Termowizja

Fizyka TechnicznaGrzegorz Kiełbiński

Szczecin 04.01.2006

Wprowadzenie

Widmo elektromagnetyczne jest podzielone na szereg obszarów długości fal, które rozróżniane są poprzez metody wykorzystywane do detekcji promieniowania.

Nie ma zasadniczej różnicy pomiędzy promieniowaniem w różnych pasmach widma elektromagnetycznego. Wszystkie one podlegają tym samym prawom, a jedyna różnica polega na długości fali.

Zakres podczerwieni jest często dzielony na cztery mniejsze zakresy, których granice są umownie określone. Zawierają one:

• „bliską podczerwień” (0.75-3µm),• „średnią podczerwień” (3-6µm), • „daleką podczerwień” (6-15µm), • „bardzo daleką podczerwień” (15-100µm).

•Badania termowizyjne polegają na mierzeniu emitowanych fal elektromagnetycznych przez ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego.

•Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem podczerwonym lub promieniowaniem cieplnym.

•Intensywność promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do temperatury ciała.

Mierząc promieniowanie podczerwone wysyłane przez dane ciało mierzymy jego temperaturę.

Aby móc wykorzystać emisję promieniowania podczerwonego w pomiarach obiektów rzeczywistych należy wprowadzić model o idealnych właściwościach promieniowania - ciało doskonale czarne.

U podstaw działania termowizji leży prawo Stefana-Boltzmanna

k0 - stała Stefana- Boltzmanna 5.67∙10-8 W*m-2*K-4

Rzeczywiste obiekty mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy

pomiarach należy uwzględnić tą odchyłkę poprzez wprowadzenie współczynnika emisyjności.

Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania podczerwonego przez dane ciało. Emisyjność dla ciała doskonale czarnego byłaby jednością, a dla ciał rzeczywistych zależy od ich składu chemicznego oraz sposobu wykończenia powierzchni.

E0= k0*T4

k = *k0

Przykładowe wartości współczynnika emisyjności wynoszą:

Blacha stalowa ocynkowana 0.23 Beton 0.62 Drewno świerkowe 0.77 Tynk wapienny 0.91 Szkło okienne 0.94

Należy pamiętać, że bezpośrednie porównywanie temperatur na termogramie jest możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one różne, to temperatury należy przeliczyć.

Promieniowanie podczerwone musi przebyć pewną drogę od obiektu do urządzenia pomiarowego przez pewien ośrodek. Najczęściej jest to powietrze, którego optyczne właściwości podczerwone mogą wpływać na otrzymywany wynik. Szczególnie para wodna lub dwutlenek węgla mogą zmniejszać jego zdolność przepuszczania promieniowania podczerwonego.

Przepuszczalność powietrza zależy w bardzo dużym stopniu od długości fali. Obszary o wysokim tłumieniu przenikają się z obszarami o dużej przepuszczalności tzw. "oknami atmosferycznymi". W związku z tym, że promieniowanie podczerwone jest w większości zakresów znacznie tłumione w atmosferze Ziemi, producenci systemów termowizyjnych wybrali dwa przedziały, w których to tłumienie jest nieznaczne, (3-5 µm oraz 8-14 µm)

Spektralny współczynnik transmisyjności powietrza (10m, 25°C, 1013mbar, 85%r.F.)

Do osiągnięcia wysokiej rozdzielczości obrazów konieczne jest stosowanie detektorów wieloelementowych – dużych mozaik liniowych i matryc dwuwymiarowych.

Detektory promieniowania podczerwonego

W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy detektora jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału zależnej od temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej polaryzacji elektrycznej, zaś w bolometrach jest to zmiana rezystancji.

Detektor termiczny

Aby uzyskać wysoką wykrywalność należy detektor konstruować z materiału półprzewodnikowego o wysokim współczynniku absorpcji i niskiej generacji termicznej nośników. Wśród detektorów podczerwieni powyższe warunki najlepiej spełnia roztwór stały tellurku rtęci (HgTe) i tellurku kadmu (CdTe) oznaczany jako HgCdTe.

Konstrukcję detektora fotonowego projektuje się w ten sposób, aby jego aktywna część była „utopiona” w materiale o szerszej przerwie energetycznej. W ten sposób eliminuje się wpływ kontaktów elektrycznych i powierzchni detektora na jego osiągi. Ponadto stosuje się koncentratory optyczne dla zwiększenia wydajności kwantowej.

Model konstrukcji idealnego detektora fotonowego

W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane na skutek oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami termicznymi charakteryzują się wyższymi czułościami i krótszymi czasami odpowiedzi

W celu uzyskania lepszych osiągów systemów obrazowania, stosowane są dwuwymiarowe matryce detektorów z obróbką sygnału w płaszczyźnie obrazowej układu optycznego.

Wykonywane są w postaci matryc monolitycznych, częściej jednak stosowane są matryce hybrydowe. Łączenie hybrydowe pozwala na niezależne, optymalne opracowanie technologii matrycy detektorów i odczytującego procesora krzemowego, które są następnie łączone za pomocą słupków indowych.

M atrycadetektorów

Procesorkrzem owy

Słupekindowy

Warstwa aktywna

Podłożedetektora

M atryca detektorów

Procesor S i

Prom ieniow anie

Łączenie hybrydowe dwuwymiarowej matrycy detektorów z procesorem krzemowym

Niezawodność pracy układów „widzenia termalnego” ulega wyraźnej poprawie jeżeli dysponujemy detektorami pracującymi w kilku zakresach widmowych. Znacznej poprawie ulega prawdopodobieństwo wykrycia, rozróżnienia i identyfikacji obiektu.

Systemy analizujące obraz w dwu różnych zakresach widmowych umożliwiają określenie zarówno bezwzględnej temperatury jak i specyficzne cechy obiektu.

Schemat działania ”dwubarwnego” detektora z HgCdTe pracującego w średniofalowych i długofalowych zakresie widma promieniowania podczerwonego.

Największe dotychczas wykonane matryce ”dwubarwne” to matryce o formacie 256256 i rozmiarach pikseli 3030 m2. Wytwarzane są w różnych konfiguracjach spektralnych czułości (ŚF/ŚF, ŚF/DF i DF/DF).

Spektralna zależność czułości detektorów ”dwubarwnych” z HgCdTe.

Wzbudzenia optyczne nośników mają miejsce w studniach kwantowych. Wykonywane są z półprzewodników o szerokich przerwach energetycznych i o stabilnych właściwościach chemicznych, w których aktywne przejścia optyczne nośników zachodzą pomiędzy dyskretnymi poziomami energetycznymi w podpasmach pasm przewodnictwa lub walencyjnych.

Struktura składa się z periodycznie ułożonych domieszkowanych studni kwantowych z GaAs, oddzielonych przez niedomieszkowane bariery z AlxGa1–xAs.

Profil struktury pasmowej fotorezystora ze studni kwantowych układu AlGaAs/GaAs. Trzy mechanizmy źródeł prądu ciemnego są również zaznaczone: tunelowanie sekwencyjne (1), tunelowanie z termoaktywacją (2) i termoemisja

Detektor na studniach kwantowych AlGaAs/GaAs

Mikrobolometr krzemowy

Podstawowym elementem bolometru jest płytka o grubości 0.5 μm podtrzymywana na dwóch „nogach” zapewniających odpowiednio wysoką rezystancje termiczną pomiędzy płytką i otoczeniem. Aktywnym materiałem detektora jest tlenek wanadu naparowany na płytce. Zmiany temperatury na płytce są sygnalizowane przez monolitycznie zintegrowane obwody elektryczne położone poniżej mostka i połączone elektrycznie cienkimi warstwami metalicznymi osadzonymi na „nogach”.

Struktura mostkowa mikrobolometru

Podstawowe parametry detektorów podczerwieni

Najważniejszym parametrem jest tzw. detekcyjność definiowana jako stosunek sygnału do szumu unormowany do jednostkowej szerokości pasma i jednostkowej powierzchni detektora

gdzie Rv – czułość napięciowa, A – powierzchnia, a Df – szerokość pasma szumowego

n

2/1v

V

fARD

Pozostałe to:

- zakres widmowy czułości,- równoważna moc szumów NEP, - czułość C, - stała czasowa , - termiczna zdolność rozdzielcza DTm, - rezystancja R, - temperatura pracy Tp.

Badania termowizyjne obejmują pomiar i zobrazowanie promieniowania podczerwonego pochodzącego z badanego obiektu. Kamera umożliwia cyfrową rejestrację rozkładu temperatur badanego obiektu. Tak powstała "mapa temperatur" jest następnie interpretowana graficznie - każdej temperaturze przypisywana jest inna barwa, dzięki czemu w wizjerze widziany jest termalny obraz obiektu.

Ponadto, możliwa jest analiza termogramów, np. wykreślanie izoterm, określanie rozkładu temperatur wzdłuż dowolnego profilu, tworzenie histogramów, pobieranie danych z termogramu bezpośrednio do wykonywania obliczeń.

Wybrane urządzenia termowizyjne

ThermaCAM E 320• detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli• pasmo działania 7.5 - 13 µm• zakres temperaturowy -20 °C do +500 °C

ThermaCAM P45• detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli• pasmo działania 7.5 - 13 µm• zakres temperaturowy -40 °C do +500 °C

ThermaCAM SC3000• detektor GaAs (QWIP), 320 x 240 pikseli• pasmo działania: 8 - 9µm• zakres temperaturowy -40 °C do +500 °C

Zastosowania termowizji

Elektroenergetyka

Podłączenie transformatora. Strona 15 kV.

Przekładniki prądowe.

Podłączenie przekładnika prądowego. Listwa zaciskowa

Gazownictwo

Nieszczelność podłączenia manometru Podłączenie zaworu ręcznego

Energetyka cieplna

Nieszczelność ogrzewania podłogowego Uszkodzenia izolacji ciepłociągu

Budownictwo

Budynek niedocieplony Budynek docieplony

Chłodnictwo

Mostek termiczny tworzony przez poziomą belkę. drzwi - brak izolacji termicznej

Loty

Widok gazociągu podziemnego

Kryminalistyka

Ratownictwo

Wojsko

Ręczna Kamera Termowizyjna TKR-2

Medycyna Ochrona obiekiektów

Badanie Kosmosu Mechanika

Weterynaria Elektronika

Zastosowania termowizji są bardzo szerokie.