Курсовая работа: О тепловизорах
Курсовая работа: О тепловизорах
Содержание
Введение
1.
Назначение,
обзор развитие и классификация тепловизоров
2.
Тепловизоры
с оптико-механическим сканированием
3.
Тепловизоры
с электрическим сканированием
4.
Болометр
5.
Применение
тепловизоров
Заключение
Список литературы
Введение
Успехи, достигнутые за
последнюю четверть века в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного
спектра, привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, и в
частности, тепловизоров - устройств, предназначенных для наблюдения объектов по
их собственному инфракрасному излучению. Предшественники тепловизоров -
теплогенераторы были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты и
определять на них направление. По мере развития теплопеленгенераторов появилась
возможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуального
наблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания.
Так совершился логический переход от теплогенераторов к тепловизорам.
Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальном
масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных при
использовании контактных датчиков температуры, вызвала широкое применение
тепловизоров в различных областях промышленного производства, научных
исследованиях и в медицинской практике.
Все тела, температура
которых отлична от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасного
излучения. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества.
Спектры излучения газов состоят, как правило, из отдельных линий и полос,
характерных для данного газа. Линейчатые спектры атомов и полосатые спектры
молекул проявляются только в том случае, когда газ находится в разреженном
состоянии. При увеличении связи между частицами (например, при изменении
давления и температуры) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.
Для спектров жидкостей
характерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полос
возрастает и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твердых
тел вследствие сильного взаимодействия между молекулами спектры излучения становятся
сплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются в
полосы, а полосы — в участки сплошного спектра.
Инфракрасное излучение
является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных
волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм.. В оптическое
излучение входят также рентгеновское излучение (λ = 0,01...5 нм),
ультрафиолетовое (λ = 0,005...0,40 мкм) и видимое (λ = 0,40...0,76
мкм). Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн:
красная — 0,76...0,62 мкм; оранжевая — 0,62...0,59 мкм; желтая — 0,59...0,56
мкм; зеленая — 0,56... ...0,50 мкм; голубая — 0,50...0,48 мкм; синяя —
0,48...0,45 мкм и фиолетовая — 0,45...0,40 мкм.
Инфракрасное излучение
занимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к
видимому излучению, а с другой — электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную
область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (λ = 0.76...3
мкм), среднюю(λ = 3...6 мкм), дальнюю (λ= 6...15 мкм) и очень далекую
(λ = 15...1000 мкм).
Инфракрасное излучение
так же, как и видимый свет, распространяется в однородной среде по прямой
линии, подчиняется закону обратных квадратов, может отражаться, преломляться,
претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространения
инфракрасных лучей равна скорости света.
Характеризуя излучение
тепловых источников, выделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело,
серые тела и селективные излучатели. Абсолютно черное тело — это идеализированное
понятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретически
возможный максимум излучения.
У большинства твердых
тел, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределение
энергии излучения по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черного
тела. Такие тела называют «серыми». Они характерны тем, что отношение их
энергетической светимости к энергетической светимости абсолютно черного цвета,
имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентом
теплового излучения.
Строго говоря, серых
тел также в природе не существует, однако в ограниченных спектральных
диапазонах многие тела с достаточной для практики точностью можно считать
серыми. Введение понятия «серого тела» позволяет использовать законы теплового
излучения, выведенные для абсолютно черного тела. Аналогичное допущение делают
и при рассмотрении излучения селективных излучателей, для которых коэффициентом
теплового излучения считают условную величину, зависящую от ряда параметров
излучателя.
Ниже приведены основные
формулы и таблицы, необходимые для инженерного расчета параметров теплового
излучения нагретых тел.
1. Назначение,
обзор развития и классификация тепловизоров
Тепловизоры —
устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному
тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное
излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической
обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.
В отличие от
изображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных за
счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его
элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за
счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в
температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона.
Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере
соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемые
тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах
рассматриваемых объектов.
Первым тепловизором
условно можно считать эвапорограф, в котором разность температур
рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разность
толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева
(эвапорография — регистрация испарением).
В основу устройства
эвапорографа были положены опыты Джона Гершеля, который использовал для
эвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со
стороны, обращенной к наблюдаемому объекту (1840 г.).
В эвапорографе Черни
(1927 г.) использовалось не испарение спирта, а возгонка нафталина и камфары.
Во время второй мировой войны в Германии был создан усовершенствованный вариант
эвапорографа Черни — ЕУА. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в
1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработан
эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу
несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им
недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах,
достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла
около 1 °С [56, 63].
Другим прибором,
относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджеограф. Принцип его
действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы
собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы
поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена
пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной
волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность
прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление
положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и
фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволялфиксировать перепады
температур порядка 10 "С при разрешающей способности 2 лин./мм и
постоянной времени 2 мс [39, 40].
В послевоенный период в
ряде стран началась разработка сканирующих пловизоров в которых использовался
метод развертывающего преобразования, предложенный советским ученым Ф. Е.
Темниковым. В начале этого пе-иода еще не были доведены до необходимой кондиции
телевизионные передаюшие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра,
поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с
оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких
систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля С этой
точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на
три вида: низкоскоростные (время анализа поля Тк > 20 с), среднескоростные
(0,5 с <Тк< 20 с) и высокоскоростные (Тк < 0,5
с).
Вначале разрабатывались
тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в
Потстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с
болометром, во Франции — тепловизор с фоторезистором, в США — авиационный
тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный
тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина.
С 1960 г. начали
разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем
переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие
приборы получили название РЫК (от первых букв английских слов Forward
Looking Infa-Red
— инфракрасные приборы переднего обзора).
В одной из первых
наземных систем РЫК с оптико-механическим сканированием использовались две
вращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки с
одноэлементным ПИ на основе антимонида индия (InSb).
Мгновенное поле составляло 1 мрад при общем поле зрения 0,087 рад (5°),
кадровая частота 0,2 кадра/с, разрешающая способность по температуре 1 °С [56].
Опытные образцы самолетных систем РЫК были созданы и прошли летные испытания в
1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965—1975 гг.) было
разработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |