Lämpökamera ( lämpö + lat. vīsio "näkemys; visio") - laite tutkittavan pinnan lämpötilajakauman seurantaan. Lämpötilajakauma näkyy näytöllä värikuvana, jossa eri värit vastaavat eri lämpötiloja . Lämpökuvauksen tutkimusta kutsutaan termografiaksi .
Kaikki kappaleet, joiden lämpötila ylittää absoluuttisen nollan lämpötilan, lähettävät Planckin lain mukaisesti sähkömagneettista lämpösäteilyä . Säteilyn spektritehotiheydellä (Planckin funktio) on maksimi, jonka aallonpituus aallonpituusasteikolla riippuu lämpötilasta. Maksimin asema emissiospektrissä siirtyy lämpötilan noustessa kohti lyhyempiä aallonpituuksia ( Wienin siirtymälaki ). Ympäröivän maailman lämpötiloihin (-50..+50 celsiusastetta ) lämmitetyillä kappaleilla on maksimisäteily infrapuna- alueen keskialueella ( aallonpituus 7...14 mikronia). Teknisistä syistä kiinnostava on myös satojen asteiden lämpötila-alue, joka säteilee alueella 3...7 mikronia. Noin tuhannen asteen ja sitä korkeammat lämpötilat eivät vaadi havainnointiin lämpökameroita, niiden lämpöhehku näkyy paljaalla silmällä.
Historiallisesti ensimmäiset kuvantamisen lämpökuvausanturit olivat elektronityhjiöantureita . Eniten kehitystä on saanut pyrosähköisellä maalitaululla varustettuihin vidikoneihin perustuva lajike . Näissä laitteissa elektronisuihku pyyhkäisi kohteen pintaa. Säteen virta riippui kohdemateriaalin sisäisestä valosähköisestä vaikutuksesta infrapunasäteilyn vaikutuksesta. Tällaisia laitteita kutsuttiin pirikoniksi tai pyrovidikoniksi [1] . Oli myös muita pyyhkäiseviä elektroni-tyhjiöputkia, jotka ovat herkkiä infrapunasäteilyn lämpöspektrille, kuten termicon ja filterscan. [yksi]
Elektroni-tyhjiölaitteet korvattiin solid-state-laitteilla. Ensimmäiset solid-state-anturit olivat yksielementtisiä, joten ne varustettiin sähkömekaanisella optisella skannauksella kaksiulotteisen kuvan saamiseksi. Tällaisia lämpökameroita kutsutaan skannauksiksi [1] . Niissä liikkuvien peilien järjestelmä heijastaa peräkkäin säteilyä havaitun tilan jokaisesta pisteestä anturiin. Anturi voi olla yksittäinen elementti, anturielementtien rivi tai pieni ryhmä. Herkkyyden lisäämiseksi ja inertian vähentämiseksi skannaavien lämpökameroiden anturit jäähdytetään kryogeenisiin lämpötiloihin. Parhaat jäähdytetyt anturit pystyvät reagoimaan yksittäisiin fotoniin ja niiden vasteajat ovat alle mikrosekunnin.
Nykyaikaiset lämpökamerat on yleensä rakennettu erityisten matriisilämpötila-anturien - bolometrien - perusteella . Ne ovat miniatyyri ohutkalvotermistoreiden matriisi. Infrapunasäteily, jonka lämpökameran linssi kerää ja fokusoi matriisiin , lämmittää matriisin elementtejä havaitun kohteen lämpötilajakauman mukaisesti. Kaupallisesti saatavien bolometristen matriisien spatiaalinen resoluutio saavuttaa 1280*720 pistettä [2] . Kaupalliset bolometrit valmistetaan yleensä jäähdyttämättöminä laitteiden kustannusten ja koon pienentämiseksi.
Nykyaikaisten lämpökameroiden lämpötilaresoluutio on celsiusasteen sadasosat.
Siellä on havainnointi- ja mittauslämpökamerat. Havaintolämpökamerat näyttävät vain kohteen lämpötilagradientit. Mittauslämpökamerat mahdollistavat kohteen tietyn pisteen lämpötila-arvon mittaamisen emissiivisyyteen astiesinemateriaalia. Mittauslämpökamerat vaativat säännöllistä kalibrointia, jota varten ne on usein varustettu sisäänrakennetulla anturin kalibrointilaitteella, yleensä verhon muodossa, jonka lämpötila mitataan tarkasti. Suljin liikkuu ajoittain matriisin päällä, mikä mahdollistaa matriisin kalibroinnin sulkimen lämpötilan mukaan. Tämä toimenpide kestää sekunnin luokkaa, jolloin lämpökameran kuvan päivittyminen pysähtyy, mikä voi olla kriittistä joissakin havainnointisovelluksissa, erityisesti tähtäinten kuvaamisessa, joten havainnointilämpökamerat eivät ole varustettu tällä mekanismilla.
Koska tavallinen optinen lasi on läpinäkymätöntä keski-IR-alueella [3] , lämpökameroiden optiikka on valmistettu erikoismateriaaleista. Useimmiten se on germanium [4] [5] [6] , mutta se on kallista, joten joskus käytetään kalkogenidilasia, sinkkiselenidi [7] , pii , fluoriitti . Laboratoriotarkoituksiin optiikkaa voidaan valmistaa myös joistakin suoloista, kuten ruokasuolasta [8] , joka on myös läpinäkyvää vaaditulla aallonpituusalueella.
Lämpökameran avulla voit epäsuorasti arvioida kohteen lämpötilaa sen sähkömagneettisen säteilyn perusteella tietyllä infrapunaspektrin alueella. Kuitenkin todellisten materiaalien optisten ominaisuuksien poikkeamat ihanteellisen täysin mustan kappaleen ominaisuuksista vaikeuttavat lämpökameran tallentaman säteilyn yksiselitteistä muuntamista todellisen kohteen lämpötilan tarkaksi arvoksi. [9]
Planckin kaava kuvaa kehon lähettämän sähkömagneettisen säteilyn riippuvuutta kehon lämpötilasta ihannetapauksessa eli ns. täysin musta runko . [9] Todelliset kappaleet eroavat kuitenkin useimmiten täysin mustista kappaleista, ja niillä on yksilölliset heijastus- ( sironta ), läpäisy- (absorptio) ja emissioominaisuudet .elektromagneettiset aallot. Heijastuksen (sironta) ja läpäisyn ominaisuudet määräävät mittauskohteen loisvalaistuksen ympäröivistä kuumista kohteista, mikä voi johtaa kosketuksettoman lämpötila-anturin lukemien yliarviointiin. Säteilyn absorptio-ominaisuus määrittää kohteen lämpenemisen ympäröivien lämmitettyjen esineiden säteilyn vaikutuksesta. Erot todellisista materiaaleista ja mustasta kappaleesta tulevan säteilyn ominaisuuksissa johtavat lämpötilalukemien aliarvioimiseen.
Havainnollistaakseen joitain ongelmia lämpötilan määrittämisessä säteilystä keksittiin Leslie-kuutio , jonka sivut on valmistettu eri materiaaleista. Oikealla olevat Leslie-kuution kuvat osoittavat eri kuution pintojen emissiivisten ja heijastavien ominaisuuksien eron samassa kuution lämpötilassa.
Niiden materiaalien optisten ominaisuuksien numeerista karakterisointia varten, jotka vaikuttavat niistä tulevan säteilyn tasoon, otetaan käyttöön sähkömagneettisten aaltojen heijastuskerroin ( sirontakerroin ), läpäisykerroin (tai absorptiokerroin ) ja säteilykerroin. Nämä kertoimet osoittavat materiaalin ja optisesti ihanteellisen eron, erityisesti emissiokyky osoittaa, kuinka paljon materiaalin oma lämpösäteily on pienempi kuin täysin mustan kappaleen säteily samassa lämpötilassa. Alla on taulukko joidenkin materiaalien emissiokyvystä infrapuna-alueen alueella, joka on tärkeä lämpökameroiden kannalta. [9]
Materiaali | Emissiokyky |
---|---|
kiillotettu alumiini | 0,03 |
Anodisoitu alumiini | 0,55 |
kiillotettu kulta | 0,02 |
kiillotettu rauta | 0.21 |
Hapetettu rauta | 0,64 |
kiillotettua terästä | 0,07 |
Hapetettua terästä | 0,79 |
musta noki | 0,95 |
valkoinen paperi | 0,93 |
Puu | 0,90 |
kiillotettu lasi | 0,94 |
ihmisen iho | 0,98 |
Vesi | 0,92 |
Lumi | 0,80 |
Kaikki nämä kertoimet ovat riippuvaisia aallonpituudesta, eli näkyvällä ja infrapuna-alueella nämä kertoimet voivat vaihdella.
