областями застосування описуваних тут інфрачервоних камер optris PI є:

• Аналіз динамічних теплових процесів при розробці продукції і виробничих операцій
• Стаціонарне використання для безперервного контролю і регулювання термічних процесів
• Використання в окремих випадках в якості портативного вимірювального приладу при виконанні ремонтних робіт і для визначення місць витоку тепла
• Термографія в режимі польоту для важко переглядаються з землі поверхонь

Можливість 120-гігерцовой запису відеосигналу має ряд переваг і для області досліджень і розробок. Завдяки цьому, термічні процеси, які тільки на короткий час потрапляють в поле зору камери, пізніше зручно аналізуються в режимі уповільненого відтворення. Таким способом можна додатково створювати окремі зображення з подібного відеоряду з повним геометричним і термічним дозволом.

Крім цього, змінна оптика, включаючи насадку для мікроскопа, дозволяє адаптувати пристрій до різних завдань вимірів: Якщо об'єктиви з полем зору 6 ° використовуються скоріше для спостереження за деталями з великої відстані, то за допомогою насадки для мікроскопа можна вимірювати об'єкти розміром 4 x 3 мм ² з геометричним дозволом 25 x 25 мкм².

При стаціонарній установці тепловізорів їх оптично ізольований інтерфейс процесу має перевагу в тому, що отримана на підставі теплової діаграми температурна інформація передається далі у вигляді напруги сигналу. Крім того, що відносяться до поверхні коефіцієнти випромінювання або виміряні безконтактним або контактним способом значення контрольної температури можуть передаватися в систему камер через вхід напруги. Для документації по контролю і забезпечення якості продукції іншої цифрової вхід може активувати режим моментальної зйомки або режим відеоряду. Подібні, що стосуються окремих виробів зображення, можуть автоматично збережуться на центральних серверах.

Далі докладніше описуються два приклади застосування тепловізорів:

Оптимізація технологічних процесів в полімерній промисловості

Процес виготовлення пластмас, напр., Поліетиленових пляшок, вимагає певного нагріву так званої преформи, щоб при формуванні видувом пляшки гарантувати однорідну товщину матеріалу. Технологічна лінія в тестових робочих режимах обробляє заготовки товщиною лише 20 мм при повній робочої швидкості близько одного метра до секунду. Оскільки час проходу випробуваного зразка може змінюватися, необхідна запис відеоряду з частотою 120 Гц, щоб виміряти температурний профіль преформи. При цьому камера розташовується так, що рух матеріалу вона записує під косим кутом - подібно до останнього вагону потяга. В результаті цього отримують важливий для настройки параметрів нагріву температурний профіль на підставі інфрачервоного відеоряду.

Застосування однорядковою камери в установках затвердіння скла

Після нарізки остаточної форми конструкційного скла, часто потрібно його поверхнева гарт. Це виконується в установках затвердіння скла, в яких нарізане скло нагрівається в печі до температури 600 ° C. Після нагріву матеріал за допомогою рухомих валків подається з печі на ділянку повітряного охолодження, в якому відбувається швидке і рівномірно охолодження поверхні. Внаслідок цього утворюється важлива для безпечного скла дрібнокристалічна загартована структура. Дана структура і отже міцність скла залежить від максимально рівномірного нагріву всій поверхні виробу.

Оскільки корпус печі і ділянку повітряного охолодження розташовуються поруч, контроль переміщуваної з печі поверхні скла можливий тільки через невелику щілину. На теплової діаграмі матеріал з'являється тільки в декількох рядках. Тепер програмне забезпечення дозволяє отримати спеціальне зображення поверхні скла, що створюється з рядків або груп рядків. Камера вимірює щілину по діагоналі так, що при оптиці з полем зору 48 ° створюється поле зору 60 °. Так як скло в залежності від покриття поверхні може мати різні коефіцієнти випромінювання, інфрачервоний термометр вимірює на нижній, непокритою стороні скла точну температуру поверхні при оптимальній для поверхні скла довжині хвилі 5 мкм.

Повітряна термографія з легкими камерами

Поряд зі стандартними концепціями інтерфейсів вже стало можливим виготовляти інфрачервоні камери легкої конструкції , Які в комбінації з міні-ПК, напр., optris PI NetBox , Можна без проблем встановлювати на літальні апарати з дистанційним управління (напр., Квадрокоптера). Таким способом можна створювати теплові діаграми в повітрі, які використовуються в особливості для контролю великих об'єктів, напр., Фотогальванічних енергетичних установок.

Вхідне в комплект ПО по термографії гарантує гнучкість

Оскільки інфрачервоні USB-камери, починаючи з версії Windows XP використовують вже інстальовані стандартні драйвери USB Video Class або HID, ніякої установки драйверів не потрібно. Що відноситься до окремих пикселям коригування відеоданих в реальному часі і розрахунок температури виконується в ПК. Дивовижне для 20 000 пікселів датчика гарна якість зображення досягається за рахунок дорогого алгоритму рендеринга на базі ПО, який розраховує температурні поля в форматі VGA. Прикладне ПО відрізняється високою гнучкістю і мобільністю. Крім стандартних функцій ПО по термографії optris PIX Connect має такі властивості:

• Велике число даних і функції експорту теплових діаграм для підтримки звітів і автономних аналізів
• Змішані масштабовані колірні шкали
• Горизонтальні або вертикальні уявлення ліній
• Будь-яка кількість полів зору з окремими опціями тривоги

Засноване на контрольних зображеннях уявлення різниці відеоданих

Крім цього, ПО пропонує вікно компонування який зберігає і відновлює різні режими представлення даних. Редагування відео дозволяє обробляти радіометричні файли з розширенням AVI. Подібні файли можна аналізувати за допомогою паралельно використовуваного кілька разів ПО і в автономній режимі. До режимам відеозапису відносяться переривчасті режими роботи, які дозволяють записувати повільні термічні процеси і потім швидко їх переглядати. Передача даних в інші програми в реальному режимі часу здійснюється через детально задокументовані бібліотеки DLL, які є складовою частиною комплекту розробки ПО - Software Development Kits. За допомогою інтерфейсу DLL можна керувати будь-якими іншими функціями камери. Як варіант ПО може обмінюватися даними з послідовним Com-портом, і таким способом, напр., Безпосередньо задіяти інтерфейс RS422.

література

1. VDI / VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
2. Trouilleau, C. et al .: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17 μm pixel-pitch; "Infrared technologies and applications XXXV", Proc. SPIE 7298 2009
3. Schmidgall, T .; Glänzend gelöst - Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A & D Kompendium 2007/2008, S. 219
4. Icron Technology Corp .; Options for Extending USB, White Paper, Burnaby; Canada 2009