Структурные и функциональные схемы тепловизоров с электронным сканированием
Тепловизоры с видиконом. В передающей камере тепловизора с электронным сканированием изображение наблюдаемого объекта проецируете» мощью оптической системы на мишень телевизионной передающей типа видикон, чувствительной к коротковолновому инфракрасному излучению, которая преобразует электронное изображение в видеосигнал (рис. 6.1)
Рис. 3.1. Структурная схема тепловизора с электронным сканированием: -- оптическая система; 2 -- блок передающей Телевизионной трубки; 3 -- блок кадровой и строчной разверток передающей трубки; 4 -- предварительный усилитель видеосигнала; 5 -- видеотракт ;6-генератор гасящих и синхронизирующих импульсов;7- блок приёмной телевизионной трубки;8- блок кадровой и строчной разверток приёмной трубки; ; 9 -- блок синхронизации
Для развертки изображения на отклоняющую систему трубки подаются напряжения пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемые блоком развертки. Согласование во времени движения электронного луча по экрану приемной трубки с движением луча по мишени передающей трубки осуществляется с помощью синхронизирующих импульсов, подаваемых во время обратного хода луча. При этом системы развертки передающей приемной трубок должны работать синхронно и синфазно.
Синхронизирующие импульсы формируются на передающей части телевизионной системы и замешиваются в видеосигнал. Видеосигнал, состоящий из сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называются полным телевизионным сигналом. Он поступает на приемную телевизионную трубку, изменяя яркость свечения экрана. Для получения изображения электронный луч приемной трубки перемещается по плоскости экрана воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемную трубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, где синхронизирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные и кадровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемной трубки.
Тепловизор с электронным сканированием содержит следующие основные блоки;
оптическую систему, представляющую собой объектив, изготовленных из оптического материала, который пропускает инфракрасное излучение в спектральном диапазоне чувствительности видикона;
блок передающей телевизионной трубки, состоящий из самой передающей трубки, чувствительной к инфракрасному излучению, а также из фокусирующей и отклоняющей системы (ФОС). Последняя состоит из двух пар катушек для отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих катушек помещается фокусирующая катушка. Иногда для повышения качества изображения в ФОС вводят корректирующие катушки, исправляющие траекторию луча на краях растра. Габариты ФОС отечественного производства: диаметр 60 мм, длина 115...142 мм;
Генератор строчной развертки генерирует пилообразные напряжения с частотой 15625 Гц (при стандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с), а генератор кадровой развертки -- пилообразные напряжения с частотой 50 Гц;
предварительный усилитель видеосигналов;
видеотракт, состоящий из видеоусилителя и ряда каскадов, необходимых для замешивания в видеосигнал различных служебных сигналов. На выходе видеотракта получается полный телевизионный сигнал положительной полярности с размахом порядка 1 В на нагрузке 75 Ом и отношением сигнал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до 7,5 МГц;
синхрогенератор, вырабатывающий кадровые синхронизирующие импульсы, кадровые и строчные гасящие импульсы приемной и передающей трубок;
блок синхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала синхронизирующие импульсы, которые поступают на блок развертки приемной телевизионной трубки;
блок приемной телевизионной трубки, состоящий из самой приемной трубки (кинескопа) и ФОС;
блок кадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
К тепловизорам с электронным сканированием относится прибор ДТП' 103 (рис. 3.17), предназначенный для анализа тепловых полей и разработанный в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики АТП-103 позволяет исследовать в реальном масштабе времени стационарные тепловые поля сравнением теплового излучения эталонного и исследуемого объектов в диапазоне температур 250--1200 °С с погрешностью ± 1 % .
Качественный анализ исследуемого объекта проводят по черно-белому полутоновому изображению теплового поля на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) с пропорциональной зависимостью яркости от температуры. Количественные измерения проводятся сравнением мощности излучения от объекта и эталонного излучателя, либо методом изотерм, который позволяет выявить на экране ВКУ области, температура которых превышает установленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложением их на изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет измерять температуру по выделенной строке, для чего профилограмму выводят на экран осциллографа.
