Увидеть места локального нагрева и следовательно слабые места нашего окружения было всегда увлекательным процессом в современном тепловидении. Инфракрасные камеры претерпели существенные изменения в плане улучшения соотношения цена/производительность не в последнюю очередь благодаря всё более эффективным способам изготовления инфраскрасно-оптических датчиков изображения. Техника стала более мелкой, а устройства более прочными и неприхотливыми к расходу электроэнергии. Как же работают современные инфракрасные камеры?
Принцип действия инфракрасной камеры
Тепловизоры работают как обычные цифровые камеры: Они обладают полем зрения, так называемым Field of View (FOV), которое может составлять в качестве телеобъектива 6°, стандартной оптики 23°, а в качестве широкоугольного объектива 48°. Чем дальше находишься от объекта измерения, тем больше охватываемая область изображения и следовательно размер кадра, который регистрирует отдельный пиксель. Плюсом в этом является то, что яркость свечения при достаточно большой площади не зависит от удаления. Благодаря этому расстояние до объекта измерения в значительной степени не влияет на процессы измерения температуры.
Тепловое излучение в среднем инфракрасном диапазоне может фокусироваться только за счёт оптики из германия, сплавов германия, цинковых солей или с помощью зеркал с поверхностным покрытием. Такая улучшенная оптика по сравнению с обычными, изготавливаемыми большими партиями объективами в видимой спектральной области всё еще является значительным фактором расходов при изготовлении тепловизоров. Они выполнены в виде сферического 3-линзового объектива или асферического 2-линзового объектива и должны для термометрических правильных измерений калиброваться именно на камерах со сменными объективами в отношении их воздействия на каждый отдельный пиксель.
Основной элемент любого тепловизора: матрица в фокальной области
Основным элементом любого тепловизора, как правило, является матрица в фокальной области (FPA). Она представляет собой встроенный датчик изображения размером от 20 000 до 1 миллиона пикселей. Каждый пиксель сам является микроболометром размером от 17 x 17 до 35 x 35 мкм². Подобные тепловые приёмники толщиной 150 нанометров нагреваются посредством теплового излучения в течение 10 мс примерно на одну пятую разности между температурой объекта и собственной температурой. Подобного рода высокая чувствительность достигается за счёт очень низкой теплоёмкости в сочетании с превосходной изоляцией инфракрасной камеры относительно свободного окружения. Коэффициент поглощения частично прозрачной площади приёмника увеличивается посредством взаимодействия пропущенной и затем отражённой на поверхности кремниевого кристалла световой волны с последующей световой волной.
Для использования данного эффекта самоинтерференции поверхность болометра, состоящая из оксида ванадия или аморфного кремния, должна посредством специальных технологий травления располагаться на удалении ок. 2 мкм от схемы считывания. Относящая к поверхности и ширине полосы пропускания удельная обнаружительная способность описываемой здесь матрицы в фокальной области достигает значений около 109 см Hz1/2 / W. Этим самым она на порядок превосходит другие тепловые датчики, используемые, напр., в пирометрах. За счёт собственной температуры болометра снова изменяется его сопротивление, которое преобразуется в электрический сигнал напряжения. Быстрые 14-битовые аналого-цифровые преобразователи оцифровывают предварительно усиленный и сериализованный видеосигнал. Система цифровой обработки сигнала рассчитывает для каждого отдельного пикселя значение температуры и генерирует в реальном времени знакомые псевдоцветные изображения или тепловые диаграммы.
Тепловизорам требуется достаточно дорогое калибрование, при котором каждому пикселю для различных температур микросхемы или чёрного излучателя требуется присвоить ряд величин чувствительности. Для повышения точности измерения матрицы в фокальной области болометра термостатируются при определённых температурах с большой точностью регулирования.
Передача и анализ тепловых диаграмм
Благодаря разработке всё более производительных, компактных и одновременно недорогих ноутбуков, ультра-мобильных ПК, нетбуков и планшетных ПК в настоящее время имеется возможность использования их
- больших дисплеев для представления тепловых диаграмм,
- оптимизированных литий-ионных аккумуляторов для электропитания,
- вычислительной мощности для гибкого высококачественного представления сигнала в реальном времени,
- ёмкости памяти для практически неограниченной по времени видеозаписи тепловых диаграмм, а также
- интерфейсов, напр., Ethernet, Bluetooth, WLAN и ПО для интеграции термографической системы в среду пользователя.
Стандартный и доступный интерфейс USB 2.0 позволяет при этом передавать данные на скорости
- 30 Гц с разрешением 320 x 240 пикселей и
- 120 Гц для форматов изображения 20 000 пикселей.
Введённая в 2009 году технология USB 3.0 подходит даже для разрешения тепловых диаграмм стандарта XGA до 100 Гц. За счёт применения принципа веб-камер в области термографии появились совершенно новые свойства продукции с существенно улучшенным соотношением цена/производительность. При этом тепловизор в реальном времени подключается к ПК на базе ОС Windows© через интерфейс со скоростью передачи данных 480 Мбод, который одновременно обеспечивает и электропитание.
Аппаратное обеспечение тепловизоров
Стандарт USB служил раньше лишь в качестве средства связи офисной техники. По сравнению с шиной FireWire весьма широкое распространение данного стандарта интерфейса инициировало многочисленные разработки, которые значительно повысили степень промышленной пригодности этого интерфейса и следовательно возможность использования оконечных устройств со стандартом USB 2.0, и прежде всего инфракрасных USB-камер. К ним относятся:
- кабель, способный к эксплуатации в качестве энергоцепи и выдерживающий нагрузку до 200 °C и длиной до 10 м ;
- кабельные удлинители до 100 м CAT5E (Ethernet) с усилителями сигнала;
- оптоволоконные USB-модемы для длины проводов до 10 км.
Благодаря высокой ширине пропускания сигнала USB-шины, можно, напр., к ноутбуку подключать пять 120-гигагерцовых инфракрасных камер с помощью стандартного хаба через 100-метровый провод Ethernet.
Влагонепроницаемые, устойчивые к вибрациям и ударам тепловизоры серии optris PI соответствуют классу защиты IP 67 и поэтому пригодны для надёжного применения на испытательных стендах. Размер 45 x 45 x 62 мм³ и масса 200 г существенно снижают при этом затраты на установку корпуса охлаждения и воздуходувных насадок.
Обязательно: Калибрование смещения
По причине термического смещения болометров и их обработки сигналов на микросхеме всем выполняющим измерения инфракрасным камерам требуется с интервалом в несколько минут корректировка смещения. С этой целью зачернённая металлическая деталь с помощью электропривода перемещается перед датчиком изображения. Благодаря этому каждый элемент изображения настраивается на одинаковую, известную температуру. Конечно, в ходе выполнения такого калибрования смещения тепловизоры не работают. Чтобы как-то снизить негативное действие подобного процесса, активацию корректировки смещения в определённое время можно настроить посредством установки внешнего управляющего контакта.
К тому же камеры разработаны так, что самокалибровка выполняется максимально быстро: Установка относительно быстрых исполнительных элементов позволяет выполнять самонастройку в течение 250 мс. Это можно сравнить с длительностью смыкания век и поэтому приемлемо для многих процессов измерения. На конвейерах, где необходимо обнаруживать неожиданные места перегрева, часто могут использоваться созданные в реальном масштабе времени «хорошие» контрольные изображения в рамках динамичного измерения разности изображений. За счёт этого возможен длительный режим работы без задействования механического элемента.
Именно при использовании камеры технологии лазерной обработки сигналов CO2 с длиной волны 10,6 мкм хорошо себя зарекомендовала возможность закрывания оптического канала за счёт внешнего управления при одновременно независимой сигнализации оптомеханического защищённого режима работы камеры. Благодаря хорошей блокировке фильтров измерения температуры могут проводиться «по месту» для всех других обрабатывающих лазеров, работающих в диапазоне от 800 нм до 2,6 мкм.
