Реферати українською » Физика » Про тепловізорах


Реферат Про тепловізорах

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Зміст

Запровадження

1. Призначення, огляд розвиток виробництва і класифікація тепловізорів

2.Тепловизори зоптико-механическим скануванням

3.Тепловизори з електричним скануванням

4.Болометр

5. Застосування тепловізорів

Укладання

Список літератури


Запровадження

Успіхи, досягнуті за останню століття лідера в освоєнні інфрачервоного діапазону електромагнітного спектра, увінчалися створенням різноманітної інформаційної апаратури, і зокрема, тепловізорів - пристроїв, виділені на спостереження об'єктів з їхньої власному інфрачервоному випромінюванню. Попередники тепловізорів -теплогенератори були лише виявлятитеплоизлучающие об'єкти і безпомилково визначати ними напрям. З розвиткомтеплопеленгенераторов з'явилася можливість вільно використовувати їх лише зазначених цілей, але й візуальним спостереженням розподілу температуритеплоизлучающих об'єктів та його пізнання. Так стався логічний перехід відтеплогенераторов дотепловизорам. Можливість тепловізорів дистанційно оцінювати температурні поля була в реальному масштабі часу й без будь-яких порушень теплової середовища, неминучих під час використання контактних датчиків температури, викликала широке застосування тепловізорів у різноманітних галузях промислового виробництва, наукові дослідження й у медичній практиці.

Усі тіла, температура яких відрізняється від абсолютного нуля, є джерелом інфрачервоних променів. Характер випромінювання залежить відагрегатного стану речовини. Спектри випромінювання газів складаються, зазвичай, із окремих ліній і смуг, притаманних даного газу.Линейчатие спектри атомів і смугасті спектри молекул виявляються в тому разі, коли перебуває у розрідженому стані. При збільшенні зв'язок між частинками (наприклад, за зміни тиску і температури) лінії смуги розширюються і стаютьнерезкими.

Для спектрів рідин характерно великий впливмежмолекулярного взаємодії.Ширина смуг зростає й з'являються нові смуги, відсутні в спектрах газів. У твердих тіл внаслідок сильного взаємодії між молекулами спектри випромінювання стають суцільними, оскільки лінії поглинання виявляються широко розмитими і зливаються в смуги, а смуги — до дільниць суцільного спектра.

>Инфракрасное випромінювання є частиною оптичного випромінювання та посідає у спектрі електромагнітних хвиль діапазон, характерне довжинами хвиль від 0,76 до 1000мкм.. У оптичне випромінювання входять також рентгенівське випромінювання (> = 0,01...5 нм), ультрафіолетове (> = 0,005...0,40мкм) і видиме (> = 0,40...0,76мкм). Складові видимого випромінювання мають такі діапазони довжин хвиль: червона — 0,76...0,62мкм; помаранчева — 0,62...0,59мкм; жовта — 0,59...0,56мкм; зелена — 0,56... ...0,50мкм; блакитна — 0,50...0,48мкм; синя — 0,48...0,45мкм і фіолетова — 0,45...0,40мкм.

>Инфракрасное випромінювання посідає дуже протяжнуспектральную область, приєднуючись з одного боку до видимому випромінюванню, з другого — електромагнітним коливань радіодіапазону.Инфракрасную область спектра заведено поділяти чотирма частини: близьку (> = 0.76...3мкм),среднюю( = 3...6мкм), далеку (>= 6...15мкм) і дуже далеку (> = 15...1000мкм).

>Инфракрасное випромінювання як і, як й очевидний світло, поширюється в однорідної середовищі по прямий лінії, підпорядковується закону зворотних квадратів, може відбиватися, переломлюватися, перетерплюватидифракцию, інтерференцію і поляризацію. Швидкість поширення інфрачервоних променів дорівнює швидкості світла.

Характеризуючи випромінювання теплових джерел, виділяють три виду випромінювачів: абсолютно чорне тіло, сірі тіла, і селективні випромінювачі. Абсолютно чорне тіло — цеидеализированное поняття. За такої температурі воно випускає і поглинає теоретично можливий максимум випромінювання.

Більшість твердих тіл, особливо в діелектриків, напівпровідників і окислів металів, розподіл енергії випромінювання за широким спектром має такий самий характер, як і в абсолютно чорного тіла. Такі тіла називають «сірими». Вони характерні тим, причетне їхньої енергетичної світності до енергетичної світності абсолютно чорного кольору, яка має таку ж температуру, залежить від довжини хвилі і називається коефіцієнтом теплового випромінювання.

