Тепловизоры с оптико-механическим сканированием

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

─────

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

 

Кафедра приборостроения

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Методы и средства тепловизионного контроля»

на тему: «Тепловизоры с оптико-механическим сканированием »

вариант №1

 

Выполнил:

Студент 3курса

Рыбачук П.А.

Специализация: 200101

№ группы ПКС ВС-10-1

Форма обучения очно-заочная

Шифр: 0203620015

Проверил: ____________________

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Санкт-Петербург

2012 г

 

 

Содержание

 

 

 

 Введение………………………………………………………………………….3

1. Назначение и классификация тепловизоров…………………………………4

2. Принцип работы и устройство тепловизоров………………………………..7

3. Применение тепловизоров ……………………………………………………9

4. Сравнительный анализ тепловизора с оптико-механическим сканированием с тепловизором с электронным сканированием ……………18

5. Методы тепловизионного контроля…………………………………………29

Заключение………………………………………………………………………31

Список литературы………………………………………………………………32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 тепловизор ов - 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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, благодаря этому 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.         

           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, благодаря этому 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. 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.

                Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных ПИ, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14 мкм.

2. Принцип работ и устройство

 

Инфракрасное излучение  является низкоэнергетическим и  для глаза человека невидимо, поэтому  для его изучения созданы специальные  приборы - тепловизоры (термографы), позволяющие  улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую  для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки. Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько фрагментов :

Длина волн (мкм)

Название 

0.76-1.5

Ближнее инфракрасное излучение 

1.5-5.5

Коротковолновое инфракрасное излучение

5.6-25

Длинноволновое инфракрасное излучение 

25-100

Дальнее инфракрасное излучение  Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и  частично применялись в период 2-й  мировой войны для обнаружения  военных и промышленных объектов. Общий принцип устройства всех тепловизоров следующий:

Инфракрасное излучение  концентрируется системой специальных  линз и попадает на фотоприемник, который  избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур,но носить с собой сосуды дюара очень неудобно. Другой вид – посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).

Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря  наличию высокочувствительных полупроводниковых  приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и  др.

 

 

 

 

 

 

3. 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 М_е равна энергетической светимости нечерного излучателя с коэффициентом теплового eизлучения  (Т).

На основании закона Стефана-Больцмана М_е = e (Т) Тd⁴ d= , 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 Тd 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 - Т_окр 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.