|
Wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 ÷ 5µm oraz długofalowe LW 8 ÷ 14 µm. Wytworzył się także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na krótkofalowe i długofalowe.
Przy doborze detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się maksymalne czułością. Inny podział, wynikający z rodzaju zastosowanych detektorów, to kamery z detektorami: chłodzonymi (w których zastosowano chłodziarki) i niechłodzonymi, pracującymi w temperaturze otoczenia.
Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od –70°C (rzadko) do –200°C (najczęściej). Ponadto na rynku spotyka się kamery pomiarowe, wzorcowane u producenta, służące do pomiaru temperatury, oraz kamery obserwacyjne, pokazujące tylko barwny rozkład temperatury obszaru. Kamery obserwacyjne są tańsze od pomiarowych, dlatego stosowane są często, np. przez straż graniczną do nocnych obserwacji granic.
Detektory w kamerach termowizyjnych mogą być pojedyncze, linijkowe lub też budowane w postaci matryc (ang. FPA - Focal Plane Array), składających się np. z 320x240 pojedynczych detektorów (pikseli).
Kamery wyposażone w pojedyncze detektory lub linijkę detektorów niekiedy zwane są odpowiednio skanerami punktowymi lub linijkowymi . Obraz pola temperaturowego uzyskuje się to za pomocą optomechanicznego układu omiatającego, zbudowanego z wirujących lub drgających zwierciadeł lub z graniastosłupów skanujących. Częstotliwość omiatania wynosi zwykle 25 Hz (50 Hz) ,siła sygnału PAL – Europa oraz 30 Hz (60 Hz) dla sygnału NTSC – USA. Obserwowany obszar rozkłada się na punkty następujące po sobie czasowo.
Powstające w wyniku tego sekwencje sygnałów są przekazywane do detektora, przetwarzającego je na sygnał elektryczny. Sygnał ten jest proporcjonalny do natężenia promieniowania w poszczególnych punktach przetwarzanego obrazu. Po wzmocnieniu jest przekazywany synchronicznie z ruchem omiatającym na ekran monitora (dawniej lampy oscyloskopowej), gdzie powstaje termowizyjny obraz pola temperaturowego badanego ciała (termogram).
Opisaną wyżej zasadę działania wykorzystywano od początku powstania kamer przez 20 lat. Systemy miały jeden detektor, którego charakterystyka określała, rodzaj skanera oraz jego rozdzielczość: temperaturową zdolność określania różnic temperatury pomiędzy dwoma sąsiednimi punktami oraz przestrzenną ilość punktów (pikseli) w termogramie. Omawiany typ kamery posiada unikalne właściwości metrologiczne. Zastosowanie pojedynczego detektora powoduje, że wszystkie punkty pomiarowe charakteryzują się identycznymi parametrami metrologicznymi, gdyż ich temperatura mierzona jest przez ten sam detektor. Ma to szczególne znaczenie w sytuacji pomiaru różnicy temperatury między dwoma punktami na jednorodnym obiekcie. Kamera z pojedynczym detektorem może także przed każdym pomiarem lepiej realizować własny program autokalibracji, kompensując np. zmianę czułości detektora lub zmianę wzmocnienia w torze elektronicznym. Dla takiej kamery dużo łatwiej zaprojektować i wykonać obiektyw, który nie będzie wnosił zniekształceń optycznych i energetycznych.
Kolejny krok w budowie systemów zobrazowania termalnego to opracowanie linijek detektorów oraz zbudowanie skanerów linijkowych. W takich systemach występuje tylko jeden zespół skanujący, pionowy lub poziomy. w zależności od sposobu zamontowania linijki detektorów.
Od 1993 roku coraz częściej stosowane są kamery wyposażone w matryce detektorów typu FPA (ang. Focal Plane Array) (rys. poniżej). W typowej matrycy 320x240 jest 76 800 pojedynczych detektorów (pikseli). Każdy piksel jest odczytywany 25, 50 (sygnał PAL - Europa) lub 30, 60 (sygnał NTSC - USA) razy na sekundę przez układ odczytowy ROIC (readout integrated cicrcuit – odczyt informacji odbywa się poprzez multipleksowanie każdego piksela), co w katalogach kamer jest podawane jako „image frequency”. Należy zaznaczyć, że budowane są także matryce zawierające inną liczbę pojedynczych detektorów. W takich kamerach nie ma ruchomych elementów mechanicznych, a matryca poprzez optykę „patrzy" na badany obiekt (rys. poniżej). Wykorzystanie szybkich matryc umożliwiło budowanie kamer stosowanych do rejestracji ultraszybkich procesów cieplnych. W związku z tym powstała nowa dziedzina pomiarów termowizyjnych, tzw. ultraszybka termografia (ang. ultrafast thermography). Na rynku oferowane są systemy termowizyjne pozwalające na uzyskanie nawet kilkuset termogramów na sekundę.
Rys. Powstawanie termogramu w kamerze wyposażonej w matrycę detektorów typu FPA
(1 – optyka kamery; 2 – detektor matrycowy)
Kolejny krok w budowie kamer termowizyjnych to wprowadzenie w 1997 r. na rynek pierwszej kamery z mikrobolometrycznej matryce termicznych detektorów niechłodzonych. Nieco później wprowadzono niechłodzone matryce zbudowane z detektorów piroelektrycznych. Możliwość wyeliminowania konieczności skanowania oraz chłodzenia poprawiła parametry eksploatacyjne kamery, która ze względu na wyeliminowanie części mechanicznej stała się lekka, bardziej niezawodna oraz szybciej gotowa do pracy. Czas schładzania detektora do temperatury kriogenicznej trwał niekiedy nawet do 10 minut, natomiast czas potrzebny na stabilizację temperatury jego pracy, w kamerach bez chłodziarek, nie przekracza 1 minuty.
Materiał został opracowany na podstawie monografii:
Minkina W.: „Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody”
Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, ISBN 83-7193-237-5,
243 str. |
|
Termowizja & Termografia