У принципі, сірих тіл й у природі немає, однак у обмежених спектральних діапазонах багато тіла з достатньої для практики точністю вважатимуться сірими. Запровадження поняття «сірого тіла» дозволяє вживати закони теплового випромінювання, виведені для абсолютно чорного тіла. Аналогічне припущення роблять під час розгляду випромінювання селективних випромінювачів, котрим коефіцієнтом теплового випромінювання вважають умовну величину, яка від низки параметрів випромінювача.

Нижче наведені основні формули і таблиці, необхідних інженерного розрахунку параметрів теплового випромінювання нагрітих тіл.


1. Призначення, огляд розвитку та класифікація тепловізорів

>Тепловизори — устрою, призначені для спостереження нагрітих об'єктів з їхньої власному тепловому випромінюванню. Вони перетворять невидиме оком людини інфрачервоне випромінювання в електричні сигнали, котрі після посилення і автоматичної обробки знову перетворюються на видиме зображення об'єктів.

На відміну від зображень в видимої і ближньої інфрачервоної областях спектра, отриманих з допомогою відображеного випромінювання об'єкту і відмінностей уотражательной здібності його елементів і відбиває фону, теплові (інфрачервоні) зображення створюються з допомогою власного теплового випромінювання об'єкту і визначаються відмінностями в певній температурі йизлучательной здібності його елементів і навколишнього фону. Зміни температури поверхні випромінювання об'єкта певною мірою відповідають деталей візуально що спостерігається картини, тому створювані тепловізором зображення на основному відповідають уявленням форму і розмірах аналізованих об'єктів.

Першим тепловізором умовно вважатимутьсяевапорограф, у якому різницю температур аналізованого об'єкту і навколишнього його фону перетворювалася на різницютолщин олійною плівки, нерівномірноиспаряющейся у процесі нагріву (>евапорография — реєстрація випаром).

У основу устроюевапорографа було покладено досліди ДжонаГершеля, що використовував дляевапорографии тонку фільтрувальну папір, змочену спиртом і закопчену із боку, зверненої донаблюдаемому об'єкту (1840 р.).

Уевапорографе Черні (1927 р.) використовувалося не випаровування спирту, а сублімація нафталіну і камфори. Під час Другої світової війни у Німеччини було створено удосконалений варіантевапорографа Черні —ЕУА. Аналогічний прилад було побудовано Кембриджі (США) в 1950 р. У у Радянському Союзі співробітникамиГОИ імені З. І. Вавилова розробилиевапорографЭВ-84. Всі ці конструкціїевапорографов належали до класунесканирующих тепловізорів і отримали широко він через властивих їм недоліків. Час, необхідну отримання зображення наевапорографах, досягало десятків секунд; що дозволяє здатність по температурі становить близько 1 °З [56, 63].

Іншим приладом, які належать до класунесканирующих тепловізорів, буведжеограф. Принцип його дії грунтується на температурної залежності довгохвильової кордону смуги власного поглинання деяких матеріалів (наприклад, селену): край смуги поглинання зміщується за зміни температури. Якщо за плівку селену пропускатимонохроматическое випромінювання від допоміжне джерело із довжиною хвилі, близька до довгохвильової кордоні смуги поглинання, інтенсивність котрий пройшов плівку випромінювання залежатиме від неї температури. Це належить основою устрою приладу, з допомогою якого було цікаво спостерігати і фотографуватитеплоизлучающие об'єкти.Эджеографпозволялфиксировать перепади температур порядку 10 "З при роздільної здатності 2лин./мм і голову постійної часу 2 мс [39, 40].

У післявоєнний період у низці країн почалася розробка скануючихпловизоров у яких використовувався методразвертивающего перетворення, запропонований радянським ученим Ф. Є.Темниковим. На початку цьогопе-иода ще було доведені до необхідної кондиції телевізійніпередаюшие трубки, чутливі в інфрачервоної області спектра, тому головну увагу зосереджена розробка тепловізорів з оптико-механічної системою сканування. Однією з головних характеристик таких систем сканування є час, необхідне аналізу теплового поля З цього погляду оптико-механічні системи сканування умовно класифікують втричі виду:низкоскоростние (час аналізу поля Тдо > 20 з),среднескоростние (0,5 з <Тдо< 20 з) і високошвидкісні (Тдо < 0,5 з).

Спочатку розроблялися тепловізори знизкоскоростной ісреднескоростной системами сканування. Так було вПотстдамской астрофізичної обсерваторії створили сканувальний тепловізор зболометром, мови у Франції — тепловізор зфоторезистором, США — авіаційний тепловізор щоб одержати теплових карт місцевості. Перший вітчизняний тепловізор середнього швидкодії було створеноВЭИ імені В.І. Леніна.

