Как работает тепловизор 🚩 виды тепловизоров 🚩 Hi-Tech 🚩 Другое

Тепловизоры: принцип работы и особенности производства

Тепловизор — специальное приспособление, используемое для наблюдения за распределением температуры на поверхности или внутри объекта. Работа тепловизора непосредственно связана с термографией — научным способом получения изображения в инфракрасным лучах.

Инфракрасная камера в тепловизоре бесконтактным образом фиксирует теплое излучение того или иного объекта, преобразовывая его в цифровой сигнал, который затем передается на устройство и отображается на мониторе в виде тепловизионной картинки.

Одной из основных проблем производства тепловизоров является высокая стоимость материалов для сборки матрицы и объектива, которые, по сути, составляют 90% от стоимости конечного товара. Матрицы производятся очень долго и требуют наличия узкоспециализированных специалистов, а при производстве объективов используются такие дорогостоящие материалы, как кремний или германий.

Особой дороговизной обладают тепловизоры третьего поколения, то есть стационарные тепловизоры, которые используются в промышленности и строительстве: при их производстве используются полупроводниковые матрицы и микроболометры из кремния.

Тепловизор часто путают с прибором ночного видения. Прибор ночного видения усиливает попадающий в поле зрения свет, иногда ослепляя при встрече ярких объектов, а тепловизор просто улавливает тепловую энергию объекта и передает ее.

Сферы применения тепловизоров

Тепловизоры обладают широкой сферой применения как на крупных предприятиях, так и в небольшим организациях. В данных случаях они чаще всего используются для слежки за температурой объектов и помогают в поиске неисправностей в системе электропроводки.

Огромное распространение тепловизор получил в строительстве: так, при сооружении больших конструкций тепловизор помогает обнаружить источники теплопотерь, оценить изоляционные свойства конструкции и отдельных материалов, на основе чего сделать вывод о качестве строительных материалов.

Спасатели и пожарники также используют тепловизоры: в условиях сильной задымленности и плохой видимости тепловизоры помогают определить очаги возгорания, проанализировать обстановку и найти путь эвакуации. Также используется при поиске пропавших людей в лесах или под обвалами зданий.

Интересный факт: впервые в сфере медицины тепловизоры начали использоваться в СССР — уже в 80-е годы тепловизоры использовались для диагностики заболеваний, в нейрохирургии, а также для выделения больных гриппом лиц из толпы людей.

Особое и наиболее широкое распространение в настоящее время получают тепловизоры, используемой в военной технике и оружии. Так, прицелы, оснащенные тепловизором, позволяют обнаружить живые силы противника в любой время суток, несмотря на применяемую противником маскировку (камуфляж). Тепловизоры также используются в вертолетах и бронетехнике — там они работают в качестве одного из элементов прицельного комплекса.

Прицелы с тепловизором для автоматического оружия существуют, но, в силу своей дороговизны, не нашли применения ни в России, ни где бы то ни было еще.

Поговорим немного о тепловизорах

   Обзор тепловизионных приборов: классификации, характеристики, параметры и обозначения

1. Принцип работы тепловизора

     Тепловизоры — это устройства, которые позволяют преобразовывать не отраженное, а собственное излучение объектов, живых объектов, животных в видимое изображение. 
    У каждого тепловизора есть: 
— объектив, который чаще всего производится из редкоземельного металла Германия. Так как это металл, то германий непрозрачен для света, он прозрачен только для тепловых волн; 
— 

матрица, которая является детектором(как в любом фотоаппарате). Только в тепловизоре матрица чувствительна только для теплового спектра; 
— электроника, которая преобразует сигнал матрицы в видеосигнал; 
— микродисплей с окуляром, через который мы изображение и наблюдаем.

2. В чем отличие тепловизоров от, уже известных охотникам, приборов ночного видения?

     ПНВ (приборы ночного видения) отличаются от тепловизионных приборов тем, что ПНВ работаю с отраженным светом. Т.е. какой-либо источник света должен присутствовать, они не могут работать в полной темноте. Тепловизионные приборы работают с собственным излучением, т.е. любое животное, а также любой объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля, излучает тепловые волны. На регистрации и преобразовании этих тепловых волн и построен принцип работы тепловизора.

3. Какие наиболее важные характеристики тепловизоров, используемых на охоте?

     Основная характеристика для любого охотничьего тепловизора – это дальность обнаружения и распознавания, потому что мы в конечном итоге хотим быть уверенными, что мы добываем, и не тратить лищнее время на подход к ложным целям, объектам теплым, т. к. камни, которые летом нагреваются в течение дня до 40 и более градусов, на дистанциях более 500 метров будут очень похожи на кабанов, если Вы используете тепловизионный прибор с небольшим фокусным расстоянием и не можете использовать функцию цифрового приближения, потому что у Вас недостаточное разрешение матрицы. Поэтому дальность прежде всего зависит от качественной оптики и от качественной матрицы.

Время автономной работы прибора. На сколько хватает одного комплекта источника питания. Для охотника это немаловажно, потому что чаще всего в природе, где мы охотимся, нет розеток. Поэтому чем дольше автономно работает прибор наблюдения, либо прицел, тем лучше.

Вес и габариты прибора. Конечно, это важно, потому что для прибора наблюдения, который используется 90% времени, в отличие от прицела, который необходим только для совершения выстрела, для прибора наблюдения важно иметь габариты такие, чтобы его можно было положить в карман, либо использовать плечевой ремешок, либо повесить его на шее.

Разрешение матрицы. Это примерно то же самое, что количество мегапикселей в Вашем фотоаппарате. В тепловизоре их намного меньше. Разрешение матрицы позволяет функцию цифрового приближения с минимальной потерей качества изображения. Также разрешение матрицы влияет на угол поля зрения тепловизионного прибора. Чем больше матрица, чем больше ее разрешение, тем больше, при аналогичных показателях оптики будет больше поле зрения.

4. Что такое тактовая частота матрицы тепловизорв? Влияет ли она на качество изображения?

    На сегодняшний день на рынке тепловизионных прицелов присутствуют приборы на основе матрицы, либо на основе микроболометрических модулей, с частотами от 9 Гц до 60 Гц. Конечно, чем больше Герц, тем лучше. 9-герцовые матрицы, которые свободно продаются в США к вывозу, по качеству изображения не особо уступают своим аналогам с более высокой тактовой частотой, но при этом картинка имеет дискретность. Т.е. если Вы наблюдаете 9-герцовым прибором движущийся объект, то Вы будете замечать, как прыгает картинка, а не плавное движение движущегося объекта. Это доставляет некоторые неудобства при наблюдении движущихся объектов, но для стрельбы по неподвижным целям 9-герцоового прибора вполне может хватить.

5. Какие виды тепловизионных приборов существуют в настоящее время?

     Существует большое количество тепловизионных приборов, но для охоты используются только два. Это приборы наблюдения и тепловизионные прицелы. 
Приборы наблюдения бывают как монокуляры, так и бинокуляры. Самые распространеные являются монокуляры. Немаловажная характеристика прибора наблюдения на охоте это его габариты и вес, т.к. приходится постоянно носить его с собой. Желательно, чтобы прибор был компактным, держался в одной руке, управлялся при помощи пальцев одной руки и помещался в нагрудный карман.

Прибор наблюдений со встроенным дальномером. Его преимущество – Вы можете не только успешно обнаруживать тепловую цель, но и определять расстояние до нее. Правильно определить расстояние – одна из частых проблем охотников, охотящихся в ночное время суток.