Излучение от исследуемого объекта поступает через объектив и фильтр на мишень видикона, чувствительного в инфракрасной области спектра. Полученный на мишени потенциальный рельеф считывается электронным пучком, отклонение которого по строкам и кадру выполняется ФОС. Выходной сигнал видикона после усиления поступает в блок обработки сигнала (БОС),где формируется стробирующии импульс по строкам и кадру. Он определяет геометрические размеры зоны, в которой измеряется температура методом замещения. В БОС амплитуда сигнала видикона, пропорционального температуре в контролируемой зоне объекта, сравнивается с амплитудой сигнала, получаемого от эталонного излучателя. Изотермы формируются на компараторе; на его вход поступают сигналы от эталонного источника напряжения и выходной видеосигнал, привязанный к заданному уровню. Сигналы, формирующие теплопортрет, изотермы и стробирующие импульсы, суммируются и поступают на ВКУ, на экране которого воспроизводится изображение исследуемого объекта.
Технические характеристики тепловизора: температурное разрешение 3 °С (при температуре объекта 310 °С); поле зрения 4 X 6°; геометрическое разрешение не хуже 5 мрад; число кадров в секунду 25; число строк в кадре 625.
Тепловизор АТП-103 конструктивно выполнен в виде четырех блоков: приемной камеры, БОС, ВКУ и пульта управления. Связь между ними осуществляется кабелями со штепсельными разъемами.
Болометры
Полупроводниковый болометр -- это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).
Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов (толщиной до 10 мкм). Один из термисторов болометра является активным, т. е. непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термистора изменяется в результате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот. Второй термистор -- компенсационный, служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды. Компенсационный термистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационный термисторы помещают в один герметичный корпус.
Болометры обычно имеют три внешних вывода -- от активного и комленсационного термисторов и от средней точки.
Для характеристики болометров используют следующие параметры: 1) сопротивление активного термистора болометра при комнатной температуре; 2) рабочее напряжение; 3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистого потока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на вход усилителя, к мощности излучения, падающего на болометр; 4) порог чувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр; 5) постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного термистора; 6) уровень собственных шумов.
Полупроводниковые болометры применяют в различных системах ориентации; для бесконтактного и дистанционного измерения температур и т. д.
Применение тепловизоров
После создания первых тепловизоров длительное время считалось статочным качественное наблюдение теплоизлучающих объектов. Затем появилась необходимость количественного измерения температурь объектов по получаемым термограммам. В настоящее время применение тепловизоров для дистанционного измерения температурных полей является одним из важных приложений тепловидения, используемых при неразрушающем контроле различных объектов.
Измерить истинную температуру нагретого тела с помощью тепловизора сложно. Практически измеряются не истинную (Т), а так называемую радиационную (Т%) температуру -- температуру абсолютно черного тела, при которой его энергетическая светимость Ме равна энергетической светимости нечерного излучателя с коэффициентом теплового излучения (Т).
На основании закона Стефана-Больцмана Ме = (Т) Т4 = , откуда
=
Величина определяется по показаниям тепловизора, отградуированного по черному телу.
Такой способ измерения радиационной температуры применяют в тех случаях, когда в тепловлзоре используется неселективный ПИ (например пирикон).
Величина Т зависит от коэффициента теплового излучения, знание которого и его зависимость от температуры необходимы для правильной интерпретации результатов измерений и количественной оценки температуры тела.
Влияние отраженного объектом излучения окружающей среды на определяемую температуру учитывают, вводя эквивалентный коэффициент тепловою излучения
, где -- температура окружающей среды.
Если Т - Токр Т, то
Контроль состояния облицовки плавильных печей.
Сталеплавильные печи облицованы изнутри керамическими огнеупорными материалами. По мере эксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается расплавленным металлом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производства на 3...4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерения температуры внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать области разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимально возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно. Диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог. С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог . При этом для массового контроля и выявления неисправностей контактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть не ниже 5 °С, диапазон измеряемых температур -- 20... + 150 °С; поле зрения 20 X 10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.
Критерием состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температура изолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2...0,4 °С. Для выявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурная чувствительность должна быть не ниже 0,1 °С; диапазон измеряемых температур -- 20...+50°С; поле зрения 3 X 5°, мгновенный угол зрения 5'.
Наличие хотя бы одного исправного изолятора в гирлянде (в тяговой с постоянного тока) не позволяет выявить дефектные изоляторы тепловизионным1 способом, так как через гирлянду не проходит ток утечки.
Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляци высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °С.
Тепловые процессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Эти воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от её конструкции. Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано.
Эта задача успешно решается с помощью специального тепловизора снабженного дополнительным устройством, получившим название “термостроб”. Оно позволяет видеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение вращающегося объекта. Применяя тепловизор с термостробом, можно наблюдать тепловое изображение вращающейся покрышки во время динамических испытаний и фиксировать участки ее перегрева.
К областям применения тепловизоров в промышленности и науке при исследовании температурных полей относят также следующие:
измерение температурных режимов при изготовлении бумаги, листового проката металла, производстве стекла, резины и пластика, бетонных и железобетонных изделий:
испытание стекол с электрическим подогревом для автомобилей и самолетов;
измерение температуры вращающихся деталей машин, а также металлических деталей и инструментов при обработке на станках;
изучение процессов теплопередачи в моделях, испытываемых в аэродинамических трубах;
исследование распределения температуры в газовой струе авиационных двигателей;
определение температуры поверхности ИСЗ в камерах, моделирующих космические условия полета;
контроль качества защиты атомных реакторов электростанций; определение положений подземных и скрытых коммуникаций;
контроль уровня и положения теплых или холодных жидкостей в резервуаре;
непрерывный контроль обмуровки вращающихся обжиговых печей в процессе их работы;
определение потерь в зубчатых зацеплениях:
дефектоскопия материалов и отдельных конструкций при проведении статических и динамических испытаний;
определение областей перехода ламинарного режима течения в турбулентный при аэрофизических исследованиях;
дефектоскопия болтовых и заклепочных соединений;
неразрушающий контроль неметаллических материалов;
исследование внутренней коррозии баков и цистерн;
контроль качества сварки тонкостенных конструкций по термограммай сварного шва, на который подается импульс тока;
изучение теплоизоляции труб искусственных катков;
исследование тепловых эффектов в клинических и биологических процессах и др.
С развитием тепловизионной техники область применения тепловизоров для анализа тепловых полей непрерывно расширяется. В СССР и за рубежом для этого созданы специальные типы приборов.
Снятие тепловых карт местности.
Использование тепловизоров для снятия тепловых карт местности основано на дистанционном измерении температуры земной поверхности с самолета или с ИСЗ. Получаемые тепловые карты несут информацию об энергетическом состоянии исследуемых участков поверхности Земли, что используется для решения различных научных и практических задач.
Тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, тепломагистраля, дренажных устройствах, позволяет своевременно обнаруживать очаги зарождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров сквозь пелену сплошного дыма, а также границы пожаров горючих ископаемых по скрытым очагам в штабелях угля, сланцев, шахтных отвалов и т. д.
Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется использованию самолетных тепловизоров при борьбе с лесными пожарами. При этом выявляют три основные задачи : обнаружение малых (площадью не менее §5 м2) очагов зарождающихся пожаров с температурой 600...700 °С; картирование контуров охваченного огнем значительного участка леса или торфяного болота сквозь сплошную пелену дыма, когда визуальные методы неэффективны; контроль за затухшим или затухающим пожаром, обнаружение участков кромки, где можно ожидать вторичного возгорания.
Тепловые карты применяют также для изучения океанских течений , обусловленных стоком рек; обнаружения заболеваний лесной и сельскохозяйственной растительности; определения мощности и возраста льдов, прогнозирования образования ледовых трещин; исследования природных ресурсов Земли и т. д.
Тепловые карты существенно отличаются от обычных аэрофотоснимков, так как в формировании последних участвует отраженное излучение, в формировании тепловых карт -- отраженное и собственное излучение, а в ряде случаев лишь последнее. Поэтому на тепловых картах обнаруживаются нагретые объекты или участки местности, которые не выявляются на фотоснимках. Особенностью тепловых карт является зависимость динамики тепловых процессов, протекающих в течение суток. В связи с этим тепловые карты, полученные в разное время даже от одних и тех же объектов отличаются друг от друга.
Основные требования, предъявляемые к тепловизионной аппаратуре для снятия тепловых карт местности: рабочий спектральный диапазон должен соответствовать спектральным областям наибольшего пропускания инфракрасного излучения атмосферой и областям максимального излучения исследуемой поверхности; чувствительность и разрешающая способность должны позволять обнаруживать и регистрировать мелкие объекты с малыми температурными контрастами; угол обзора должен быть достаточно большим, но при этом ухудшение разрешающей способности на краю поля обзора не должно превышать допустимые значения.
Тепловизоры, предназначенные для снятия тепловой карты местности и устанавливаемые на летательных аппаратах (ЛА), выполняют сканирование мгновенного угла зрения только в плоскости, перпендикулярной направлению полета, обеспечивая просмотр по строке. Просмотр по кадру осуществляется за счет прямолинейного движения носителя аппаратуры. Обычно в таких тепловизорах применяют систему с оптико-механическим сканированием, реже -- системы с электронным сканированием и самосканированием (на основе приборов с зарядовой связью, чувствительных в ИК. области спектра).
Предупреждение столкновений кораблей при их движениях на встречных курсах.
В корабельном тепловизоре, предназначенном для навигации в ночных условиях и предупреждения столкновений кораблей при их движении на встречных курсах, узел сканирования выполнен по схеме, но с вертикальной осью вращения зеркальной пирамиды (рис. 5.12). Головка прибора помещена в кардановый подвес и связана электрическими проводами и трубопроводами охлаждения ПИ с корпусом, который устанавливают на корабельной мачте. Для получения четкого изображения наблюдаемых теплоизлучающих объектов необходима большая частота вращения зеркальной пирамиды.
Достаточно большой кинетический момент вращающейся пирамиды используется в системе гироскопической стабилизации оси визирования тепловизора при качке корабля .
Медицинская диагностика.
Появление и развитие тепловидения позволило реализовать идею использования инфракрасного излучения человеческого тела для медицинской диагностики. Одно из первых сообщений о возможности радиометрического обнаружения опухоли молочной железы было сделано Р. Лоусоном , который показал, что температура над опухолью может отличаться от температуры тела в среднем на 1°. При клинических исследованиях была получена определенная корреляция между ростом температуры и степенью развития злокачественной опухоли. В результате исследований с применением эвапорографа оказалось, что этот прибор может быть использован для проведения профилактических обследований подобно тому, как флюорография применяется при обнаружении ранней стадии туберкулеза. Применение тепловизоров для исследования собственного теплового излучения тела человека позволило установить ряд показателей физиологического состояния его организма, связанных с распределением температуры по поверхности кожного покрова.
Тепловидение значительно расширяет обычные области применения ИК техники в медицине, так как позволяет не только фотографировать освещенную ИК лучами поверхность тела человека и расположенные вблизи от нее сосуды, но и наблюдать изображения, создаваемые собственным тепловым излучением тела. Особенность наблюдения в этой области ИК спектра состоит в том, что различные предметы, окружающие наблюдаемую поверхность, имеют близкую к ней температуру. Вследствие этого радиационные контрасты оказываются недостаточными для непосредственного наблюдения: даже разность температур 1 °С создает при длине волны 10 мкм контраст, примерно равный 1 %, что вдвое меньше минимального контраста, еще различимого глазом.
Причины возникновения температурных перепадов на поверхности тела человека продолжают широко обсуждаться, однако не вызывает сомнений прямая связь поверхностных температурных эффектов с процессами, происходящими в организме. Наряду с чисто физической природой возникновения температурных перепадов, существует еще зависимость их от работы вегетативной нервной системы, вызывающей при любых изменениях тепловой энергии внутренних органов эффект изменения кровенаполнения в сопряженной с ними подкожной сосудистой сети в рефлексогенной зоне, соответствующей данному органу, и, как следствие, изменения температуры. Свойства человеческой кожи в ИК диапазоне по излучательной способности близки к абсолютно черному телу. Среднее значение коэффициента излучения кожи принимают равным 0,97 и по различным данным он может иметь значение в пределах 0,84... 1,00, что приводит к ошибкам определения истинной температуры. Так, различия коэффициентов излучения кожи в 1 % эквивалентно перепаду температур в 1 °. Спектральный максимум излучения кожи = 10.мкм. Изменение температуры фона также влияет на точность измерений,, например, при ее изменении от 25 до 15 °С ошибка составляет 0,3 °С при = 0,95, а при = 0,83 -- 1,2 °С, т. е. погрешность измерения температуры растет при уменьшении 8. Температуру фона следует поддерживать с точностью С, что при = 0,97 обеспечит погрешность, не превышающую 0,05 °С.
Инфракрасное излучение в диапазоне 0,7...0,9 мкм проникает сквозь кожу на глубину около 3 мм, что позволяет регистрировать сосуды при освещении пациента ИК источником. Регистрация изображения в ближней ИК области возможна как с использованием соответствующих фотоматериалов,, так и аппаратуры на базе электронно-лучевых трубок типа видикон, электронно-оптических преобразователей.
Важное значение в медицинской тепловизионной диагностике имеют аппаратура, методики ее использования, помещение, где она установлена. В ГОИ имени С. И. Вавилова имеется «Планировочно-технологическое решение кабинета» для оснащения вновь строящихся лечебных учреждений, термографическими кабинетами, предназначенными для диагностики различных заболеваний и проведения массового профилактического осмотра населения.
Тепловидение является хотя и эффективным, но дополнительным методом при диагностике различных заболеваний; полезно сочетание тепловизионного метода исследования с другими, например, рентгенологическим, ультразвуковым, радиоизотопным, лазерным, охватывающими более широкий спектр электромагнитных волн [100].
Применяя иглотерапию или электроакупунктуру, также наблюдают с помощью тепловизора изменение порядка на 1 °С теплового поля кожи, позволяющее судить о ходе лечения, например, такого заболевания, как неврит лицевого нерва, биологически активные точки (БАТ), как правило, располагаются в областях с повышенной радиационной температурой. Отдельные БАТ могут наблюдаться тепловизором, особенно если в нем предусмотрено подавление низкочастотных составляющих спектра видеосигнала. Созданная в древности координатная привязка БАТ к поверхности тела человека достаточно универсальна. Поэтому предпринимаются попытки использовать существующую координатную привязку БАТ для систематизации тепловых полей человека и установления их связи с местоположением Б'АТ в частности с целью создания алгоритмов машинной диагностики заболеваний. Для координатной привязки термограммы и поверхности тела разработана система обозначений, упрощающая описание термограмм, статистическую обработку экспериментальных результатов.
Решение задач медицинской диагностики облегчается при наличии эталона, так называемой нормальной термограммы. Выявление разницы между нормой и патологией зависит от квалификации врача термолога. Наиболее полезным является периодическое, в течение жизни человека, его термографированне для сравнения настоящей и предыдущих термограмм. Для обнаружения патологии необходимо знать ориентировочные значения перепадов и абсолютных значений температур различных участков тела.
Заключение
Тепловизоры имеют огромное значение в настоящее время, и имеют большой спектр применения. Их применяют для снятия тепловых карт местности, тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, позволяет своевременно обнаруживать очаги зарождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров и т. д. А так же их применяют в медицине. Разработаны многочисленные методические рекомендации по применению тепловидения, например, при травмах опорно-двигательного аппарата, в диагностике повреждений нервных стволов верхних конечностей, урологии, органов дыхания и т. д. А так же тепловизоры используют для предупреждения столкновений кораблей на их движении на встречных курсах, при испытании автопокрышек, для контроля облицовочных плавильных печей и т. д.
Литература
1. Драгун В.Л. Тепловизионные системы в исследовании тепловых процессов./М.: Наука, 1967. - 256 с.
2. Криксунов Л.З. Тепловизоры./Киев.: Техника,1987.- 287 с.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы/М.: Высшая школа,1981.- 476 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики./М.: Астрель,2003.- 368 с.
5. Сивухин Д.В. Общий курс физики./М.: ФИЗМАТ МФТИ, 2002.- 782 с.