ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW PODCZERWIENI W TECHNICE

Termografia jest gałęzią wiedzy i techniki jak również procesem obrazowania w paśmie głównie średniej podczerwieni, o długości fali z przedziału od około 0,9 do 14 μm. Wykorzystywane są w niej właściwości promieniowania podczerwonego do bezkontaktowego pomiaru temperatury na odległość. Optoelektroniczne urządzenia wykorzystywane do obserwacji czy pomiarów nazywane są termowizorami, termografami, kamerami: termicznymi termograficznymi bądź podczerwonymi. Ponieważ wszystkie ciała o temperaturze wyższej od 0˚K emitują promieniowanie o określonej energii uzależnionej od temperatury i długości fali, detektor podczerwieni znajdujący się w kamerze musi przetwarzać energię padających fotonów promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny, którego wartość zależy od temperatury badanego ciała. Należy wspomnieć o rozmaitych czynnikach takich jak obecność innych ciał w otoczeniu, skład i wilgotność atmosfery, emisyjność obiektu mają istotny wpływ na poziom sygnału, a więc i obrazu wytwarzanego w kamerze termowizyjnej. Współczesne termowizory cechują się bardzo dużą rozdzielczością tj. zdolnością do rozróżniania wartości temperatury nawet na poziomie kilku bądź kilkudziesięciu mK, przy jednoczesnej niewielkiej dokładności pomiaru. Ponieważ w technologii wytwarzania dokonują się ciągłe postępy, a zwłaszcza w ostatnich latach, dlatego kamery termiczne są i będą coraz dokładniejsze, tańsze, lżejsze. Pobierać będą mniejszą moc przy jednoczesnym zwiększeniu czułości i rozdzielczości. Prowadzi to do coraz powszechniejszego i zastosowywania w wielu dziedzinach takich jak: medycyna, sztuka, technika czy nauka. Kamery termowizyjne są również użytkowane w przemyśle, badaniach kosmosu czy w służbach mundurowych.

Rysunek 41. Termograficzne zdjęcie lwa. [30]

Kamery termowizyjne są tak szeroko stosowane również z innych względów, nie potrzebują żadnego zewnętrznego doświetlania (w przeciwieństwie np. do noktowizorów), wykazują większą odporność podczas pracy w złych warunkach atmosferycznych (mgły czy dym) oraz na inne promieniowe widzialne, które maskuje czy utrudnia obserwację. Posiadają zdolność do tworzenia zobrazowań mikrozmian temperatury w czasie rzeczywistym. To z kolei stwarza niezwykłe możliwości obserwacji, wykrywania oraz diagnozowania stanu badanych obiektów. Użytkownik kamery sam decyduje o sposobie zobrazowania danych: czarno-białe, biało-czarne bądź kolorowe z różnym doborem skal.

Rysunek 42. Czarno-biały obraz z kamery termicznej. [32]

Przyrządy termowizyjne przypominają telewizję, ale czułą na zakres promieniowania podczerwonego. Powstawanie obrazu opiera się na zarejestrowaniu przez kamerę promieniowania emitowanego przez dany obiekt, a następnie przetworzenie określonego obrazu w kolorową mapę temperatur. Urządzenie termowizyjne przypomina termometr, ale taki umożliwiający pomiar temperatur na odległość. Działanie klasycznego termografu opiera się na zasadzie pomiaru wzrostu temperatury detektora absorbującego padające na niego promieniowanie. Energia cieplna obiektu badanego, np. ciała człowiek, po obiciu od zwierciadła ustawionego pod kątem 45 stopni do kierunku wiązki promieniowania pada na czujnik. „Przeszukiwanie” pola widzenia odbywa się za pomocą ruchomego zwierciadła. Sygnały sterujące z detektora mają modulują natężenie światła lampki, która następnie służy do oświetlania kliszy fotograficznej. Tym sposobem właśnie otrzymuje się obraz rozkładu temperatury badanego ciała i zaczerniana jest klisza termografu. Nowocześniejsze kamery termowizyjne wykorzystują detektory fotoprzewodzące bądź fotoemisyjne, gdzie promieniowanie podczerwone jest przetwarzane bezpośrednio w prąd elektryczny mierzony później przeznaczonym do tego miernikiem. Do uzyskiwania obrazów obiektów emitujących falę w paśmie podczerwonym stosowane są również przetworniki obrazu.

Rysunek 43. Termograf – schemat działania. [11]

Rysunek 44. Kamera termowizyjna. [11]

Widoczna na rysunku 44 kamera cechuje się dużą czułością, dochodzącą nawet do 0,2˚C, ponieważ detektor wykonany został z antymonku indu chłodzonego ciekłym azotem. „Przeszukiwanie” odbywa za pomocą drgającego lustra oraz obracającego się pryzmatu wykonanego z kwarcu. Układ tworzy pewną liczbę obrazów termograficznych na sekundę, które można dostrzec na ekranie monitora.

Rysunek 45. Współczesna kamera termowizyjna. [32]