Ensimmäiset lämpökamerat luotiin 1930-luvulla. 20. vuosisata Nykyaikaiset lämpökuvausjärjestelmät alkoivat kehittää XX vuosisadan 60-luvulla. Ensimmäiset kuvantamisen lämpökuvausanturit olivat elektroni-tyhjiöanturit. Pirikonit ( pyrovidicons ) ovat saaneet suurimman kehityksen [1] . Oli myös muita pyyhkäiseviä elektroni-tyhjiöputkia, jotka ovat herkkiä infrapunasäteilyn lämpöspektrille, kuten thermicon ja filterscan [1] . Sitten lämpökamerat ilmestyivät puolijohdeantureille, jotka skannasivat optisesti mekaanisesti linssin ja yksielementtisen säteilyvastaanottimen muodostamaa näkökenttää. Tällaiset laitteet olivat äärimmäisen tehottomia ja mahdollistivat esineessä tapahtuvien lämpötilamuutosten tarkkailun erittäin alhaisella nopeudella.
Puolijohdetekniikan kehityksen ja CCD-valodiodikennojen käyttöönoton myötä , jotka mahdollistavat vastaanotetun valosignaalin tallentamisen, tuli mahdolliseksi luoda nykyaikaisia lämpökameroita, jotka perustuvat CCD-antureiden matriisiin . Tämä kuvantamisperiaate on mahdollistanut kannettavien nopean tiedonkäsittelyn laitteiden luomisen, jotka mahdollistavat lämpötilan muutosten tarkkailun reaaliajassa.
Lupaavin suunta nykyaikaisten lämpökameroiden kehityksessä on jäähdyttämättömien bolometrien [10] teknologian soveltaminen , joka perustuu ohuiden levyjen resistanssin muutoksen erittäin tarkkaan määritykseen koko spektrin lämpösäteilyn vaikutuksesta. alue. Tätä tekniikkaa käytetään aktiivisesti kaikkialla maailmassa uuden sukupolven lämpökameroiden luomiseksi, jotka täyttävät korkeimmat liikkuvuuden ja käyttöturvallisuuden vaatimukset. .
Ensimmäiset siviililämpökamerat kehitettiin Neuvostoliitossa lääketieteelliseen käyttöön Istokin ydinvoimalassa 1970-luvulla. 1970-luvun lopulta lähtien jäähdytettyyn puolijohdeanturiin TV-03 perustuvan pyyhkäisevän lämpökameran massatuotanto on alkanut [11] . Neuvostoliiton romahtamiseen mennessä tuotettiin laaja valikoima lämpökameroita siviili- ja teollisuustarkoituksiin [1] .
Sotilaskäyttöön tarkoitettuja lämpökameroita on kehitetty 1970-luvulta lähtien, aluksi Aviation Optical Radar Station (OLS) -tutka-asemien muodossa [12] [13] . 1980-luvun loppuun mennessä säiliöihin asennettiin myös ensimmäiset sarjalliset Agava-2-lämpökuvaustähtäimet [14] .
Neuvostoliiton jälkeisen teollisuuden romahtaminen 1990-luvulla ja tehokkaiden jäähdyttämättömien bolometristen matriisien kehittäminen lännessä aiheuttivat Venäjän huomattavan jäljessä tällä alueella. Ulkomailta ostettiin siviili- ja sotilaskäyttöön tarkoitettuja lämpökuvausantureita ja -järjestelmiä. Siitä huolimatta alkoi ilmestyä raportteja teknologisen aukon voittamisesta ja kansallisten antureiden tuotannon laajentamisesta [15] [16] [17] .
Lämpökamerat ovat laajalti käytössä sekä suurissa teollisuusyrityksissä, joissa kohteiden lämpötilan huolellinen seuranta on välttämätöntä, että pienissä organisaatioissa, jotka osallistuvat verkkojen vianetsintään eri tarkoituksiin.
Erityisen laajasti lämpökameraa käytetään rakentamisessa arvioitaessa rakenteiden lämmöneristysominaisuuksia. Joten esimerkiksi lämpökameran avulla voit määrittää talon suurimman lämpöhäviön alueet.
Asevoimat käyttävät lämpökameroita yönäkölaitteina lämpökontrastisten kohteiden (työvoiman ja varusteiden) havaitsemiseen milloin tahansa vuorokauden aikana, huolimatta vihollisen käyttämistä tavallisista optisen peittämisen keinoista näkyvällä alueella ( naamiointi ). Lämpökamerasta on tullut tärkeä osa hyökkäysarmeijan ilmailun ja panssaroitujen ajoneuvojen tähtäysjärjestelmiä. Myös pienaseiden lämpökuvaustähtäimiä käytetään, vaikka ne eivät korkean hinnan vuoksi ole vielä saaneet laajaa levitystä.
Palo- ja pelastuslaitokset käyttävät lämpökameroita uhrien etsintään, palopesäkkeiden tunnistamiseen, tilanteen analysointiin ja evakuointireittien etsimiseen.
Ihmisen iholla on korkea emissiokyky (~0,98), lähellä täysin mustan kehon emissiokykyä, mikä tekee ihmisen ihon lämpötilan tarkkailemisesta lämpökameralla informatiivista. [9] Alhainen ihon heijastuskyky lämpö-IR-alueella minimoi kuumennettujen ympäristön esineiden vaikutuksen. Lämpökameran avulla voit rekisteröidä sekä staattisen lämpötilajakauman että ihon lämpötilajakauman dynamiikan. Ihon lämpötilan pintajakauman määrää ihonalaisten verisuonten, lihasten, sisäelinten ja rasvan tila. Lämpösäätelyn fysiologia voi riippua sekä ympäristöolosuhteista että fyysisestä tai emotionaalisesta stressistä sekä farmakologisten lääkkeiden vaikutuksesta.
Lääketieteellisten lämpökameroiden kehittäminen aloitettiin Neuvostoliitossa Istokin ydinvoimalassa ( Fryazino , Moskovan alue ) vuonna 1968 . 1980-luvulla kehitettiin menetelmiä lämpökameroiden käyttämiseksi eri sairauksien diagnosoinnissa. Kotimaisen teollisuuden noina vuosina tuottamaa TV-03-lämpökameraa käytettiin laajasti erilaisissa lääketieteellisissä laitoksissa. TV-03 oli ensimmäinen hermokirurgiassa käytetty lämpökamera [11] . Nykyaikaisessa lääketieteessä lämpökameraa käytetään sellaisten patologioiden havaitsemiseen, joita on vaikea diagnosoida muilla menetelmillä, mukaan lukien pahanlaatuisten kasvainten havaitseminen.
SARS-potilaiden tunnistaminenEpidemioiden ehkäisemiseksi lämpökameroilla on vuodesta 2008 lähtien eristetty korkean lämpötilan omaavat ihmiset joukosta , johon liittyy akuutteja hengityselinsairauksia . [18] [19] Vuonna 2020 ympäri maailmaa levinnyt COVID-19-pandemia on lisännyt lämpökameroiden kysyntää kosketuksettomaan kehon lämpötilan mittaamiseen julkisissa ja ruuhkaisissa paikoissa. Samana vuonna Roskomnadzor toi esiin lämpökameroiden käytön vivahteet organisaatioiden työntekijöiden ja vierailijoiden lämpötilan mittaamiseen [20] . On kuitenkin otettava huomioon, että lämpökamera mittaa avoimen ihon lämpötilaa ja siksi sen lukemat voivat riippua kehon lämpötilan lisäksi myös muista tekijöistä, erityisesti ilmasto-olosuhteista.
