การถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรดและการถ่ายภาพความร้อน

การวัดอุณหภูมิพื้นผิวโดยการบันทึกพารามิเตอร์ของการแผ่รังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยใช้อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกเรียกว่าการถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรด อย่างที่คุณเดาได้ ในกรณีนี้ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากพื้นผิวที่ตรวจสอบ — ไปยังอุปกรณ์วัดในรูปแบบ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอินฟราเรด.

อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติคอลที่ทันสมัยสำหรับการถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรดสามารถวัดการไหลของรังสีอินฟราเรดและคำนวณอุณหภูมิของพื้นผิวที่อุปกรณ์ตรวจวัดทำปฏิกิริยากับข้อมูลที่ได้รับ

แน่นอน คนเราสามารถรับรู้ถึงรังสีอินฟราเรดและยังสามารถรับรู้ได้ถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในระดับหนึ่งในร้อยขององศาที่ปลายประสาทบนพื้นผิวของผิวหนัง อย่างไรก็ตาม ด้วยความไวสูงดังกล่าว ร่างกายมนุษย์จึงไม่ได้รับการปรับให้ตรวจจับอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงด้วยการสัมผัสโดยไม่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ ที่ดีที่สุดคือเต็มไปด้วยการบาดเจ็บจากไฟไหม้

และแม้ว่าความไวต่ออุณหภูมิของมนุษย์จะสูงพอๆ กับของสัตว์ที่สามารถตรวจจับเหยื่อด้วยความร้อนในความมืดมิดได้ ก็ยังไม่ช้าก็เร็ว เขาจะต้องมีเครื่องมือที่ไวกว่า ซึ่งสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าสรีรวิทยาตามธรรมชาติ อนุญาตให้...

ท้ายที่สุดแล้วเครื่องมือดังกล่าวได้รับการพัฒนา ในตอนแรกสิ่งเหล่านี้เป็นอุปกรณ์เชิงกลและต่อมาเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไวสูง ทุกวันนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นคุณสมบัติทั่วไปเมื่อต้องมีการควบคุมความร้อนเพื่อแก้ปัญหาทางเทคนิคมากมาย

คำว่า "อินฟราเรด" หรือตัวย่อ "IR" หมายถึงตำแหน่งของคลื่นความร้อน "หลังสีแดง" ตามตำแหน่งในระดับสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กว้างที่สุด สำหรับคำว่า "thermography" จะรวมถึง "thermo" - อุณหภูมิ และ "กราฟิก" - รูปภาพ - ภาพอุณหภูมิ

ต้นกำเนิดของการถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรด

รากฐานของการวิจัยแนวนี้วางโดยนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน วิลเลียม เฮอร์เชล ซึ่งทำการวิจัยเกี่ยวกับสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ในปี 1800 เฮอร์เชลวางเทอร์โมมิเตอร์แบบปรอทที่ไวต่อแสงในบริเวณที่มีสีต่างๆ กันโดยส่งแสงอาทิตย์ผ่านปริซึม โดยส่งแสงอาทิตย์ผ่านปริซึม บนปริซึมถูกแบ่งออก

ในระหว่างการทดลอง เมื่อเทอร์โมมิเตอร์เคลื่อนที่เลยเส้นสีแดง เขาพบว่ามีรังสีบางอย่างที่มองไม่เห็น แต่มีเอฟเฟกต์ความร้อนที่เห็นได้ชัดเจน

รังสีที่ Herschel สังเกตเห็นในการทดลองของเขาอยู่ในบริเวณนั้นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งสายตาของมนุษย์ไม่รับรู้ว่าเป็นสีใดๆนี่คือบริเวณของ "การแผ่รังสีความร้อนที่มองไม่เห็น" แม้ว่ามันจะอยู่ในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างแน่นอน แต่อยู่ใต้สีแดงที่มองเห็นได้

ต่อมา Thomas Seebeck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันจะค้นพบเทอร์โมอิเล็กทริก และในปี พ.ศ. 2372 Nobili นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีจะสร้างเทอร์โมไพล์โดยใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิดแรกที่รู้จัก ซึ่งหลักการจะขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงระหว่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน ความต่างศักย์ที่สอดคล้องกันเกิดขึ้นที่ส่วนท้ายของวงจรซึ่งประกอบด้วย...

Meloni จะประดิษฐ์สิ่งที่เรียกว่าในไม่ช้า เทอร์โมไพล์ (จากเทอร์โมไพล์ที่ติดตั้งเป็นชุด) และด้วยการโฟกัสคลื่นอินฟราเรดด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง จะสามารถตรวจจับแหล่งความร้อนที่ระยะ 9 เมตรได้

Thermopile — การเชื่อมต่อแบบอนุกรมขององค์ประกอบความร้อนเพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าหรือความสามารถในการทำความเย็นที่มากขึ้น (เมื่อทำงานในโหมดเทอร์โมอิเล็กทริกหรือโหมดทำความเย็น ตามลำดับ)

ในปี 1880 Samuel Langley ค้นพบวัวตัวหนึ่งในสภาพร้อนจัดในระยะ 300 เมตร ซึ่งจะทำได้โดยใช้บารอมิเตอร์ ซึ่งจะวัดการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าที่เชื่อมโยงความสัมพันธุ์กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

จอห์น เฮอร์เชล ผู้สืบทอดตำแหน่งต่อจากบิดาของเขาในปี 1840 ใช้เครื่องระเหยไอระเหย ซึ่งเขาได้ภาพอินฟราเรดแรกในแสงสะท้อนจากกลไกการระเหยด้วยความเร็วที่แตกต่างกันของฟิล์มน้ำมันที่บางที่สุด

ทุกวันนี้ อุปกรณ์พิเศษใช้สำหรับรับภาพความร้อนจากระยะไกล — กล้องถ่ายภาพความร้อน ซึ่งช่วยให้ได้รับข้อมูลเกี่ยวกับรังสีอินฟราเรดโดยไม่ต้องสัมผัสกับอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบและการสร้างภาพทันที กล้องถ่ายภาพความร้อนเครื่องแรกใช้เซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบต้านทานแสง

ในปี 1918 American Keys ได้ทำการทดลองกับ photoresistor ซึ่งเขาได้รับสัญญาณเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับโฟตอน ดังนั้น จึงมีการสร้างเครื่องตรวจจับการแผ่รังสีความร้อนที่ละเอียดอ่อนขึ้น โดยทำงานบนหลักการของการนำไฟฟ้าด้วยแสง

การถ่ายภาพความร้อน IR ในโลกสมัยใหม่

ในช่วงสงคราม กล้องถ่ายภาพความร้อนขนาดใหญ่ทำหน้าที่ทางการทหารเป็นหลัก ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีการถ่ายภาพความร้อนจึงเร่งตัวขึ้นหลังปี 1940 ชาวเยอรมันพบว่าการทำให้ตัวรับสัญญาณโฟโตรีซีสเตอร์เย็นลงสามารถปรับปรุงคุณลักษณะของมันได้

หลังจากทศวรรษที่ 1960 กล้องถ่ายภาพความร้อนแบบพกพาเครื่องแรกก็ปรากฏตัวขึ้นด้วยความช่วยเหลือในการวินิจฉัยอาคาร พวกเขาเป็นเครื่องมือที่เชื่อถือได้ แต่มีภาพคุณภาพต่ำ ในช่วงปี 1980 การถ่ายภาพความร้อนเริ่มถูกนำมาใช้ไม่เพียงแต่ในอุตสาหกรรมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในทางการแพทย์ด้วย กล้องจับความร้อนได้รับการปรับเทียบเพื่อให้ได้ภาพแบบเรดิโอเมตริก ซึ่งเป็นอุณหภูมิของทุกจุดในภาพ

กล้องระบายความร้อนด้วยแก๊สตัวแรกแสดงภาพบนหน้าจอ CRT ขาวดำพร้อมหลอดรังสีแคโทด ถึงกระนั้นก็เป็นไปได้ที่จะบันทึกจากหน้าจอลงบนเทปแม่เหล็กหรือกระดาษภาพถ่าย กล้องจับความร้อนรุ่นที่ถูกกว่าใช้หลอด vidicon ไม่ต้องการการระบายความร้อนและมีขนาดกะทัดรัดกว่า แม้ว่าการถ่ายภาพความร้อนจะไม่ใช่แบบเรดิโอเมตริกก็ตาม

ในช่วงทศวรรษที่ 1990 เครื่องรับอินฟราเรดเมทริกซ์มีให้ใช้งานในพลเรือน รวมทั้งอาร์เรย์ของเครื่องรับอินฟราเรดสี่เหลี่ยม (พิกเซลที่ละเอียดอ่อน) ที่ติดตั้งในระนาบโฟกัสของเลนส์ของอุปกรณ์ นี่เป็นการปรับปรุงที่สำคัญเหนือเครื่องรับ IR แบบสแกนเครื่องแรก

คุณภาพของภาพถ่ายความร้อนดีขึ้นและความละเอียดเชิงพื้นที่เพิ่มขึ้น กล้องถ่ายภาพความร้อนเมทริกซ์สมัยใหม่โดยเฉลี่ยมีตัวรับที่มีความละเอียดสูงสุด 640 * 480 — 307,200 ตัวรับ micro-IR อุปกรณ์ระดับมืออาชีพสามารถมีความละเอียดสูงกว่า — มากกว่า 1,000 * 1,000

เทคโนโลยี IR matrix พัฒนาขึ้นในปี 2000 กล้องถ่ายภาพความร้อนมีช่วงการทำงานที่มีความยาวคลื่นยาว — ตรวจจับความยาวคลื่นตั้งแต่ 8 ถึง 15 ไมครอนและความยาวคลื่นปานกลาง — ออกแบบมาสำหรับความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.5 ถึง 6 ไมครอน กล้องถ่ายภาพความร้อนรุ่นที่ดีที่สุดเป็นแบบ radiometric ทั้งหมด มีฟังก์ชันการซ้อนภาพ และความไวแสง 0.05 องศาหรือน้อยกว่า ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาราคาของพวกเขาลดลงมากกว่า 10 เท่าและคุณภาพก็ดีขึ้น โมเดลที่ทันสมัยทั้งหมดสามารถโต้ตอบกับคอมพิวเตอร์ วิเคราะห์ข้อมูลเอง และนำเสนอรายงานที่สะดวกในรูปแบบที่เหมาะสม

ฉนวนความร้อน

ตัวแยกความร้อนประกอบด้วยชิ้นส่วนมาตรฐานหลายชิ้น: เลนส์, จอแสดงผล, ตัวรับสัญญาณอินฟราเรด, อิเล็กทรอนิกส์, การควบคุมการวัด, อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล รูปลักษณ์ของชิ้นส่วนต่างๆ อาจแตกต่างกันไปตามรุ่น ภาพความร้อนทำงานดังต่อไปนี้ รังสีอินฟราเรดถูกโฟกัสโดยออปติกไปยังเครื่องรับ

เครื่องรับสร้างสัญญาณในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าหรือความต้านทานผันแปร สัญญาณนี้ถูกส่งไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งสร้างภาพ — เทอร์โมแกรม — บนหน้าจอสีต่างๆ บนหน้าจอจะสอดคล้องกับส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมอินฟราเรด (แต่ละเฉดสีจะสอดคล้องกับอุณหภูมิของตัวเอง) ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของการกระจายความร้อนบนพื้นผิวของวัตถุที่ตรวจสอบโดยเครื่องสร้างภาพความร้อน

โดยปกติแล้วจอแสดงผลจะมีขนาดเล็ก มีความสว่างและคอนทราสต์สูง ซึ่งช่วยให้คุณเห็นเทอร์โมแกรมในสภาพแสงต่างๆ นอกจากรูปภาพแล้ว จอแสดงผลมักจะแสดงข้อมูลเพิ่มเติม: ระดับการชาร์จแบตเตอรี่ วันที่และเวลา อุณหภูมิ ระดับสี

ตัวรับสัญญาณ IR ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างสัญญาณไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลของรังสีอินฟราเรดที่ตกกระทบ สัญญาณจะถูกประมวลผลโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างภาพบนจอแสดงผล

สำหรับการควบคุม มีปุ่มที่ให้คุณเปลี่ยนช่วงของอุณหภูมิที่วัดได้ ปรับจานสี การสะท้อนแสงและการปล่อยพื้นหลัง ตลอดจนบันทึกภาพและรายงาน

ไฟล์ภาพดิจิทัลและรายงานมักจะบันทึกลงในการ์ดหน่วยความจำ กล้องถ่ายภาพความร้อนบางรุ่นมีฟังก์ชันการบันทึกเสียงและแม้แต่วิดีโอในสเปกตรัมภาพ ข้อมูลดิจิทัลทั้งหมดที่บันทึกไว้ขณะใช้งานกล้องถ่ายภาพความร้อนสามารถดูได้บนคอมพิวเตอร์และวิเคราะห์โดยใช้ซอฟต์แวร์ที่จัดมาให้พร้อมกับกล้องถ่ายภาพความร้อน

ดูสิ่งนี้ด้วย:การวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า