Тепловизор

 

Изобретение относится к технике формирования и передачи изображений, а точнее к тепловидению, и может использоваться в приборах для дистанционного контроля и измерения температурных полей различных объектов. Изобретение решает задачу создания тепловизора для контроля и измерения температурных полей объектов, обладающего повышенной точностью при одновременном снижении габаритов и энергоемкости прибора. Новым в предлагаемом тепловизоре является совмещение в одном конструктивном элементе функций оптического переключателя и двух источников эталонного излучения. Такое совмещение обеспечено выполнением оптического переключателя в виде диска с чередующимися прозрачными и непрозрачными для теплового излучения областями, причем часть непрозрачных областей имеет коэффициент отражения ε₁, а оставшаяся часть - ε₂≠ ε₁, при этом непрозрачные области служат источниками эталонного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к технике формирования и передачи изображений, а точнее к тепловидению, и может использоваться в приборах для дистанционного контроля и измерения температурных полей различных объектов.

Известно устройство для анализа температурных полей объекта, содержащее источник эталонного излучения, поворотное зеркало, передающую телевизионную трубку и электронный блок обработки и формирования изображения. Устройство может формировать на экране воспроизводящего блока тепловое изображение исследуемого объекта, стробовый прямоугольный сигнал, изображение областей исследуемого объекта, в которых уровень видеосигнала превышает заданный, а также любые возможные сочетания перечисленных изображений. Оценку температуры в заданной точке или области исследуемого объекта с помощью такого устройства обычно производят путем измерения амплитуды видеосигнала в пределах стробового импульса, используя показания цифрового измерительного блока. При необходимости получения точного значения температуры используют компенсационный метод, при котором на вход передающей телевизионной трубки с помощью поворотного зеркала направляется поток излучения от эталонного источника и его яркость, пропорциональная температуре, регулируется оператором таким образом, чтобы видеосигнал, регистрируемый измерительным блоком, стал равен выделенному видеосигналу от исследуемого объекта. Значение температуры при этом считывается по шкале эталонного источника (а.с. СССР N 786062, H 04 N 5/33, H 04 N 7/02, 1978 г.).

Основной недостаток данного устройства состоит в том, что для получения точного результата необходимо применять ручную регулировку (компенсацию). Это приемлемо при измерении температуры в отдельных точках объекта. Но для получения картины температурного поля объекта данное устройство практически непригодно.

Известен тепловизор, в котором отсутствует ручная регулировка по эталонному источнику, так как опорная температура автоматически вводится в алгоритм обработки сигнала (а.с. СССР N 1814195, H 04 N 5/33, 1991 г.). Указанный тепловизор содержит зеркало, служащее оптическим переключателем, с датчиком положения и приводом вращения, оптически связанный с ним источник эталонного излучения с датчиком температуры, находящимся с ним в тепловом контакте, последовательно расположенные по ходу оптического сигнала объектив и фотоприемник (ФП), а также последовательно соединенные с ФП усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер с блоком памяти. Сигнал с датчика температуры эталонного источника поступает в микропроцессорный контроллер и используется для вычисления температуры объекта. Оптический зеркальный переключатель попеременно направляет на ФП поток от объекта и эталонного источника. ФП преобразует оптический сигнал в электрический, который после усиления поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму и заносится в память микропроцессорного контроллера. В свою очередь в память микропроцессорного контроллера записана калибровочная кривая зависимости амплитуды сигнала, поступающего на АЦП от температуры. Сигнал с эталонного источника и сигнал с датчика температуры эталонного источника используется для автоматической корректировки калибровочной кривой сигнала по оси температур. Таким образом достигается соответствие (привязка) выходного сигнала опорной температуре. Описанное устройство как наиболее близкое к предлагаемому принято за прототип.

Недостатками известного прибора являются увеличенные габариты, обусловленные наличием эталонного источника, и связанное с этим повышенное энергопотребление, а также наличие ошибки, возникающей в результате дрейфа параметров ФП. Эта ошибка в описанном тепловизоре не может быть устранена, так как автоматическая корректировка калибровочной кривой в нем возможна только по одной точке.

Целью изобретения является снижение габаритов и энергопотребления прибора, а также повышение точности измерений за счет устранения ошибки, связанной с дрейфом параметров ФП.

Для достижения указанной цели в известном тепловизоре, содержащем последовательно размещенные по ходу оптического сигнала оптический переключатель с датчиком положения и приводом вращения, объектив и фотоприемник, а также источник эталонного излучения с находящимся с ним в тепловом контакте датчиком температуры и последовательно соединенные с фотоприемником усилитель, АЦП, блок памяти и микропроцессорный контроллер, второй вход которого подключен к выходу датчика положения, третий вход к выходу датчика температуры оптического переключателя, а выход к второму входу АЦП, оптический переключатель выполнен в виде диска с чередующимися прозрачными и непрозрачными для теплового излучения областями, причем часть непрозрачных областей имеет коэффициент отражения ε₁, а оставшаяся часть - коэффициент отражения ε₂, при этом непрозрачные области оптического переключателя являются источниками эталонного излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок схема предлагаемого тепловизора; на фиг. 2- варианты выполнения оптического переключателя.

Предлагаемый тепловизор содержит последовательно размещенные по ходу оптического сигнала оптический переключатель 1 c приводом вращения 2, датчиком положения 3 и датчиком температуры 4, находящимся в тепловом контакте с переключателем 1, объектив 5 и ФП 6. Излучение от объекта поступает на переключатель 1 либо непосредственно, либо через дополнительную входную оптику (на чертеже не показана).

С ФП 6 последовательно соединены усилитель 7, АЦП 8, блок памяти 9 и микропроцессорный контроллер 10, второй вход которого подключен к выходу датчика положения 3, третий вход к выходу датчика температуры 4, а выход к второму входу АЦП 8. Оптический переключатель 1 представляет собой диск с чередующимися прозрачными 11 и непрозрачными 12 для теплового излучения областями, который приводится во вращение с помощью привода 2. Привод 2 может работать либо от автономного источника питания (на чертеже не показан), либо управляется микропроцессорным контроллером 10. Непрозрачные области 12 выполнены так, что часть из них имеет коэффициент отражения ε₁ а оставшаяся часть коэффициенты отражения ε₂≠ ε₁ При этом участки с различающимися коэффициентами отражения могут располагаться либо на каждой из непрозрачных областей 12, когда каждая область представляет собой два участка, один из которых имеет коэффициент отражения ε₁ а другой ε₂ (см. фиг.2а), либо попеременно на соседних областях, когда одна непрозрачная область целиком имеет коэффициент отражения ε₁, а вся соседняя с ней непрозрачная область коэффициент отражения ε₂ (см. фиг. 2б), либо одна или несколько областей целиком имеют коэффициент отражения ε₁ а оставшиеся области коэффициент отражения ε₂ (см. фиг.2в). Возможны и другие комбинации.

В зависимости от конкретной решаемой задачи могут быть использованы различные типы фотоприемников. При установке в тепловизор одноэлементного или линейчатого фотоприемника перед оптическим переключателем обычно устанавливают сканер. При использовании матричного ФП необходимость в сканере отпадает, но сигнал с выхода ФП на вход усилителя вводится с помощью коммутатора.

Предлагаемый тепловизор работает следующим образом. Оптический сигнал от объекта попадает на оптический переключатель 1, который пропускает излучение от объекта в моменты прохождения сигналом прозрачных областей 11 переключателя 1 и перекрывает его в моменты прохождения сигналом непрозрачных областей 12. Далее поток излучения попеременно от объекта, от непрозрачных областей с коэффициентом отражения ε₁ и непрозрачных областей с коэффициентом отражения ε₂ проходит через объектив 5 и попадает на ФП 6, который преобразует падающий на него поток в электрический сигнал. После усиления до необходимого уровня в усилителе 7 сигнал оцифровывается АЦП 8, выходной код которого заносится в блок памяти 9. Микропроцессорный контроллер 10 считывает записанную в блоке памяти 9 информацию, преобразует ее в температурную карту объекта и выдает в цифровом виде на выход устройства, откуда при необходимости она может быть передана в блок визуализации для непосредственного наблюдения либо записана на какой-либо носитель информации, например магнитную ленту. Датчик температуры 4 преобразует температуру непрозрачных областей 12 переключателя 1 в электрический сигнал и подает его на вход микропроцессорного контроллера 10, который осуществляет синхронизацию всего тракта обработки сигнала. Измерение температуры производится следующим образом.

В период времени, когда сигнал U₁ на выходе ФП соответствует потоку излучению от непрозрачной области с коэффициентом отражения ε_1эфф, его величина определяется выражением: U₁= ε_1эфф·K₂·τ·T⁴_о·S·U_{о (1)} В период времени, когда сигнал U₂ на выходе соответствует потоку излучения от объекта, его величина определяется выражением: U₂= K₁·σ·T⁴_x ·S+U_о (2) В период времени, когда сигнал U₃ на выходе соответствует потоку излучения от непрозрачной области с коэффициентом отражения ε_2эфф, его величина определяется выражением: U₃= ε_2эфф ·K₂·σ·T⁴_о·S+U_о (3) где K₁ коэффициент передачи излучения объекта; K₂ коэффициент передачи излучения непрозрачных областей переключателя; σ постоянная Стефана-Больцмана; T_x абсолютная температура объекта;
S вольтовая чувствительность ФП;
T₀ абсолютная температура переключателя;
U₀ суммарное напряжение сдвига (включает составляющие электроники, теплового тока ФП и т.п.)

где ε_k коэффициент отражения от внутренней поверхности корпуса;

где ΔT= T_о-T_k, коэффициент отражения от внутренней поверхности корпуса;
T_k температура корпуса прибора.

Температура объекта определяется решением системы уравнений 1, 2, 3, которое осуществляется программным образом в микропроцессорном контроллере 10 по известным алгоритмам. Полученный результат в цифровом виде подается на выход устройства.

Таким образом, в предлагаемом тепловизоре при определении температуры исследуемого объекта используются сигналы от непрозрачных областей оптического переключателя с различающимися коэффициентами отражения, что эквивалентно использованию двух эталонных сигналов. Это позволяет в любой момент времени независимо определять величины S (чувствительность ФП) и U₀, что эквивалентно корректировке калибровочной кривой тепловизора по двум точкам и позволяет устранить ошибку, связанную с дрейфом чувствительности ФП. Совмещение в одном конструктивном элементе функций оптического переключателя и двух эталонных источников, роль которых выполняют непрозрачные области переключателя с различающимися коэффициентами отражения, позволяет снизить габариты прибора и его энергоемкость.

Был изготовлен и опробован лабораторный макет предлагаемого тепловизора.

Оптический переключатель представлял собой диск из сплава АМ₂ с лопастями, обработанными с помощью анодного оксидирования. Для получения прозрачных для теплового излучения областей соответствующие участки диска вырезались. Часть непрозрачных областей была отполирована и имела коэффициент отражения ε₁=0,06, неполированные непрозрачные области имели коэффициент отражения ε₂= 0,55. Обеспечить различие в коэффициентах отражения на непрозрачных областях оптического переключателя можно также путем нанесения на них покрытий с различающимися коэффициентами отражения. Объектив представлял собой систему линз, выполненных из германия и кремния. Использовался линейчатый ФП на основе соединения CdHgTe с числом элементов 32 в двух линейках. Усилитель выполнялся на микросхемах 1407 УД 3, блок памяти на двух микросхемах HU 62256-70. Использовался АЦП марки AD 9058 jD. Микропроцессорный контроллер выполнялся на основе миниатюрной платы PCAT с процессором i 80286. В качестве датчика температуры оптического переключателя использовался терморезистор. Датчик положения выполнялся на основе оптопары.

На описанном макете в отсутствие температурной стабилизации ФП точность измерения температуры составила 0,1^o. Габариты устройства вместе со сканером, выполненном на основе двух вращающихся шестигранных призм, составили 500х100х250 мм при весе всего прибора 5 кг.

Таким образом, предлагаемый тепловизор выгодно отличается от аналогичных приборов пониженными габаритами, весом, а также энергопотреблением (за счет отсутствия специального эталонного источника) в сочетании с возможностью высокоточного контроля и измерения температурных полей различных объектов.

Формула изобретения

Тепловизор, содержащий последовательно размещенные по ходу оптического сигнала оптический переключатель с датчиком положения и приводом вращения, объектив и фотоприемник, а также источник эталонного излучения с находящимся с ним в тепловом контакте датчиком температуры, и последовательно соединенные с фотоприемником усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и микропроцессорный контроллер, второй вход которого подключен к выходу датчика положения, третий вход к выходу датчика температуры оптического переключателя, а выход к второму входу аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что оптический переключатель выполнен в виде диска с чередующимися прозрачными и непрозрачными для теплового излучения областями, причем часть непрозрачных областей имеет коэффициент отражения ε₁, а оставшаяся часть коэффициент отражения ε₂ ≠ ε₁, при этом непрозрачные области оптического переключателя являются источниками эталонного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2