Perinteisessä lääketieteessä ihmisen ruumiinlämpömittauksia tehdään kontaktilämpömittareilla neljältä alueelta: kainalosta (normaalisti 36,6...36,8°C), kielen alta (normaalisti 36,7...36,8°C), peräsuolesta (normaalisti). 37 °C), ulkokorokäytävässä. [9] Jos lämpötilan etämittaus tarvitaan, nämä alueet eivät ole käytettävissä, useimmiten vain kasvoalue on käytettävissä. COVID-19-pandemia on pakottanut etsimään nopeita, kosketuksettomia tapoja mitata lämpötilaa, ja lämpökamerat, jotka mittaavat lämpötilaa ulkokorukäytävässä vaihdettavalla kertakäyttöisellä kärjellä, ovat yleistyneet [21] .
Säädettäessä monimutkaisten prosessien lämpötilaa, joille on ominaista epätasainen kuumennus, epästationaarisuus ja lämpöemissiivisuuden heterogeenisuus, lämpökamerat ovat tehokkaampia kuin pyrometrit, koska tuloksena olevan termogrammin tai lämpötilakentän analyysin suorittaa voimakas ihmisen näköjärjestelmä.
Kuumennettujen metallien lämpötilan mittauksen luotettavuuden parantamiseksi on tarpeen valita oikein lämpösäteilyn rekisteröinnin spektrialue [22] . Yli 400 °C kuumennettujen metallien lämpösäteilykerroin ε muuttuu suuresti johtuen niiden pinnan hapettumisesta ilmakehän hapen vaikutuksesta [23] . Siksi niiden lämpösäteilyn rekisteröimiseksi on tarpeen valita osa spektristä, jossa epävarmuuden ε vaikutus saatuihin lämpötilalukemiin on minimaalinen [22] .
Lämpökuvaustekniikassa käytetään erilaisia spektrin osia. Matalia lämpötiloja mitattaessa lämpösäteilyä rekisteröidään spektrialueella 8–14 μm ja joskus 3–5 μm alueella [24] . Yli 700 °C:n lämpötilojen mittaamiseen käytetään korkean lämpötilan lämpökameroita, joissa käytetään Si [25] - tai InGaAs-pohjaisia matriiseja, jotka ovat herkkiä spektrin lähi-infrapuna-alueella, jossa metallien lämpöemissiokyky ε on paljon suurempi kuin alueella 8–14 μm [22] [23] . Jos on tarpeen mitata todellinen lämpötila, käytetään lämpökameroita, jotka tallentavat lämpösäteilyä spektrin kolmeen osaan.
Vuonna 2014 FLIR Systems julkaisi Applen älypuhelimille kotelon , johon on asennettu lämpökamera [26] . Samana vuonna Seek Thermal julkaisi erillisen lämpökameran iOS- ja Android - laitteille [27] . Helmikuussa 2016 julkistettiin ensimmäinen Caterpillar S60 -älypuhelin, jossa on sisäänrakennettu lämpökamera, jonka on kehittänyt FLIR [28] .
Tammikuussa 2020 Uzbekistanin kansalainen , joka ylitti laittomasti Valko-Venäjän ja Liettuan rajan , käytti foliokorkkia pettääkseen rajavartijoiden lämpökamerat. On raportoitu, että tällaisia tapauksia kirjattiin toistuvasti [29] .
Lämpökuvausliitin päiväkoeputkiin
Universaali valvontalaite turvallisuutta varten
Kaksikanavainen lämpökuvaus- ja televisiolaite ympärivuorokautiseen käyttöön
Monispektrinen monikäyttöinen valvonta- ja kohdemerkintäjärjestelmä
Monokulaarinen lämpökuvaus
Lämpökuvauslaite ympärivuorokautiseen valvontaan
![]() |
---|