6. Возможно ли с помощью тепловизора обнаружить зверя, спрятавшегося в траве или кустах?

     Каждый охотник сталкивался с проблемой поиска подранков в траве или кустах. Тепловизионные приборы наблюдения(монокуляры) позволяют успешно решать эту нелегкую задачу. Особенно, когда необходимо искать стреляного зверя в траве, ночью. Поэтому такие приборы позволяют обнаруживать добытую дичь и добытых зверей в траве. Но тепловизор – это не рентген, он не видит сквозь сплошные преграды. Обнаружить в траве – это не значит, что мы можем обнаружить зверя, если он полностью скрыт травой. Необходимо, чтобы где-то между травинками просвечивалось, проникало тепло.

7. Какие разновидности тепловизионных прицелов будут представлены в интернет-магазине cheholgun.

ru?

Основной класс тепловизионных приборов, используемых на охоте, являются прицелы и приборы наблюдения. Их Вы и сможете найти на нашем сайте.

8. На что еще обратить внимание при выборе прибора?

     Тепловизионные приборы, как и оптические прицелы, незаполненные изнутри осушенным азотом, могут быть подвержены запотеванию. Часто нам приходится охотиться и в дождь и в снег. Обращайте на это внимание при выборе.

9. Соответствует ли качество тепловизиоров, произведенных в России, качеству приборов, изготовленных за рубежом?

     На настоящий момент наши производители вышли на такой уровень производства, что наши изделия не хуже американских или зарубежных аналогов.

10. Существуют ли особенности пристрелки тепловизионных прицелов?

    Приведение оружия к нормальному бою осуществляется несколько иначе, чем пристрелка оружия с обычной оптикой, либо оружия с ПНВ.

Пристрелка возможна лишь на незначительных расстояниях, так как тепловизор ограниченно по расстоянию видит изображение на бумаге. Чтобы создать контрастную тепловую точку, обычно используют специальные грелки, которые выпускаются для охотников.

11. Каков срок службы тепловизионных прицелов?

     Тепловизионные приборы, как электроника, чаще всего стареют только морально, т.к. элементов, подверженных износу, либо ухудшающих качество картинки со временем, в этих приборах нет. Поэтому приобретая тепловизор, Вы приобретаете устройство на длительный срок.

                                                                                                                       С Уважением, Иван Обвесов, директор интернет-магазина 

Тепловизор против COVID-19. Практика применения и реальные возможности

ЖД-вокзалы и аэропорты, проходные предприятий и офисные центры, больницы и поликлиники, школы и детсады — всё это объекты с большой проходимостью, которые сейчас оснащаются тепловизорами. Из статьи вы узнаете об устройстве этих приборов, в чём отличия эпидемиологических тепловизоров от обычных, их практической эффективности и целесообразности применения.

Тепловизор измеряет температуру тела пассажиров в аэропорту

Градусник или тепловизор?

При нынешнем уровне развития науки и техники существует весьма ограниченный перечень точных средств для измерения поверхностной температуры тела человека. Они делятся на две большие группы по методу применения: контактные и бесконтактные. Первая группа — привычные нам градусники и термометры: ртутные, спиртовые или электронные, вторая — дистанционный термометр (пирометр) и эпидемиологические тепловизоры, которые, в свою очередь подразделяются на ручные и стационарные.

Устройства для бесконтактного измерения температуры тела человека

Устройство	Точность измерения, °C	Скорость измерения
Ртутный градусник	0,1	1 человек за 10 минут
Электронный градусник	0,2	>1 человек за 1 минуту
Пирометр	0,5	1 человек за 2 секунды
Ручной тепловизор	1	1 человек за 2-3 секунды
Стационарный тепловизор	0,3	за 0,5 секунды до 30 человек сразу

Обычный ртутный градусник, который изобрёл Фаренгейт 300 лет назад, остаётся самым простым, точным и дешёвым средством измерения температуры тела человека. Браво, Габриель!

Но ставить градусник каждому на проходной предприятия, офисного здания или на пропускном терминале аэропорта просто невозможно. Это заканчивается огромными очередями и массой недовольных. Скорость — вот главная задача!

Учитывая данные из приведённой выше таблицы, стационарный эпидемиологический тепловизор примерно в 30 000 раз (!) быстрее обычного градусника. Но как же быть с точностью? У тепловизора она в 3 раза ниже, чем у термометра. А вот нужна ли безупречная точность измерения для определения факта лихорадки у человека — об этом далее в статье.

Так что же такое эпидемиологический тепловизор

Прежде чем начать рассказ о тепловизорах, обратим внимание на один очень важный факт: не существует измерительного прибора, в том числе и тепловизора, для того чтобы обнаружить какое-то конкретное заболевание: вирус или инфекцию.

Основная задача эпидемиологического тепловизора — быстро и точно выявить человека с температурой на максимально возможной дистанции. На первый взгляд может показаться, что с этой задачей справится любой измерительный тепловизор. Но это далеко не так. У традиционных измерительных тепловизоров, которые используются в строительстве, энергетике или в быту очень большая погрешность — в среднем ±2 °C. Ввиду особенностей человеческого организма, одной из которых является температурное постоянство, такая погрешность для диагностических целей неприменима.

Для того, чтобы добиться максимальной точности измерения температуры тела человека (особенно если он не один и находится в движении) нужны:

• высокая частота радиометрических кадров, т. е. количество точек, на которых измерена температура, в единицу времени,
• уникальный алгоритм обработки большого массива данных.

Кроме этого, оптические блоки эпидемиологических тепловизоров комплектуются видеокамерами высокого разрешения с функцией определения лиц для создания автоматических отчетов или интеграции в систему контроля и управления доступом (СКУД). В основном, это относится к стационарным системам.

Классификация эпидемиологических тепловизоров

Тепловизоры для эпидемиологического контроля подразделяются на ручные и стационарные. Последние, в свою очередь, можно разделить на те, которые используют эталонный излучатель (АЧТ) и тепловизоры без него.

Ручные тепловизоры для измерения температуры тела

Представляют из себя портативные устройства, внешне напоминающие пирометры или ручные видеокамеры. Устанавливаются на треногу или используются операторами на проходной для индивидуального измерения температуры у человека.

• Достоинства: Лёгкие, удобные и дешевые (по сравнению со стационарными). Работают несколько часов автономно за счёт встроенного аккумулятора. Полезны там, где нет возможности подключиться к стационарному источнику электроэнергии, например, в поезде или самолёте.
• Недостатки: Низкая (по сравнению со стационарными) точность измерения, нет захвата всех лиц в кадре, температуру приходится измерять у каждого человека в отдельности, маленькая дальность действия. Оператору необходимо наводить измерительную рамку тепловизора на лицо человека — имеет место человеческий фактор. Нельзя интегрировать в СКУД. Нет записи событий с распознаванием ФИО человека по базе. Применяются для индивидуального измерения температуры тела. Не рекомендуется использовать в местах с интенсивным потоком людей.

Стационарные эпидемиологические тепловизоры для бесконтактного измерения температуры тела людей

Стационарные тепловизоры эпидемиологического контроля представляют из себя аппаратно-программные комплексы, состоящие, как правило, из двух отдельных блоков:

• оптический блок: тепловизор+видеокамера,
• блок управления: ноутбук, системный блок, автоматизированное место оператора.

Это более точные и быстрые приборы для определения температуры человека. Основное отличие от ручных — возможность одновременного измерения температуры большого потока людей в полностью автоматическом режиме. Это свойство незаменимо в тех случаях, где индивидуальный замер температуры невозможен, например, контрольно-пропускной пункт терминала аэропорта.

Применение эпидемиологических тепловизоров

Применение стационарных эпидемиологических тепловизоров довольно обширно: терминалы аэропортов, ж/д вокзалов, морских портов; КПП; проходные предприятий, офисов; входные группы стадионов, фитнес-центров, концертных залов, гостиниц, крупных ТЦ; метро — там, где возможно большое скопление людей.

Сравнительная таблица ручных и стационарных тепловизоров эпидемиологического контроля

Параметр	Ручной	Стационарный
Температурная чувствительность NETD	0,06 °C	0,04 °C
Точность измерения	±2 °C	±0,3 °C
Дальность действия	1,5 м	5-7 м
Автоматический захват всех лиц в кадре	Нет. Измерение проводится по каждому человеку в отдельности путем наведения измерительной рамки на лицо	Да
Время срабатывания	2-3 с	0,5 с
Ширина зоны контроля	1,5 м	5 м
Наличие дневной видеокамеры	Нет	Да
Интеграция СКУД (турникет на кпп)	Нет	Да
Автоматическая запись тревожных событий с распознаванием фио человека по базе.	Нет	Да
Возможность подключения мобильных устройств (планшетов) для оперативного перемещения сотрудника охраны в зоне досмотра	Нет	Да
Цена	Низкая	Высокая

Основные производители тепловизоров на российском рынке

Sunell	Guide	Hikvision	Dahua	Dali	Pergam	Workswell	Testo	Opgal	FLIR
Китай					Россия	Чехия	Германия	Израиль	США

АЧТ — зачем оно нужно и можно ли обойтись без него

АЧТ — это абсолютно черное тело — эталонный излучатель, который на своей поверхности формирует очень точное значение температуры, до сотых долей градуса. Устанавливается в поле зрения объектива тепловизора, используется в качестве эталона температуры для калибровки прибора. Таким образом увеличивается точность измерения температуры до 0,3 °C.

Цель использования АЧТ — увеличить точность измерения температуры, т. е. повысить вероятность обнаружения человека с температурными отклонениями.

Но давайте разберёмся, работает ли это так, как должно. Поверхностная температура тела здорового человека находится в диапазоне от 26 до 37 °C — этот диапазон зависит от окружающей среды и физиологических особенностей конкретного организма. Возникает вопрос: зачем нам такая точность? Ведь получается, что идеально откалиброванный с помощью АЧТ тепловизор с точностью в 0,3 °C измерит температуру человека, вошедшего в помещение с морозного воздуха, но «не увидит» лихорадку, т. к. поверхностная температура тела была понижена условиями окружающей среды. Получается, что формальный подход сравнивания температур работает только в условиях постоянной окружающей температуры.

Наиболее универсальный и действенный способом безошибочного обнаружения человека с повышенной температурой в плотном потоке людей — использование математической модели, которая вычисляет среднюю температуру у людей в потоке и корректирует порог срабатывания системы.

Уникальный режим работы: В тепловизоре «Пергамед-Барьер» применяется именно такое решение для автоматического измерения температуры людей в потоке. Используется математическая модель нейросети, которая вычисляет среднюю температуру потока и корректирует порог срабатывания системы.

Автоматическая компенсация температуры

Эта технология называется автоматическая компенсация температуры или Absolute temperature compensator (ATC). Автоматически подсчитываются средние значения температуры последних 10 объектов, причем, не принимая во внимание 2 наибольших и 2 наименьших значения. Это позволяет использовать прибор в полностью автоматическом режиме, без использования эталонного «абсолютно чёрного тела», а также исключает ложные срабатывания.

Перспективы

Возможно ли 100 % обнаружение человека, инфицированного COVID-19, при использовании тепловизионной аппаратуры? Нет! Задача тепловизора не поставить диагноз (пока это невозможно сделать на расстоянии, к сожалению), а выявить людей с повышенной температурой тела, предупреждая обслуживающий персонал здания о вероятной угрозе. И с этой задачей эпидемиологические тепловизоры справляются достаточно неплохо. Естественно, чем технологичней тепловизор, тем меньше погрешность и точнее результат.

Достоверно известно, что любая нестандартная или серьёзная проблема даёт мощный импульс для развития технологий. И нынешняя эпидемия не исключение. Уже сейчас видно, как сильно оживился рынок тепловизоров во всём мире. Кто знает, может быть после эпидемии коронавируса будут разработаны принципиально новые средства обнаружения людей с неудовлетворительными параметрами общего состояния, которые будут давать 100% результат. Однако пока что этого не произошло.

Что касаемо теплоизмерительной аппаратуры, то в этом случае эпидемиологический тепловизор должен выступить в роли первого эшелона обороны — защитить границы и обнаружить невидимое простым взглядом. Само собой разумеется, что всех подозрительных людей с помощью тепловизора выявить нельзя (в основном за счет бессимптомного течения болезни и с учетом инкубационного периода). Однако снизить риск массового заражения вследствие своевременно поданного сигнала об изменениях температуры выше или ниже нормы они вполне способны.

Альтернатива тепловизорам

На данный момент альтернативы эпидемиологическому тепловизору, как эффективному средству выявления патологических колебаний температуры на пропускных пунктах (входах) не существует! Но увеличить его эффективность можно с помощью дополнительного оборудования, установленного параллельно. Более того, комплекс диагностической аппаратуры сможет с высокой долей вероятности выявить отклонения от нормы даже при наличии средств индивидуальной защиты на человеке, а именно: маски и перчаток.

Что нас ждёт?

Человечество постоянно живёт бок о бок с опасными, потенциально-опасными, незначительно-опасными и условно безвредными микроорганизмами, бактериями и вирусами. Но дело в том, что с развитием цивилизации увеличивается и плотность населения, создавая тем самым благоприятную почву для быстрого распространения любой эпидемии: междугородние поездки, перелёты, путешествия, туризм. Это не значит, что нужно безвылазно сидеть дома и никуда не ходить, в том числе и на работу. Нет. Человек за долгую историю своей эволюции приобрёл устойчивость ко многим видам болезней и способен переносить их без особого вреда для здоровья. Но вот грипп, к которому также относится и коронавирусная инфекция, по-прежнему остаётся тем заболеванием, которое сможет оставить о себе память на много лет в виде осложнений различной степени тяжести.

Чтобы этого не произошло, следует внимательней относится к своему здоровью, беречь и укреплять иммунитет заранее, а не тогда, когда «прозвенела сирена», следить за своим состоянием и стараться вести правильный образ жизни. И тогда, может быть, через пару сотен лет люди окончательно перестанут болеть. Ну а пока этого не произошло, высокотехнологичные тепловизоры, современная медицина, соблюдение предписаний организаций здравоохранения и здравый смысл помогут справиться с любой опасностью!

Автор: Александр Кудрявцев, руководитель отдела «Системы безопасности» компании «Пергам».

Делаем небюджетный тепловизор своими руками

Кто из посмотревших фильм «Хищник» не мечтал обладать термальным зрением как инопланетный охотник? В наше время это не сложно, но достаточно дорого: не каждый может позволить себе купить тепловизор, хотя в последнее десятилетие, с развитием технологий, они стали гораздо доступнее. Одним из многих проектов на ардуино, которым я был очарован и вовлечен в удивительный мир микроконтроллеров, был как раз тепловизор, если его можно так назвать. Устройство на основе однопиксельного бесконтактного датчика температуры и системы механической развертки хотя меня и сильно впечатлило, но я так и не повторил его, так как, честно сказать, скорость его работы совсем не впечатляла. К слову сказать, датчик MLX90614, использованный в том проекте, достаточно дорогой (по стоимости за пиксель) по сравнению с теми, речь о которых пойдет дальше.

Disclaimer
Топик должен был называться «делаем бюджетный тепловизор», но за то время, пока у меня не доходили до него руки, ситуация изменилась и он стал весьма небюджетным. О текущих ценах на комплектующие в конце статьи.

Тема тепловизоров меня захватила и я всегда с интересом следил за новостями в этой области электроники. Очевидно, чтобы не использовать систему механической развертки нужен датчик большего разрешения, я составил для себя список таких датчиков, но многие из них были недоступны для покупки. Еще недавно на просторах интернета можно было встретить истории, что продавец отказывался отправлять подобные датчики в нашу страну, считая их устройством двойного назначения. Когда же в свободной продаже на aliexpress появился модуль с датчиком AMG8833, а в сети появились проекты с его использованием, я не смог противостоять желанию получить его, хотя стоимость и превышала почти вдвое ежемесячный лимит, отведенный мною на покупки. Датчик был приобретен за 37$ (сейчас его можно купить за 28$). Конечно разрешение у сенсора очень низкое для какого бы то ни было практического использования в качестве тепловизора, но его достаточно, чтобы получить массу восторга, впервые взглянув на мир «глазами хищника».
«селфи» снятое на AMG8833

Вдоволь поэкспериментировав с AMG8833, я отложил его для будущего использования и стал думать о большем. Ведь все на том же aliexpress в продаже появились модули на базе сенсора MLX90640 с разрешением 32*24 и ценой в 60-70$. С таким разрешением возможно использовать его для каких то практических целей, ну и конечно поиграть серьезнее.

Особенности MLX90640:
— Диапазон рабочих температур от -40 до 85 ° C, позволяет использовать в сложных промышленных условиях
— Может измерять температуру объекта от -40 до 300 ° C
— Типичная точность измерения температуры целевого объекта 1 °, точность по всей шкале измерения
— NETD всего 0,1K RMS при частоте обновления 1 Гц
— Не требуется повторная калибровка для конкретных температурных требований, что обеспечивает большее удобство и снижает эксплуатационные расходы
— Два варианта поля зрения (FoV): стандартное (MLX90640BAB) 55 ° x35 ° и широкоугольное (MLX90640BAA) 110 ° x75 ° Матрица с широкоугольным полем зрения обладает меньшим шумом и большей точностью измерения.
— 4-контактный корпус TO39 с необходимой оптикой
— Цифровой интерфейс, совместимый с I²C, упрощающий интеграцию

Отдельно датчик можно было приобрести примерно за 55-60$ в зависимости от версии. Но мне интереснее модули с обвязкой. Есть несколько вариантов таких модулей:
1. Модули, включающие сам сенсор и его обвязку для питания и работы с микроконтроллером по шине I2C.


2. Модули для платформы M5STACK/M5STICK, такие модули содержат необходимую обвязку для питания сенсора и работы с микроконтроллером по шине I2C.

3. Модули с микроконтроллером, реализующим UART интерфейс. Для работы с таким модулем можно обойтись без внешнего микроконтроллера, подключив его к ПК через USB-UART конвертер, я встречал 2 варианта таких модулей. Программное обеспечение для ПК позволяет визуализировать исходное тепловое изображение с сенсора или с программной интерполяцией.

4. Следующим вариантом развития модулей с микроконтроллером являются модули, в которых реализован USB интерфейс и которые можно напрямую подключать к ПК, при этом сохранен UART интерфейс и доступна шина I2C самого сенсора. Для доступа к сенсору по I2C нужно замкнуть конденсатор сброса (который еще нужно найти).

5. Наконец последним вариантом является модуль Red Eye Camera, в котором также реализован USB интерфейс, но, насколько я понял, нет возможности получить сырые данные с сенсора по I2C, при этом доступен UART. Судя по картинкам на странице товара для данного модуля есть ПО для Android.

Мне хотелось иметь возможность для взаимодействия с сенсором по I2C, поэтому я выбрал модуль под номером 4, в котором есть эта возможность, а также реализован USB интерфейс. Со всевозможными скидками на распродаже 11.11.2019 г. этот модуль был приобретен за 54,31$.

Такой довольно дорогой модуль поставлялся в упаковке без какой бы то ни было защиты, к счастью не пострадал. Размеры модуля 28*15 мм.

К сожалению, не удалось найти никакой другой информации о данном модуле кроме представленной на странице товара: ни схемы, ни ПО. На модуле указано его название, версия и дата — «mlx_module v3. 1.0 20190608. Но поиск по данному обозначению не дал никаких результатов. У всех продавцов одни и те же фото и описание товара.

Я не терял надежды, что драйвера под Windows найдутся автоматически, но чуда не произошло. При подключении в диспетчере устройств появилось новое неизвестное устройство с com-портом, после поиска драйверов оно было идентифицировано как трекбол, но драйвера не были правильно установлены. При этом в системе еще появляется com-порт. Я попытался использовать ПО от аналогичного модуля без usb, но безрезультатно: видимо протоколы обмена данными через UART у этих модулей отличаются. При последующих подключениях оно вообще не обнаруживалось.

Остался второй вариант использования данного модуля – подключение непосредственно к сенсору по шине I2C. Для этого, согласно информации на странице товара, необходимо замкнуть конденсатор сброса. Осталось найти его на плате среди десятка конденсаторов.

На плате установлены следующие компоненты:
— микроконтроллер STM32F301K6;
— USB-UART конвертер Ch440;
— стабилизатор напряжения;
— кварцевый резонатор;
— резисторы и конденсаторы.

Вид сверху.

Вид снизу.

Чтобы найти нужный конденсатор, пришлось изучить даташит на микроконтроллер STM32F301K6 и прозвонить саму плату. Конденсатор, подключенный к пину reset микроконтроллера STM32, выделен на фотографии красным. Потребовалась довольно тонкая работа, чтобы замкнуть его с помощью кусочка провода МГТФ.

Я проверил несколько примеров работы сенсора с ESP32. Для итоговой реализации я использовал в качестве управляющей платформы TTGO T-Watch, о которой можно узнать из моих обзоров: раз, два. Для подключения сенсора к T-Watch я использовал прото-шилд для Wemos D1 mini и угловые штырьковые гребенки. Получилось довольно компактно, конечно, корпус бы не помешал. Взяв за основу данный проект, я переделал его под TTGO T-Watch, а также добавил интерполяцию и возможность сохранения фотографий на microSD.
Пример сохраненных фото с «тепловизора».


Ещё несколько примеров фотографий

Фотографии сделаны до реализации интерполяции в разрешении 32*24 пикселей. А на видео уже пример работы с интерполяцией, с разрешением 64*48. Частота кадров составляет всего 4 кадра в секунду она зависит от частоты опроса датчика и задается программно, частоту можно увеличить до 32 при этом увеличится погрешность измерений.

Дополнительная информация

Я так же проверил работу сенсора MLX90640 c OpenMV

Несмотря на столь небольшое разрешение сенсора MLX90640 его вполне можно использовать для множества целей:
— поиск утечек тепла в доме, при утеплении лоджии проверено на личном опыте;
— поиск греющихся элементов на плате, конечно самые мелкие детали будут неразличимы, но тем не менее такой инструмент может быть полезен;
— контроль присутствия людей, там где нет возможности использовать видеокамеру, человека можно заметить с расстояния порядка 10 м;
— пожарная безопасность;

Функции и улучшения, которые я хотел бы добавить к «тепловизору»:
— переделать проект под большой дисплей с тачскрином;
— добавить поддержку LVGL и сделать красивый дизайн с меню;
— увеличить разрешение сохраняемых изображений;
— добавить возможность потоковой трансляции изображения по Wi-Fi.

Я хочу также реализовать следующие проекты на основе сенсора MLX9040:
— Мобильный тепловизор на основе ESP32.
— Мобильный тепловизор для андроид.
— Радиоуправляемый робот с термальным зрением.
— Камера наблюдения с режимом термальной съемки.
— Тепловизор с детектором лиц на базе kendryte k210.
— Шлем виртуальной реальности или очки с термокамерой.

P.S.
Ссылки
Скетч для Arduino IDE
Реализация интерполяции по Гауссу
Пример генерации файла *bmp на ESP32

P.S.S.
В следствие пандемии коронавируса цены на сенсор MLX90640 взлетели в несколько раз. На Aliexpress можно найти модуль примерно за 200$. В конце 2019 г. компания Sipeed обещала выпустить в скором времени модуль термокамеры с разрешением 32*32 на базе сенсора от Heimann за ~ 50$, но опять же из-за пандемии этим обещаниям не суждено было сбыться. Надеюсь в будущем ситуация улучшится.

Принцип работы тепловизора — устройство тепловизора

Тепловизоры получают всё большее распространение в различных отраслях промышленности и хозяйства. Принцип работы тепловизионных устройств примерно понятен из названия – они «видят» тепло (visio по латыни «видеть»).

Физический принцип работы

С точки зрения физики тепловизор использует эффект инфракрасного излучения в диапазоне 0,75 – 100 мкм. Источником такого излучения становится любой предмет, температура которого выше абсолютного нуля (- 273 градуса). Причём цвет инфракрасного излучения меняется в зависимости от длины волны ровно так же, как и в видимой человеческому глазу части спектра.

Устройство и основные части

Любой тепловизор состоит из трёх основных компонентов. Объектив фокусирует инфракрасное излучение на приёмнике, чаще именуемом матрицей. Затем сигнал усиливается и передаётся на экран. Самым дорогим компонентом тепловизора является матрица. Её изготавливают из сплавов редких металлов, таких как индий, кадмий или теллур. Современные матрицы позволяют заметить разницу температур в сотые доли градуса. Объектив тепловизора внешне похож на фотообъектив, но делается не из стекла – оно не пропускает инфракрасные лучи. Изначально их изготавливали из германия, но из-за дороговизны это вещество стали постепенно заменять более дешёвыми халькогенидным стеклом и селенидом цинка. Сигнал, генерируемый матрицей, передаётся в отображающее устройство, которое и демонстрирует визуально силу инфракрасного излучения частей исследуемого объекта.

Современные тепловизоры часто объединяют с обычной видеокамерой для того, чтобы расширить диапазон наблюдаемого спектра. Кроме того, устройство может быть оснащено средствами записи и микропроцессором, позволяющим анализировать получаемое изображение. Существуют и образцы видеокамер, работающих в инфракрасном диапазоне и выдающих изображение на монитор обычного компьютера.

Виды тепловизоров

Устройство тепловизоров зависит от того, в каких целях ни применяют. Существуют стационарные и переносные устройства. Первые применяются на крупных предприятиях и медицинских центрах. Вторые популярны среди строителей, транспортников, в области коммуникаций и в военной сфере.

По типу охлаждения тепловизоры делят на неохлаждаемые и охлаждаемые. Неохлаждаемые тепловизоры дешевле и мобильнее, но работают с более длинными волнами и имеют более низкую разрешающую способность. Ещё одним их преимуществом является работа с длинными волнами – неохлаждаемые тепловизоры практически нечувствительны к помехам в виде пара, пыли или дыма.

Охлаждаемые устройства намного дороже. К их недостаткам следует отнести также высокую потребляемую мощность и достаточно низкий ресурс – охлаждаемые (обычно жидким азотом) тепловизоры сравнительно быстро выходят из строя. Зато они позволяют исследовать предметы с большим разрешением и на больших расстояниях – некоторые устройства работают на дистанции 10 километров.

Применение

По мере совершенствования и удешевления тепловизоров расширяется сфера их применения. Медики используют их для диагностики. Энергетикам тепловизоры позволяют проверять наличие утечек и температуру сетей. Строители и металлурги с помощью тепловизионных устройств проверяют целостность конструкций. Широко применяют тепловизоры военные. Сначала их устанавливали на тяжёлой технике, но постепенно дело дошло и до индивидуальных прицелов. Тепловизорный прибор ночного видения эффективнее обычного – он не засвечивается вспышками или ярким источником света. Наконец, пожарные и спасатели, используя тепловизоры, могут лучше ориентироваться в дыму и пыли, а также быстрее обнаруживать людей под завалами.

Читайте также: Подготовка к тепловизионной диагностике

Для чего используется тепловидение и как оно работает?

Тепловидение — это метод использования инфракрасного излучения и тепловой энергии для сбора информации об объектах с целью создания их изображений даже в условиях плохой видимости. Это технология, которая за долгие годы нашла широкое применение. В частности, это эффективная технология ночного видения, способная работать при полном отсутствии света (поскольку она не полагается на видимый свет) и может работать даже в дыме, тумане, смоге и дымке.

Как работает тепловидение?

Тепловидение основано на науке об инфракрасной энергии (также известной как «тепло»), которая излучается всеми объектами. Эту энергию от объекта также называют «тепловой сигнатурой», и количество испускаемого излучения обычно пропорционально общему теплу объекта.

Тепловизоры или тепловизоры — это сложные устройства, состоящие из чувствительного теплового сенсора, способного регистрировать мельчайшие перепады температуры.Собирая инфракрасное излучение от объектов в определенной среде, они могут начать составлять карту изображения на основе различий и отклонений в измерениях температуры.

Как правило, тепловые изображения имеют оттенки серого: белый цвет представляет тепло, черный — более холодные области, а различные оттенки серого указывают градиенты температур между ними. Однако более новые модели тепловизионных камер фактически добавляют цвет к изображениям, которые они создают, чтобы помочь пользователям более четко идентифицировать отдельные объекты, используя такие цвета, как оранжевый, синий, желтый, красный и фиолетовый.

Области применения тепловидения

Прослеживая истоки тепловидения, считается, что он берет свое начало во время Корейской войны и используется в военных целях, таких как разведка и ночные боевые задачи. С тех пор его использование расширилось по разным дисциплинам и для множества практических приложений.

Техническое обслуживание электрооборудования широко используются тепловизоры.Например, специалисты по линиям электропередач используют тепловизионное изображение для обнаружения и точного определения соединений и деталей, которые подвержены риску перегрева, поскольку они уже выделяют больше тепла, чем более прочные секции. Они также могут помочь обнаружить слабые соединения или устройства, которые начинают выходить из строя.

Сантехники используют тепловизоры для проверки мест возможных утечек, в основном через стены и трубы. Поскольку устройства можно использовать на расстоянии, они идеально подходят для поиска потенциальных проблем в оборудовании, которое либо труднодоступно, либо иным образом может создавать проблемы безопасности для рабочих.

Техники-механики и строители , работающие с теплоизоляцией, используют визуализацию для быстрого определения утечек, что важно для поддержания эффективного регулирования температуры в здании. С первого взгляда они могут проанализировать структуру здания и выявить неисправности. Потери тепла через стены, оборудование HVAC, двери и окна — распространенные проблемы с тепловыми характеристиками, которые легко обнаруживаются тепловизором.

Управление животными и вредителями — это область, которая имеет удивительное количество применений для тепловизоров. Они могут помочь обнаружить вредителей или животных на темных участках крыши, не взбираясь на них, и могут обнаружить потенциальную активность термитов. Кроме того, они обычно используются для более простого проведения исследований дикой природы абсолютно неинвазивным, ненавязчивым образом.

Транспортная навигация получает значительные преимущества от тепловидения, особенно при путешествии ночью. Например, морская навигация использует его для четкого наблюдения за другими судами, людьми и препятствиями в ночное время в открытом море.В последние годы в автомобили начали включать инфракрасные камеры, чтобы предупреждать водителей о людях или животных за пределами уличных фонарей или их света фар.

Здравоохранение и медицина также имеет практическое применение, например, для определения лихорадки и температурных аномалий. Это оказалось особенно важным в аэропортах, где эти тепловизионные камеры могут быстро и точно сканировать всех прибывающих и уходящих пассажиров на предмет более высоких температур, что было критически важно во время недавних вспышек таких заболеваний, как атипичная пневмония и лихорадка Эбола. Кроме того, было доказано, что тепловизоры помогают диагностировать ряд заболеваний, связанных с шеей, спиной и конечностями, а также проблемы с кровообращением.

Пожарные используют тепловизор, чтобы видеть сквозь дым, особенно в спасательных операциях, когда они ищут людей в затемненной и опасной среде. Они также используют тепловизионные камеры для быстрого определения локальных пожаров, чтобы они могли вмешаться до того, как они распространятся.

Полиция и правоохранительные органы включают тепловизоры в свое оборудование для наблюдения, используемое для обнаружения подозреваемых, особенно в ночное время, а также для расследования мест преступлений, а также для поисково-спасательных операций. Они превосходят приборы ночного видения, поскольку не требуют окружающего света и не подвержены влиянию яркого света, что очень важно для тактических задач.

Наука и исследования , несомненно, являются секторами, которые получают значительные выгоды от использования тепловизоров для точной и точной визуализации тепловых структур.

Другие области применения тепловизионных камер включают системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, обнаружение плесени, обеспечение качества в таких процессах, как производство стекла и многое другое.

Экономия денег — это то, чего не стоит ожидать от тепловизора, но если подумать обо всем, на что он способен, это определенно имеет смысл. После первоначальных затрат на покупку устройства они, несомненно, могут сэкономить вашему бизнесу или дому тысячи долларов или более на потенциальных расходах на обслуживание и ремонт, которые могут возникнуть, если неисправности, утечки или слабые места не были обнаружены ранее.

Fun также доступны! С портативным тепловизором можно делать множество приятных, связанных с хобби вещей, от поиска птиц и другой фауны во время походов до сравнения относительной температуры напитков и даже выбора более прохладных мест в комнате!

Однако важно понимать, что хотя тепловидение имеет все эти приложения, часто лучше использовать дополнительные инструменты или инструменты, когда это необходимо, чтобы подтвердить то, что вы видите. Кроме того, стоит отметить, что тепловизионные камеры не могут видеть стены и объекты –, а улавливают только то, что от них отражается.

Выбор и покупка высококачественного тепловизора

Крайне важно использовать высококачественный продукт, чтобы обеспечить обнаружение и регистрацию точных измерений. Большая разница между различными типами тепловизоров заключается в разрешении и четкости изображений, которые они предоставляют.

Здесь, в Pyrosales, мы с гордостью предлагаем широкий спектр тепловизионных камер, подходящих для всех видов применения, будь то профессионалы или любители.Наш набор тепловизоров высшего класса произведен Testo, всемирно активной высокотехнологичной компанией, обладающей опытом в инновационных измерительных решениях, которые гарантированно удовлетворят ваши потребности.

Тепловидение — это впечатляющий и компактный метод определения, измерения и визуализации тепловых структур, особенно в условиях недостатка видимого света. Имея эффективную и высококачественную тепловизионную камеру, мы предлагаем широкий спектр приложений, от промышленности до здравоохранения, исследований и науки и многое другое.

Свяжитесь с нами или позвоните по телефону 1300 737 976 для получения дополнительной информации.

Что такое тепловидение? — Ищите термическую поддержку

Введение

Видеть — значит верить, однако внутренние ограничения человеческого глаза не позволяют нам видеть за пределами узкого диапазона видимого света. Инфракрасная энергия — это электромагнитное излучение, испускаемое солнцем, а также всеми объектами и живыми существами на Земле, и то, что могут увидеть только люди с помощью тепловизионной камеры (TIC).Инфракрасное излучение выходит за пределы длин волн видимого света на уровне около 750 нм (нанометров) и является частью диапазона более длинных частот; наряду с терагерцами, микроволнами и радиоволнами. Просто подключив CompactPRO к телефону и загрузив приложение, ваша спектральная чувствительность будет улучшена, чтобы открыть для себя мир, которого вы никогда раньше не видели.

Как это работает

Каждая термографическая камера работает, измеряя количество инфракрасной энергии, излучаемой, передаваемой и отражаемой объектом.Использование крошечных датчиков оксида ванадия, известных как микроболометры, позволяет тепловизионным камерам, таким как RevealPRO, работать портативно, и для правильной работы не нужно полагаться на стационарное криогенное охлаждение. Камера измеряет температуру поверхности тепла, излучаемого объектом, и проецирует его в виде изображения на экран, называемого термограммой. Хотя эта функция позволяет идентифицировать прохладные или горячие точки под поверхностью, она не дает пользователям рентгеновского зрения или способности буквально видеть сквозь стену, как это обычно ошибочно.Черные тела имеют базовый коэффициент излучения 1 и служат шаблоном для измерения других степеней излучения. Затем используется алгоритмическая функция для учета и исключения множества источников инфракрасной энергии, окружающей объект, и построения изображения, которое затем отображается на ЖК-экране.

Объектив камеры

В отличие от своих собратьев, оптических камер, тепловизоры не полагаются на фокусирующие линзы из стекла, так как они блокируют длинноволновый инфракрасный свет.До недавнего времени в ИК-камерах использовались линзы, изготовленные из специальных материалов, таких как кристаллы германия или сапфира, которые были хрупкими и дорогими в производстве. Халькогенидное стекло — это новый и более дешевый материал, который позволяет снизить входные затраты тепловизионных камер на рынок и в руки покупателя. Материал идеально подходит для линз, так как он позволяет передавать через свою поверхность широкий диапазон электромагнитных частот. Прямоугольные светочувствительные пиксели в фокусе линзы, называемые матрицами фокальной плоскости (FPA), помогают принимать и фокусировать инфракрасную энергию в направлении микроболометра.

Дисплей

Изображения имеют тенденцию быть либо монохромными, либо отображать схему ложных цветов, чтобы можно было различить любые изменения температуры. Камера выделяет каждый отдельный пиксель на дисплее с разрешением 76800 пикселей для отображения температуры. После его расчета пикселям назначается цвет, который создает результирующее изображение на экране. Более темные оттенки синего, пурпурного и зеленого обычно используются в тепловой схеме для обозначения более низких температур, а более яркие цвета (желтый, оранжевый, красный) часто указывают на присутствие тепла.Инфракрасные устройства, такие как RevealPRO, предоставляют набор уникальных фильтров, чтобы дать пользователям гибкость, и более широкую платформу визуализации для определения разницы температур.

Различия между приборами ночного видения (ПНВ)

Хотя и приборы ночного видения, и тепловизоры часто подпадают под общий термин «ПНВ», они работают по-разному. В традиционных прицелах ночного видения используется вакуумная трубка (также известная как усилитель изображения), которая усиливает низкий уровень окружающего света для создания различимых изображений и отображает их в различных оттенках зеленого.Широко используемые в военных и правоохранительных кругах, они являются неоценимым помощником для наблюдения и идентификации подозреваемых. Однако получение четко очерченных изображений в значительной степени зависит от наличия окружающего света. Просмотр через прибор ночного видения в полностью темной комнате почти не даст четкости. Тепловизионные камеры, напротив, не требуют света для работы и могут сканировать в полной темноте, а также в дыму, тумане и дымке. В то время как NVD обеспечивает более «реалистичные» и контурные изображения, их использование за пределами военного комплекса остается нечастым.Благодаря постоянно растущему количеству приложений тепловизионные камеры используют свои красочные, драматические контрасты для освещения объектов и фигур на расстоянии и выделения областей внимания в бесчисленном множестве настроек.

Тепловизор | Testo® Индия

testo 871 — тепловизор (240 x 180 пикселей, приложение)

№ заказа. 0560 8712

Тепловизор testo 871 сочетает в себе высокое инфракрасное разрешение с профессиональными характеристиками измерения и простотой использования.Его высококачественный детектор пикселей, встроенная цифровая камера и, наконец, что не менее важно, инновационные функции — вот что впечатляет. Приложение testo Thermography App позволяет testo 871 предлагать интеллектуальную термографию для удовлетворения профессиональных требований в промышленности и торговле. Кейс, поставляемый с тепловизором, означает, что его можно удобно транспортировать, поэтому он всегда под рукой в ​​случае необходимости.

• Очень хорошее качество изображения: ИК-разрешение 240 x 180 пикселей, благодаря встроенной технологии testo SuperResolution 480 x 360 пикселей

• Беспроводная сеть: беспроводная передача показаний токоизмерительных клещей testo 770-3 и термогигрометра testo 605i (оба приобретаются отдельно)

• Smart: бесплатное приложение testo Thermography App позволяет создавать и отправлять отчеты на месте, а также сохранять их в Интернете и многое другое.

• Большой диапазон измерения температуры от -30 ° C до + 650 ° C

248 420,00 рупий

GST и дополнительные аксессуары

Тепловизор

Википедия

Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизионной камерой или тепловизором ) — это устройство, которое создает изображение с использованием инфракрасного излучения, аналогично обычной камере, которая формирует изображение с использованием видимого света.Вместо диапазона 400–700 нанометров камеры видимого света инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 мкм) до примерно 14000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией.

История []

Открытие и исследование инфракрасного излучения []

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения за пределами красного света. ^[1] Эти «инфракрасные лучи» («инфра» — латинский префикс для «ниже») использовались в основном для измерения температуры. ^[2] Есть четыре основных закона ИК-излучения: закон Кирхгофа теплового излучения, закон Стефана-Больцмана, закон Планка и закон смещения Вина. Развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров до Первой мировой войны. Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили, используя эффект Зеебека, создал первую известную термопару, изготовив усовершенствованный термометр. Сырая термобатарея. Он описал этот инструмент Македонио Меллони.Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал в одиночку, разработав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею), который мог обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. ^[3] Следующим важным шагом в улучшении детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли. ^[4] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжали совершенствовать этот инструмент. К 1901 году он был способен обнаруживать излучение коровы с расстояния 400 метров и был чувствителен к перепадам температуры в сто тысячных градуса Цельсия. ^[5] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередачи.

Первым передовым применением ИК-технологии в гражданской части могло быть устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. ^[6] Вскоре это было превзойдено первым настоящим ИК детектор айсберга, в котором не использовались термобатареи, запатентованный в 1914 году Р. Д. Паркер. ^[7] За этим последовал Г.Предложение А. Баркера об использовании инфракрасной системы для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. ^[8] Этот метод не получил реального промышленного развития до тех пор, пока в 1935 году его не использовали для анализа равномерности нагрева горячекатаных стальных полос. ^[9]

Первая термографическая камера []

В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел в Великобритании чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны. ^[10] Первыми разработанными в Америке термографическими камерами были инфракрасные линейные сканеры.Это было создано вооруженными силами США и Texas Instruments в 1947 году. ^{[11] [ не удалось проверить ]} и потребовалось один час для создания одного изображения. В то время как несколько подходов были исследованы для повышения скорости и точности технологии, одним из наиболее важных факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать, используя охлаждаемый фотопроводник. ^[12]

Первой системой линейного инфракрасного сканирования был британский желтый утенок середины 1950-х годов. ^[13] В нем использовались непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием по оси Y при движении самолета-носителя. Несмотря на неудачу в предполагаемом применении отслеживания подводных лодок путем обнаружения следа, он был применен для наземного наблюдения и стал основой военного линейного ИК-сканирования.

Эта работа была продолжена в Royal Signals and Radar Establishment в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия ртути является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения.Компания Honeywell в США также разработала массивы детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, ^{[ требуется дополнительное объяснение ]} , но они сканировали механически. У этого метода было несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из компании English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру, которая сканирует с помощью пироэлектроники и которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других достижений в 1970-х годах. ^[14] Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных массивов, которая в конечном итоге привела к созданию современных гибридных монокристаллических устройств формирования изображений срезов. ^[12]

Интеллектуальные датчики []

Одной из наиболее важных областей развития систем безопасности была способность интеллектуальной оценки сигнала, а также предупреждение о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные сенсоры». Это датчики, которые могут объединять зондирование, извлечение, обработку и понимание сигналов. ^[15] Есть два основных типа интеллектуальных датчиков. Один из них, похожий на то, что называется «микросхемой зрения» при использовании в видимом диапазоне, допускает предварительную обработку с использованием методов Smart Sensing из-за увеличения роста интегральных микросхем. ^[16] Другая технология больше ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки благодаря своей конструкции и структуре. ^[17]

К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения постепенно переходило в гражданское использование.Произошло резкое снижение затрат на неохлаждаемые массивы, что наряду с большим ростом разработок привело к появлению рынка двойного использования между гражданскими и военными. ^[18] Эти области применения включают контроль окружающей среды, анализ зданий / искусства, медицинскую функциональную диагностику, а также системы управления автомобилем и предотвращения столкновений. ^{[19] [20] [21] [22] [23] [24]}

Принцип действия []

Тепловое изображение, показывающее изменение температуры в воздушном шаре.

Инфракрасная энергия — это только одна часть электромагнитного спектра, которая включает в себя гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолет, тонкую область видимого света, инфракрасные, терагерцовые волны, микроволны и радиоволны. Все они связаны и различаются по длине волны (длине волны). Все объекты излучают определенное количество излучения черного тела в зависимости от их температуры.

Вообще говоря, чем выше температура объекта, тем больше инфракрасного излучения испускается как излучение черного тела.Специальная камера может обнаружить это излучение так же, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Он работает даже в полной темноте, потому что уровень окружающего освещения не имеет значения. Это делает его полезным для спасательных операций в задымленных зданиях и под землей.

Основное отличие оптических камер состоит в том, что фокусирующие линзы не могут быть сделаны из стекла, так как стекло блокирует длинноволновый инфракрасный свет. Обычно спектральный диапазон теплового излучения составляет от 7 до 14 мкм. Необходимо использовать специальные материалы, такие как германий, фторид кальция, кристаллический кремний или недавно разработанный специальный тип халькогенидного стекла.За исключением фторида кальция, все эти материалы довольно твердые и имеют высокий показатель преломления (для германия n = 4), что приводит к очень сильному отражению Френеля от поверхностей без покрытия (до более 30%). По этой причине большинство линз для тепловизоров имеют антибликовое покрытие. Более высокая стоимость этих специальных объективов — одна из причин, почему тепловизоры более дорогие.

Используется []

Изображения с инфракрасных камер имеют тенденцию быть монохромными, поскольку в камерах обычно используется датчик изображения, который не распознает разные длины волн инфракрасного излучения.Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, поскольку разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.

Иногда эти монохроматические изображения отображаются в псевдоцвете, где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезкой по плотности, полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон в обнаружении интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть мелкие различия интенсивности в ярких областях довольно ограничена.

Для использования при измерении температуры самые яркие (самые теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры — в красный и желтый, а самые тусклые (самые холодные) части — в черный. Рядом с изображением в искусственных цветах должна быть показана шкала, чтобы соотнести цвета с температурой. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, чаще всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже, чем их аналоги в видимом спектре, хотя в 2014 году добавочные тепловизионные камеры с низкой производительностью для смартфонов стали доступны за сотни долларов. ^[25] Модели более высокого уровня часто рассматриваются как двойные и с ограничениями на экспорт, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или больше, если частота обновления не составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется Правилами международной торговли оружием.

В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора мала; разница в 1 ° C в месте съемки вызывает разницу всего 0,03 ° C на датчике. Время отклика пикселя также довольно низкое, порядка десятков миллисекунд.

Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловизора специалисты по обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, что является явным признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. Когда термоизоляция выходит из строя, инженеры-строители могут заметить утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или нагрева и кондиционирования воздуха.

Горячие копыта указывают на больную корову

Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторые роскошные автомобили для помощи водителю (автомобильное ночное видение), первой из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска.

Некоторые физиологические процессы, в частности реакции, такие как повышение температуры тела, у людей и других теплокровных животных также можно контролировать с помощью термографических изображений. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти в основных телескопах для астрономических исследований, даже в тех, которые не являются инфракрасными телескопами.

Типы []

Термографическое изображение змеи на руке, показывающее контраст между теплокровными и хладнокровными существами. Термографические камеры

можно условно разделить на два типа: с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и с неохлаждаемыми детекторами.

Охлаждаемые инфракрасные извещатели []

Термографическое изображение нескольких ящериц Тепловизионная камера и экран в терминале аэропорта в Греции. Тепловизионное обследование позволяет обнаружить жар — один из признаков инфекции.

Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в герметичных корпусах или корпусах Дьюара и криогенно охлаждаются. Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры находятся в диапазоне от 4 K до чуть ниже комнатной, в зависимости от технологии детектора.Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 K до 100 K (от -213 до -173 ° C), в зависимости от типа и уровня производительности. ^[26]

Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет почти так же, как обычные цифровые фотоаппараты, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или затоплены собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер в том, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение требует больших затрат энергии и времени.

Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она начнет работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения — это охладители Пельтье, которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, но относительно просты и компактны. Для получения изображений лучшего качества или для получения изображений низкотемпературных объектов требуются криокулеры двигателя Стирлинга. Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают значительно более высокое качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми камерами, особенно для объектов, температура которых близка или ниже комнатной.Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с большим числом F, что делает высокопроизводительные объективы с длинным фокусным расстоянием меньше и дешевле для охлаждаемых детекторов.

Альтернативой охладителям двигателя Стирлинга является использование газов, разлитых в баллоны под высоким давлением, причем азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через отверстие микроскопического размера и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению за счет эффекта Джоуля-Томсона. Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.

Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотодетекторы на основе широкого диапазона узкозонных полупроводников, включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия, теллурид кадмия ртути (MCT) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8 -12 мкм), сульфид свинца и селенид свинца

Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур из полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, таких как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами.

Существует ряд технологий охлаждаемых болометров, использующих сверхпроводники и несверхпроводники.

В принципе, сверхпроводящие устройства с туннельным переходом могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не получили широкого распространения, поскольку их высокая чувствительность требует тщательного экранирования от фонового излучения.

Сверхпроводящие детекторы обладают исключительной чувствительностью, некоторые из них могут регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера ESA (SCAM). Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.

Неохлаждаемые инфракрасные извещатели []

В неохлаждаемых тепловизионных камерах используется датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с использованием небольших элементов контроля температуры. Все современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, работающие по изменению сопротивления, напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.

Неохлаждаемые инфракрасные датчики можно стабилизировать до рабочей температуры для уменьшения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих и энергоемких криогенных охладителей.Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения обычно ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными доступными в настоящее время технологиями. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна иметь дело со своей собственной тепловой сигнатурой.

Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров. ^[27] Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.

Тепловое изображение паровоза

Сегнетоэлектрические детекторы работают вблизи температуры фазового перехода материала сенсора; температура пикселя воспринимается как сильно зависящий от температуры поляризационный заряд. Достигнутая NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f / 1 и сенсорами 320×240 составляет 70-80 мК. Возможный узел датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного с помощью полиимидного термоизолированного соединения.

Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК.Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V), подвешенного на мостике из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.

Текущие усовершенствования матриц неохлаждаемой фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировало 5-микронную камеру LWIR, в которой используется матрица фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. ^[28] Некоторые из материалов, используемых для матриц датчиков: аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), ^[29] манганит лантана-бария (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), цирконат свинца, легированный лантаном. титанат (PLZT), танталат свинца и скандия (PST), титанат свинца и лантана (PLT), титанат свинца (PT), ниобат свинца и цинка (PZN), титанат свинца-стронция (PSrT), титанат стронция бария (BST), титанат бария (BT ), сульфойодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (PVDF).

приложений []

Первоначально разработанные для использования в военных целях во время Корейской войны, ^{[ цитата необходима ]} термографические камеры постепенно перекочевали в другие области, такие как медицина и археология. В последнее время снижение цен способствовало внедрению технологии инфракрасного просмотра. Усовершенствованная оптика и сложные программные интерфейсы продолжают увеличивать универсальность ИК-камер.

При просмотре WISE из космоса с помощью тепловизора астероид 2010 AB78 кажется более красным, чем фоновые звезды, поскольку он излучает большую часть своего света в более длинных инфракрасных волнах.В видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне он очень тусклый и плохо различимый.