Termowizja

Termowizja
Informacje i
zastosowania
Wprowadzenie


Widmo elektromagnetyczne jest podzielone na szereg obszarów długości
fal, które rozróżniane są poprzez metody wykorzystywane do detekcji
promieniowania.
Nie ma zasadniczej różnicy pomiędzy promieniowaniem w różnych
pasmach widma elektromagnetycznego. Wszystkie one podlegają tym
samym prawom, a jedyna różnica polega na długości fali.
• Badania termowizyjne polegają na mierzeniu emitowanych fal
elektromagnetycznych przez ciała o temperaturze wyższej od zera
bezwzględnego.
• Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem podczerwonym lub
promieniowaniem cieplnym.
• Intensywność promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do
temperatury ciała.
Mierząc promieniowanie podczerwone wysyłane
przez dane ciało mierzymy jego temperaturę.

•
•
•
•
Zakres podczerwieni jest często dzielony na cztery mniejsze zakresy,
których granice są umownie określone. Zawierają one:
„bliską podczerwień” (0.75-3µm),
„średnią podczerwień” (3-6µm),
„daleką podczerwień” (6-15µm),
„bardzo daleką podczerwień” (15-100µm).
Aby móc wykorzystać
emisję promieniowania podczerwonego w pomiarach
obiektów rzeczywistych należy wprowadzić model o idealnych właściwościach
promieniowania - ciało doskonale czarne.
U podstaw działania termowizji leży prawo Stefana-Boltzmanna
E0= k*T4
k - stała Boltzmanna 1,380 658∙10-23 W*m-2*K-4
Rzeczywiste obiekty mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy
pomiarach należy uwzględnić tą odchyłkę poprzez wprowadzenie współczynnika
emisyjności.
k0 = e*k
Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania podczerwonego przez
dane ciało. Emisyjność dla ciała doskonale czarnego byłaby jednością, a dla ciał
rzeczywistych zależy od ich składu chemicznego oraz sposobu wykończenia
powierzchni.
Przykładowe wartości współczynnika
emisyjności wynoszą:





Blacha stalowa ocynkowana 0.23
Beton 0.62
Drewno świerkowe 0.77
Tynk wapienny 0.91
Szkło okienne 0.94
Należy pamiętać, że bezpośrednie porównywanie temperatur na
termogramie jest możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one
różne, to temperatury należy przeliczyć.
Promieniowanie podczerwone musi przebyć pewną drogę od obiektu do urządzenia
pomiarowego przez pewien ośrodek. Najczęściej jest to powietrze, którego optyczne
właściwości podczerwone mogą wpływać na otrzymywany wynik. Szczególnie para wodna
lub dwutlenek węgla mogą zmniejszać jego zdolność przepuszczania promieniowania
podczerwonego.
Przepuszczalność powietrza zależy w bardzo dużym stopniu od długości fali. Obszary
o wysokim tłumieniu przenikają się z obszarami o dużej przepuszczalności tzw. "oknami
atmosferycznymi". W związku z tym, że promieniowanie podczerwone jest w większości
zakresów znacznie tłumione w atmosferze Ziemi, producenci systemów termowizyjnych
wybrali dwa przedziały, w których to tłumienie jest nieznaczne, (3-5 µm oraz 8-14 µm)
Spektralny współczynnik transmisyjności powietrza (10m, 25°C, 1013mbar, 85%r.F.)
Detektory promieniowania podczerwonego
W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale,
co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy
detektora jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału zależnej od
temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej
polaryzacji elektrycznej, zaś w bolometrach jest to zmiana rezystancji.
Detektor termiczny
Do osiągnięcia wysokiej rozdzielczości obrazów konieczne jest stosowanie detektorów
wieloelementowych – dużych mozaik liniowych i matryc dwuwymiarowych.
W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane na skutek
oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą
rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność
czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami
termicznymi charakteryzują się wyższymi czułościami i krótszymi czasami
odpowiedzi
Aby
uzyskać
wysoką
wykrywalność należy detektor
konstruować
z
materiału
półprzewodnikowego o wysokim
współczynniku absorpcji i niskiej
generacji termicznej nośników.
Wśród detektorów podczerwieni
powyższe
warunki
najlepiej
spełnia roztwór stały tellurku rtęci
(HgTe) i tellurku kadmu (CdTe)
oznaczany jako HgCdTe.
Model konstrukcji idealnego detektora fotonowego
Konstrukcję detektora fotonowego projektuje się w ten sposób, aby jego aktywna
część była „utopiona” w materiale o szerszej przerwie energetycznej. W ten sposób
eliminuje się wpływ kontaktów elektrycznych i powierzchni detektora na jego osiągi.
Ponadto stosuje się koncentratory optyczne dla zwiększenia wydajności kwantowej.
W celu uzyskania lepszych osiągów systemów obrazowania, stosowane są
dwuwymiarowe matryce detektorów z obróbką sygnału w płaszczyźnie obrazowej układu
optycznego.
Wykonywane są w postaci matryc monolitycznych, częściej jednak stosowane są
matryce hybrydowe. Łączenie hybrydowe pozwala na niezależne, optymalne
opracowanie technologii matrycy detektorów i odczytującego procesora krzemowego,
które są następnie łączone za pomocą słupków indowych.
Promieniowanie
Podłoże
detektora
Procesor
krzemowy
Matryca
detektorów
Matryca detektorów
Procesor Si
Warstwa aktywna
Słupek
indowy
Łączenie hybrydowe dwuwymiarowej matrycy detektorów z procesorem krzemowym
Niezawodność pracy układów „widzenia termalnego” ulega wyraźnej poprawie jeżeli
dysponujemy detektorami pracującymi w kilku zakresach widmowych. Znacznej poprawie
ulega prawdopodobieństwo wykrycia, rozróżnienia i identyfikacji obiektu.
Systemy analizujące obraz w dwu różnych zakresach widmowych umożliwiają
określenie zarówno bezwzględnej temperatury jak i specyficzne cechy obiektu.
Schemat działania ”dwubarwnego” detektora z HgCdTe pracującego w średniofalowych i długofalowych
zakresie widma promieniowania podczerwonego.
Największe dotychczas wykonane matryce ”dwubarwne” to matryce o formacie 256256 i
rozmiarach pikseli 3030 m2. Wytwarzane są w różnych konfiguracjach spektralnych
czułości (ŚF/ŚF, ŚF/DF i DF/DF).
Spektralna zależność czułości detektorów ”dwubarwnych” z HgCdTe.
Detektor na studniach kwantowych AlGaAs/GaAs
Wzbudzenia optyczne nośników mają miejsce w studniach kwantowych.
Wykonywane są z półprzewodników o szerokich przerwach energetycznych i o stabilnych
właściwościach chemicznych, w których aktywne przejścia optyczne nośników zachodzą
pomiędzy dyskretnymi poziomami energetycznymi w podpasmach pasm przewodnictwa
lub walencyjnych.
Struktura składa się z periodycznie ułożonych domieszkowanych studni kwantowych
z GaAs, oddzielonych przez niedomieszkowane bariery z AlxGa1–xAs.
Profil struktury pasmowej fotorezystora ze studni kwantowych układu AlGaAs/GaAs. Trzy mechanizmy źródeł prądu
ciemnego są również zaznaczone: tunelowanie sekwencyjne (1), tunelowanie z termoaktywacją (2) i termoemisja
Mikrobolometr krzemowy
Podstawowym elementem bolometru jest płytka o grubości 0.5 μm
podtrzymywana na dwóch „nogach” zapewniających odpowiednio wysoką
rezystancje termiczną pomiędzy płytką i otoczeniem. Aktywnym materiałem
detektora jest tlenek wanadu naparowany na płytce. Zmiany temperatury na płytce
są sygnalizowane przez monolitycznie zintegrowane obwody elektryczne położone
poniżej mostka i połączone elektrycznie cienkimi warstwami metalicznymi
osadzonymi na „nogach”.
Struktura mostkowa mikrobolometru
Podstawowe parametry detektorów podczerwieni
Najważniejszym parametrem jest tzw. detekcyjność definiowana jako
stosunek sygnału do szumu unormowany do jednostkowej szerokości pasma i
jednostkowej powierzchni detektora
Rv Af 1 / 2

D 


Vn
gdzie Rv – czułość napięciowa, A – powierzchnia, a Df – szerokość pasma
szumowego
Pozostałe to:
- zakres widmowy czułości,
- równoważna moc szumów NEP,
- czułość C,
- stała czasowa t,
- termiczna zdolność rozdzielcza DTm,
- rezystancja R,
- temperatura pracy Tp.
Badania termowizyjne obejmują pomiar i zobrazowanie
promieniowania podczerwonego pochodzącego z badanego obiektu.
Kamera umożliwia cyfrową rejestrację rozkładu temperatur
badanego obiektu. Tak powstała "mapa temperatur" jest następnie
interpretowana graficznie - każdej temperaturze przypisywana jest
inna barwa, dzięki czemu w wizjerze widziany jest termalny obraz
obiektu.
Ponadto, możliwa jest analiza termogramów, np. wykreślanie izoterm,
określanie rozkładu temperatur wzdłuż dowolnego profilu, tworzenie
histogramów, pobieranie danych z termogramu bezpośrednio do
wykonywania obliczeń.
Wybrane urządzenia termowizyjne
ThermaCAM E 320
• detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli
• pasmo działania 7.5 - 13 µm
• zakres temperaturowy -20 °C do +500 °C
ThermaCAM P45
• detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli
• pasmo działania 7.5 - 13 µm
• zakres temperaturowy -40 °C do +500 °C
ThermaCAM SC3000
• detektor GaAs (QWIP), 320 x 240 pikseli
• pasmo działania: 8 - 9µm
• zakres temperaturowy -40 °C do +500 °C
Zastosowania termowizji
Elektroenergetyka
Podłączenie transformatora.
Strona 15 kV.
Podłączenie przekładnika prądowego.
Przekładniki prądowe.
Listwa zaciskowa
Gazownictwo
Nieszczelność podłączenia manometru
Podłączenie zaworu ręcznego
Energetyka cieplna
Nieszczelność ogrzewania podłogowego
Uszkodzenia izolacji ciepłociągu
Budownictwo
Budynek niedocieplony
Budynek docieplony
Chłodnictwo
Mostek termiczny tworzony przez poziomą belkę.
Loty
Widok gazociągu podziemnego
drzwi - brak izolacji termicznej
Kryminalistyka
Ratownictwo
Wojsko
Ręczna Kamera Termowizyjna TKR-2
Medycyna
Ochrona obiekiektów
Badanie Kosmosu
Weterynaria
Mechanika
Elektronika
Zastosowania termowizji są bardzo szerokie.