От первых опытов с инфракрасным излучением до термограмм тепловизора

Когда на улице холодает, и хочется подвинуться ближе к теплой батарее или электрическому обогревателю, нам не нужно их даже касаться.
Тепловая энергия достигает нас на расстоянии. Это инфракрасное излучение – часть электромагнитного спектра. Мы выступаем в качестве грубых “регистраторов” ИК-излучения, оперируя понятиями : “тепло”, “жарко” и конечно ни о какой точности определения температуры до градуса речи не идет. Для этого потребуются специальные электрические измерительные приборы, тоже “чувствующие” невидимые лучи, вот они и покажут цифровой результат, поскольку базируются на принципе инфракрасной термографии.
А кроме цифр, ряд продвинутых представителей измерительной техники, еще отображают красочную, с высоким разрешением, карту распределения температур, это тепловизоры, но дело конечно не в красоте, а в мгновенном обнаружении температурных аномалий или поиска объектов, что востребовано в широчайшем перечне отраслей:  от энергоаудита и охоты, до пожарного и военного дела.


Кстати по поводу охоты. Обратимся к животному миру. У змей имеются живые “термодетекторы”, прообраз болометров в современных тепловизионных системах. Рядом с глазами, находятся небольшие впадины, не превышающие 1 мм в диаметре, воспринимающие тепловые лучи, что позволяет им охотиться в абсолютной темноте, например на грызунов.
Более того, если говорить терминами инфракрасной термографии, то змеиные терморецепторы имеют разрешение 40 на 40 клеток. Чем не матрица тепловизора ?!
Разрешение конечно невелико, но достаточно, чтобы поймать полевую мышь и лишний раз доказывает - как много мы берем у природы, совершенствуем и реализуем в виде железа и электроники.

Инфракрасная термография из глубины веков
В 1666 году Исаак Ньютон обнаружил, что, казалось бы, белый солнечный свет вовсе не был белым, а суммировался из отдельных цветов.
В 1800 году Фредерик Уильям Гершель (1738-1822) предпринял эксперименты, в которых он изучал отдельные цвета спектра солнечного света, раскладывая их при помощи специальной призмы.


Гершель измерил температуру каждого из цветов, но в сумме, арифметически, не достиг температуры, излучаемой солнечным светом.
Долгие эксперименты не помогли найти ответ на вопрос. Работать можно сутками, но надо же и обедать.
И во время обеденного перерыва, ученый оставлял чувствительный термометр рядом с красной частью спектра, а когда он поел и вернулся к своему рабочему месту, он внезапно обнаружил, что наблюдалось значительное повышение случайно измеренной температуры.
Таким образом была получена “недостающая” температура, которая по спектру лежит дальше видимого нашими органами зрения “красного” участка спектра, т.е. в визуально невидимой области.
Это и было тепловое излучение, которое идет от Солнца и вообще от любого объекта не только теплого в привычном нам смысле, а температура которого выше абсолютного нуля. Поскольку при абсолютном нуле движение атомов и молекул полностью прекращается. И температуры нет. Как бы это странно не звучало. Именно поэтому в шкале Кельвина нет минусовых значений. Или плюс или ноль. Вот так.
Кстати, а Вы знаете какой самый холодный объект во Вселенной ? Считается, что на это ледяное звание претендует туманность Бумеранга в созвездии Центавра, удаленная от земли на 5000 световых лет. Ее температура 1К или минус -272,15 по Цельсию. По сравнению с этой невообразимой цифрой, самая холодная температура -89,2 °C, зарегистрированная на нашей планете 21.07.1983 на советской антарктической станции “Восток”, покажется настоящей жарой.

Но вернемся к Гершелю.


Итак, он пришел к выводу, что обнаружил область нового невидимого излучения, которое он назвал тепловым излучением по наблюдаемому нагревательному эффекту. Таким образом, излучение получило четкую термическую категоризацию.

Инфракрасное название появилось позже, в конце 19 века.
Однако с тех пор ИК лучи ассоциировались, в первую очередь, с тепловой энергией, хотя обнаруженное Гершелем излучение относится к спектру света. Мы не считаем его светом по причине того, что сами не видим.
Хотя и здесь не все так просто.
Интересно, что наши глаза воспринимают и видимое (оптическое) изображение и инфракрасное, но мозг “заточен” под узкую часть спектра. То есть наши органы зрения воспринимают излучение, но не передают его в мозг.
Поэтому ехать в кромешной тьме ночью на автомобиле по трассе с выключенными фарами, как Терминатор, у нас не получится.
В завершение темы, отметим, что отдавая дань памяти о важных опытах Гершеля, в мае 2009 года с космодрома Куру на борту ракеты-носителя "Ариан-5" был отправлен для исследования космического пространства крупнейший инфракрасный телескоп, носящий его имя "Гершель", который готовился к запуску целых 20 лет.

 

В 1821 году Немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком был обнаружен эффект тепловой электродвижущей силы (термо ЭДС) – возникновение электричества под действием тепла
В 1834 году Французский изобретатель и часовщик Жан Шарль Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, выяснив, что разность температур возникает на стыке двух разных типов материалов под действием электрического тока
В 1878 году Сэмюел Лэнгли, полагая, что вся жизнь и деятельность на Земле стали возможными благодаря солнечному излучению, изобрел болометр, сверхчувствительный детектор лучистого тепла, который различает перепады температуры в сотую тысячную градуса Цельсия (0,00001 С)


Этот прибор, состоящий из двух тонких металлических полос, измерительного моста, источника питания и гальванометра (устройства для измерения электрического тока), позволил ему изучать световые лучи от солнца далеко в его инфракрасной области и измерять интенсивность солнечного излучения на разных длинах волн.
Вот оно, дистанционное измерение температуры ! В те то годы.
Уже по этим примерам из тех далеких времен, видим как выстраивается цепочка, на основе которой и функционируют все современные тепловизоры:
Поверхность ➤ излучаемое инфракрасное излучение ➤ преобразование в электричество.
Не хватает еще цифрового дисплея, но мы много хотим для 18 века. Открытия сделанные тогда, и так опередили свое время на более чем 100 лет.

От инфракрасных термограмм к тепловизорам

Конструкция инфракрасной камеры очень похожа на оптическую.

Входящее тепловое излучение попадает на так называемый детектор, где измеряется его интенсивность.

Затем эта информация оцифровывается и преобразуется в окончательное изображение, которое называется термограммой.
Если измерение было выполнено правильно и в соответствующих условиях, сформированная температурная карта, несет информацию о распределении температуры поверхности объекта или измеряемых объектов.

Термограмма состоит из так называемых пикселей (как мы привыкли к классическим компьютерным изображениям или фото на смартфоне).
Отдельные пиксели соответствуют температуре поверхности измеряемого объекта в данной точке. Разрешение термограммы определяется разрешением детектора  и является одним из основных параметров.

  1. Для самых простых инфракрасных камер разрешение составляет 60*60 и честно говоря в них нельзя ровным счетом ничего разглядеть кроме размытых пятен.
  2. Значительно лучше покажет себя тепловизор 120*120, а стандарт, подходящий для энергоаудита, температурного мониторинга работы промышленного оборудования, электроустановок составляет 320х240 и выше.

С точки зрения принципа действия мы различаются два основных типа детекторов: тепловые и фотонные.

Тепловые работают по принципу изменения электрических свойств в зависимости от интенсивности падающего инфракрасного излучения.

Примером является так называемый микроболометр, который изменяет электрическое сопротивление в зависимости от интенсивности падающего излучения (оно буквально нагревает его поверхность).

Микроболометрическое поле, представляющее собой большое количество микроболометров, помещенных в двумерное пространство (длина ребер обычно от 1 до 2 см), сегодня является наиболее распространенным типом детектора и встречается по меньшей мере в 95% термокамер.

Этот тип термодетектора в настоящее время наиболее распространен в тепловизорных устройствах, что позволяет достичь температурной чувствительности до 30 мК в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.


Исключение составляют, в основном, самые дорогие ИК-камеры, используемые в исследовательских целях, где можно установить фотонный детектор для повышения его чувствительности.

Проще говоря, такие детекторы работают по принципу счета фотонов, то есть кванта электронного излучения. Они значительно более чувствительны, чем тепловые детекторы, но требуют охлаждения. Следовательно, тепловизор с фотонным детектором намного тяжелее, чем с тепловым, именно из-за необходимости охлаждения.

Другим важным отличием между тепловыми детекторами и фотонными детекторами является спектральная чувствительность. В то время как тепловые детекторы являются широкополосными, детекторы фотонов являются узкополосными и способны обнаруживать излучение только в узком диапазоне длин волн.

Кроме преобразования в электрический сигнал, необходима обработка термограммы перед выводом ее на дисплей.

Без дополнительных схем и сложных алгоритмов и мощного микропроцессора, которые обеспечивают обработку сигналов, самокалибровку камеры, коррекцию изображения и т.д., результаты были бы практически неприменимы.

На рисунках вы можете сравнить, как будут 2 термограммы. Слева - проведена обработка. А на правой много шумов. В качественных термограммах, полученное изображение будет четким и резким.