З 1960 р. почали розроблятися тепловізори зі швидкою кадрової розгорненням для літакових систем переднього огляду і різних наземних застосувань. У зарубіжній літературі такі прилади дістали назвуРЫК (від перших літер англійських слівForwardLookingInfa-Red — інфрачервоні прилади переднього огляду).

У одній із перших наземних системРЫК зоптико-механическим скануванням використовувалися дві які працюютьпреломляющие призми щоб одержати спіральної розгорнення зодноелементнимПИ з урахуваннямантимонида індію (>InSb). Миттєве полі становила 1 мрад при загальному зору 0,087 радий (5°), кадрова частота 0,2кадра/с, що дозволяє здатність по температурі 1 °З [56]. Досвідчені зразки літакових системРЫК створено і пройшли льотні випробування, у 1965 р. Результати були успішні, й у період (1965—1975 рр.) було розроблено кілька десятків і виготовлено кілька сотень таких систем [56].

Техніка створення тепловізорів досягла високого рівня розвитку із розробкоюодноелементних імногоелементнихПИ, мають чутливість, близьку до теоретичного межі, малу інерційність.Малогабаритние кріогенні устрою охолодження приймачів та постійний прогрес в мініатюризації електроніки забезпечили створення тепловізорів з невеликими габаритними розмірами малий споживанням потужності. У середовищі сучаснихтепловизорах зарубіжного виробництва застосовуютьПИ з урахуваннямтеллурида кадмію і ртуті, мають робочий діапазон довжин хвиль від 8 до 14мкм.

2.Тепловизори зоптико-механическим скануванням. Основні елементи тепловізорів зоптико-механическим скануванням

Для отримання видимого зображеннятеплоизлучающего об'єкта втепловизорах зоптико-механическим скануванням здійснюють розкладання (розгорнення) об'єкта на певна кількість елементарних майданчиків. Кожна така майданчик, звана елементом розкладання, є найменшої деталлю, яке може відтворити дана система. Аналіз потужності теплового випромінювання окремих елементів виробляєтьсяПИ, із виходу якого послідовно у часі знімаються сигнали, містять інформацію протеплоизлучающем об'єкті і оточуючому її тлі. Отже, двовимірне розподіляркостей у просторі об'єктів внаслідок сканування перетворюється на одномірне розподіл напруги нанагрузочномрезистореПИ. Сигнали з приймача передаються за одним каналу в індикатор відео устрою (СКУ), який перетворює в видиме зображення. Найчастіше за ролі індикатора СКУ використовують електронно-променеву трубку (кінескоп). Позаяк у кожен час на екрані кінескопа відтворюється лише одне піксел, закон руху електронного променя кінескопа може бути ідентичний закону розгорнення, яка досягається застосуваннямсинхронизирующих елементів.

Принцип дії тепловізора зоптико-механическим скануваннямчается наступного. Теплове випромінювання об'єкта (мал.1) і навколишнього його фону, витримавши шар атмосфери, розмежує тепловізор і спостережуваний об'єкт, фокусується об'єктивом 2 на чутливу майданчикПИ 4.Сканирующее пристрій 3 здійснює розгорнення об'єкта, послідовно спрямовуючи наПИ зображення різних елементів об'єкта Після посилення і перетворення телевізійного сигналу підсилювачем 5 'сигнал подається в індикатор СКУ 6, що формує видиме зображення об'єкта чи записує сигнал будь-яким реєстратором. У СКУ надходять такожсинхронизирующие сигнали від елементів 7, що пов'язують СКУ зісканирующим пристроєм.

>Рис. 2.1 Спрощена структурна схема тепловізора зоптико-механическим скануванням.

Структурні схеми реальних тепловізорів складніші, ніж розглянута схема. Крім згаданих основних елементів тепловізора до його складу можуть входити допоміжні елементи (устроюинформационно-измерительного забезпечення, елементи стабілізації відеосигналу, додатковий монітор з збільшеними розмірами екрана,стробирующее пристрій щоб одержати нерухомихтермограмм обертових об'єктів, насадки, дозволяють виробляти фото- і кінозйомки з екрана кінескопа та інших.). Зазвичай, втепловизорах зоптико-механическим скануванням об'єктив,сканирующее влаштування іПИ скомпоновано щодо одного блоці, званому тепловізійної камерою', підсилювач і перетворювачвидеосигналов, і навіть СКУ — у другому блоці. Можливо об'єднання обох блоків чи розміщення перших каскадів підсилювача (>предусилителя) в камері, де розташовуються елементи синхронізації, пов'язанікинематически зісканирующим пристроєм.

Однією із визначальних елементів тепловізорів зоптико-механическим скануванням, визначальним їх температурну чутливість і максимальну дальність дії, є приймач інфрачервоних променів. Утепловизорах застосовують два виду приймачів:одноелементние імного-елементние. Чутливі елементи приймачів єфото-езистори, провідність змінюється під впливом падаючого на випромінювання. Найпоширеніші в тепловізійної апаратурі плівкові (>PbS,PbSe) імонокристаллические (>InSb,HgCdTe)фоторезистори. Чутливість цих приймачів значно зростає зниженням температури чутливого шару, тому останній охолоджують до температури 77... 195 До, використовуючи при цьому спеціальні охолодні устрою (>криостати, термоелектричні холодильники, устрою, засновані на ефектДжоуля-Томсона, та інших.).

Головним параметром приймачів інфрачервоних променів єпорогчувствительности — мінімальний потік випромінювання, що викликає не вдома приймача сигнал, рівний напрузі шумів, чи перевищує їх у заданий число раз.

>Сканирующие пристрої і траєкторії сканування.

У оптико-механічних скануючих пристроях сканування виробляється шляхом зміни напрями оптичної осі приладу. У цьому загальне полі огляду послідовно аналізується миттєвим полем зору оптичної системи приладу.

Траєкторії сканування можуть бути дуже різноманітними (спіральна,розеточная, прямокутна,циклоидальная та інших.). Утепловизорах зазвичай застосовують телевізійну розгорнення: оптична вісь переміщається із постійною швидкістю з двох взаємноперпендикулярним напрямам. Рух за горизонталлю створюєстрочную розгорнення;прочерчиваемие і цьому лінії називаються рядками. Через війну пересування вертикалі, створюваного кадрової розгорненням, все рядки розташовуються одна під інший. За один період кадрової розгорнення відбувається передача нерухомого зображення, званого кадром.

>Оптико-механические скануючі устрою досить інерційними,. як засновані на коливальному чи обертальному русі порівняно великих оптичних деталей; тепловізори зоптико-механическимисканирующими пристроями чутливіші, ніж ізфотоелектроннимисканирующими пристроями, позаяк у перших ширина смуги частот підсилювачівфототока то, можливо обрано досить вузької. ЯкПИ втепловизорах зоптико-механическимисканирующими пристроями застосовуютьфоторезистори, чутливі до інфрачервоної області спектра (>InSb,HgCdTe). У цьому розрізняють тепловізори зодноелементнимприемником і двовимірним скануванням і тепловізори з лінійниммногоелементнимприемником і одномірною скануванням. Другому варіанту нині віддається перевагу, хоча зміна чутливості від елемента до елементу погіршує якість одержуваного зображення.

Сканування що коливалися пласкими дзеркалами. Для сканування теплового поля прямокутної форми приодноелементномПИ застосовують пласке дзеркало, яка скоює коливальні руху щодо двох взаємно перпендикулярних осей. Зміна становища дзеркала осягається через різних електромеханічних і електромагнітних приводів. У процесі сканування миттєве зору приладу рухається у площині розташування спостережуваного об'єкта, створюючи телевізійний растр.

Дзеркало розміщують або до об'єктива у паралельному пучку променів (рис. 2а), або за об'єктивом всходящемся пучку (рис. 2б). У першому випадку досягається високу якість зображення (через відсутність додаткових аберацій), та заодно розміри коливного дзеркала повинні прагнути бути великими й підвищити вимоги до якості виготовлення його що відбиває поверхні - жорсткими.


Якщо дзеркало нахилено під великим кутом до оптичної осі, то погане якість що відбиває поверхні викликає астигматизм у виконанні точечної джерела. При розташуванні дзеркала за об'єктивом розміри дзеркала можна зменшити, але нинішнього разі за повороті дзеркала поверхню зображення виходить пласкою, а сферичної і пляма залишкових аберацій збільшується.

>Построчное сканування з допомогою коливного плоского дзеркала призводить до відхилення растра від прямокутного, якщо дзеркало розміщено під деяким кутом g до оптичної осі (рис.2.3,а). Беручи за кількісну характеристику цього відхилення найбільше відносне зміна розмірів, відповідне краю полем зору ().>Сканирующее пласке дзеркало то, можливо жорстко закріплено на осі з

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація