Kamery termowizyjne – zrozumienie ich działania i technologia bolometryczna

Podobnie jak zwykła kamera, kamera termowizyjna wykorzystuje fale termiczne podczerwone do oddziaływania na materiał (amorficzny tlenek krzemu lub tlenek wanadu), zmieniając w ten sposób jego rezystancję. Jednak w przeciwieństwie do zwykłej kamery, która wykorzystuje matrycę CMOS do wykrywania fotonów, które przeszły przez efekt ogniskowania obiektywu. Nawet w tym punkcie niskobudżetową kamerę termowizyjną używa innej konfiguracji.

Kamera termowizyjna nazywa się bolometrem.

Ponieważ bolometry często zawierają bardzo duże piksele w porównaniu z kamerą wizyjną, rozdzielczość kamery termowizyjnej może sięgać nawet 640 x 480, co jest stosunkowo niską rozdzielczością jak na kamerę wizyjną. Należy pamiętać, że w przypadku energii cieplnej ciepło jest transportowane w różnych widmach elektromagnetycznych, ale tylko jedno z tych widm – widmo podczerwieni – jest próbkowane do obrazowania termicznego.

W tym widmie energia cieplna zachowuje się podobnie do energii światła widzialnego, ponieważ może przemieszczać się na duże odległości i można ją skupić na bolometrze za pomocą soczewki nieszklanej. Dodatkowo, podobnie jak światło widzialne, to promieniowanie podczerwone może odbijać się od luster.

Pierwszą rzeczą, którą musisz zrozumieć, korzystając z kamery termowizyjnej, jest to, że ciepło ma silną zależność od czasu w czasie. W widmie widzialnym światło jest obecne lub nieobecne. W środowisku termicznym temperatura obiektu jest stale przenoszona na inne obiekty na obrazie.

Dwa zdjęcia tego samego obiektu wykonane w małych odstępach czasu wykazują zauważalną różnicę. Samo położenie dłoni na stole i zdejmowanie go powoduje pozostawienie odcisku dłoni, którego ochłodzenie do temperatury pokojowej może zająć kilka sekund.

Dlatego w przypadku kamery termowizyjnej kluczowy jest czas wykonania zdjęcia, podobnie jak kontrola ogólnej temperatury sceny. W zależności od grubości zgrzewanego materiału, temperatura może wynosić 180°F w momencie zgrzewania, 150°F dwie sekundy później i bliska temperatury pokojowej w ciągu zaledwie 10 sekund, co sprawia, że ​​liczba sekund pomiędzy zgrzewaniem jest krytyczna operacja uszczelniania i kontrola.

Aby uzyskać cenne informacje, należy precyzyjnie zaplanować badanie obrazu termowizyjnego w zależności od zdarzenia termicznego. Dodatkowo zawartość torebki pozwala szybko obniżyć temperaturę zgrzewania.

Kamery termowizyjne pod kątem współczynnika odbicia i nieprzezroczystości termicznej

Odbicie ciepła i nieprzezroczystość to kolejny problem inżynierii cieplnej. W filmach hollywoodzkich kamera termowizyjna jest przedstawiana jako posiadająca zdolność widzenia przez bariery. Ponieważ przezroczyste szkło i powierzchnia kałuży są nieprzezroczyste termicznie, kamera termowizyjna nie może nawet dokonać przez nie pomiaru w prawdziwym świecie.

Dodatkowo, ponieważ woda w powietrzu ma temperaturę, która przepuszcza widmo podczerwieni, ukrywając sygnaturę termiczną za cząsteczką wody, kamery termowizyjne nie mogą skutecznie działać w szczególnie wilgotnym środowisku. Para lub mgła znajduje się w połowie drogi między przezroczystością termiczną a nieprzezroczystością, podczas gdy zwykłe suche powietrze jest termicznie przezroczyste.

Utrudnia to obrazowanie termowizyjne w wilgotnym lub mokrym środowisku. Sygnatura cieplna obiektów znajdujących się na jego ścieżce optycznej, a nie sygnatura cieplna samego metalu, jest odbijana przez błyszczący kawałek metalu, który często odbija ciepło. Nieoczekiwanie dlatego folia świetnie sprawdza się w piekarniku; dzieli środowisko termiczne na dwie części, umożliwiając jedynie konwekcję/przewodzenie energii cieplnej, odrzucając jednocześnie promieniowanie podczerwone.

Dlatego obrazowanie termowizyjne i obrazowanie wizualne są bardzo różne, ale mają pewne podobieństwa. Odbicie powierzchni, pogoda, wilgotność i rozdzielczość to czynniki wpływające na obrazowanie termowizyjne. Inżynier ma już wiele do zrobienia, ale to nie wszystko.

Bolometry

Jakiego bolometru użyć – tańszego bolometru niechłodzonego czy droższego bolometru chłodzonego? Jaka jest różnica ?

Chłodzony bolometr generuje obraz wyjątkowo wolny od szumów w porównaniu z niechłodzonym bolometrem (z dokumentacji Teledyne FLIR). Każdy piksel danych zawiera szum, czyli losową zmienność. Z mojego doświadczenia wynika, że ​​hałas typowego niechłodzonego bolometru wynosi zwykle mniej niż 5 stopni.

Niechłodzone urządzenie jest bardzo przydatne i prawdopodobnie będzie działać dobrze, jeśli podejmujesz decyzje w zakresie dziesięciu stopni lub więcej, czyli zazwyczaj w środku zakresu wykrywania czujników. Ponadto, jeśli obiekt porusza się szybko, najlepszym rozwiązaniem będzie chłodzony bolometr. Pokazano oponę obracającą się z prędkością 20 mil na godzinę z niechłodzonym (po lewej) i chłodzonym (po prawej) bolometrem (literatura Teledyne FLIR).

Na lewym zdjęciu koło wydaje się być nieruchome, ponieważ krótkie naświetlenie schłodzonego bolometru utrudnia niechłodzonemu bolometrowi rozpoznanie położenia felgi.

Zaletą jest to, że obrazowanie termowizyjne nie wymaga dodatkowego „oświetlenia” ani zasilania, ale zdjęcia termowizyjne można ulepszyć, włączając gdzieś do obrazu źródło promieniowania ciała doskonale czarnego. Ponieważ sygnatura termiczna tych urządzeń jest tak dokładna i niezawodna, można uwzględnić dryft termiczny czujnika, co ma kluczowe znaczenie przy próbie osiągnięcia dokładności jednego stopnia lub mniejszej przy użyciu chłodzonego bolometru.

Należy pamiętać, że po akwizycji obraz jest jedynie obrazem w skali szarości, przy czym cieplejsze obiekty wydają się bielsze, a chłodniejsze ciemniejsze.

Z wyjątkiem możliwości ilościowego obliczenia temperatury w stopniach dla dowolnego piksela obrazu, wszystkie narzędzia wizyjne, w tym dopasowywanie kształtów, przejścia między światłem a ciemnością, a nawet analiza kropli, działają dokładnie tak, jak w klasycznym systemie wizyjnym. Ze względu na niską ogólną rozdzielczość obrazu, przetwarzanie obrazu termowizyjnego jest zwykle dość szybkie.

Jest porównywalna z ramką aparatu 640480 lub 320240, co oznacza, że ​​dobry komputer zazwyczaj może uzyskać pełną odpowiedź na każdą klatkę przy najwyższej szybkości klatek aparatu. Odkryliśmy, że używając kamery w trybie przechwytywania dowolnej klatki i systemu wizyjnego w celu określenia, którego obrazu użyć na podstawie obecności wskazówki, często możemy płynnie uruchomić system.

To nie tylko rozwiązuje istotny problem w przemyśle spożywczym, gdzie synchronizacja przechwytywania obrazu jest utrudniona ze względu na wymóg czystości, ale także usprawnia systemy stosowane w środowiskach niebezpiecznych. Ponadto umożliwia podróż w czasie i bezpośredni pomiar charakterystyki strat cieplnych materiału. Dodatkowo obrazowanie metodą szoku termicznego może ujawnić defekty materiału, które trudno dostrzec innymi metodami.

Istnieją podobieństwa i różnice pomiędzy standardowymi kamerami wizyjnymi a kamerami termowizyjnymi.

Podsumowując, kamera termowizyjna jest zarówno podobna, jak i różna od standardowej kamery wizyjnej. Rozumiejąc te różnice i wykorzystując unikalne możliwości kamery i widma energii, jednocześnie łagodząc ograniczenia, można osiągnąć funkcjonalność, której nie można łatwo odtworzyć innymi, bardziej tradycyjnymi metodami. Korzystanie z wykwalifikowanego integratora systemów, który ma szczególne doświadczenie w integracji termicznej, może naprawdę pomóc w uświadomieniu sobie korzyści, jakie obrazowanie termowizyjne ma dla Twojego procesu, bez wpadania w pułapki związane z jego samodzielnym wdrażaniem.