Области применения тепловизоров
- Анализ динамичных тепловых процессов при разработке продукции и производственных операций
- Стационарное использование для непрерывного контроля и регулирования термических процессов
- Использование в отдельных случаях в качестве портативного измерительного прибора при выполнении ремонтных работ и для определения мест утечки тепла
- Термография в режиме полета для трудно просматриваемых с земли поверхностей
Возможность 120-гигерцовой записи видеосигнала имеет ряд преимуществ и для области исследований и разработок. Благодаря этому, термические процессы, которые только на короткое время попадают в поле зрения камеры, позднее удобно анализируются в режиме замедленного воспроизведения. Таким способом можно дополнительно создавать отдельные изображения из подобного видеоряда с полным геометрическим и термическим разрешением.
Помимо этого, сменная оптика, включая насадку для микроскопа, позволяет адаптировать устройство к различным задачам измерений: Если объективы с полем зрения 6° используются скорее для наблюдения за деталями с большого расстояния, то с помощью насадки для микроскопа можно измерять объекты размером 4 x 3 мм² с геометрическим разрешением 25 x 25 мкм².
При стационарной установке тепловизоров их оптически изолированный интерфейс процесса имеет преимущество в том, что полученная на основании тепловой диаграммы температурная информация передаётся дальше в виде напряжения сигнала. Кроме того, относящиеся к поверхности коэффициенты излучения или измеренные бесконтактным или контактным способом значения контрольной температуры могут передаваться в систему камер через вход напряжения. Для документации по контролю и обеспечению качества продукции другой цифровой вход может активировать режим моментальной съёмки или режим видеоряда. Подобные, касающиеся отдельных изделий изображения, могут автоматически сохранятся на центральных серверах.
Оптимизация технологических процессов в полимерной промышленности
Процесс изготовления пластмасс, напр., полиэтиленовых бутылок, требует определённого нагрева так называемой преформы, чтобы при формовании выдувом бутылки гарантировать однородную толщину материала. Технологическая линия в тестовых рабочих режимах обрабатывает заготовки толщиной только лишь 20 мм при полной рабочей скорости около одного метра к секунду. Поскольку время прохода испытуемого образца может меняться, необходима запись видеоряда с частотой 120 Гц, чтобы измерить температурный профиль преформы. При этом камера располагается так, что движение материала она записывает под косым углом - подобно последнему вагону движущегося поезда. В результате этого получают важный для настройки параметров нагрева температурный профиль на основании инфракрасного видеоряда.
Применение однострочной камеры в установках отверждения стекла
После нарезки окончательной формы конструкционного стекла, часто требуется его поверхностная закалка. Это выполняется в установках отверждения стекла, в которых нарезанное стекло нагревается в печи до температуры 600 °C. После нагрева материал с помощью движущихся валков подаётся из печи на участок воздушного охлаждения, в котором происходит быстрое и равномерно охлаждение поверхности. Вследствие этого образуется важная для безопасного стекла мелкокристаллическая закалённая структура. Данная структура и следовательно прочность стекла зависит от максимально равномерного нагрева всей поверхности изделия.
Поскольку корпус печи и участок воздушного охлаждения располагаются рядом, контроль перемещаемой из печи поверхности стекла возможен только через небольшую щель. На тепловой диаграмме материал появляется только в нескольких строках. Теперь программное обеспечение позволяет получить специальное изображение поверхности стекла, создаваемое из строк или групп строк. Камера измеряет щель по диагонали так, что при оптике с полем зрения 48° создаётся поле зрения 60°. Так как стекло в зависимости от покрытия поверхности может иметь различные коэффициенты излучения, инфракрасный термометр измеряет на нижней, непокрытой стороне стекла точную температуру поверхности при оптимальной для поверхности стекла длине волны 5 мкм.
Воздушная термография с лёгкими камерами
Наряду со стандартными концепциями интерфейсов уже стало возможным изготавливать инфракрасные камеры легкой конструкции , которые в комбинации с мини-ПК, напр., optris PI NetBox , можно без проблем устанавливать на летательные аппараты с дистанционным управления (напр., квадрокоптеры). Таким способом можно создавать тепловые диаграммы в воздухе, которые используются в особенности для контроля обширных объектов, напр., фотогальванических энергетических установок.
Входящее в комплект ПО по термографии гарантирует гибкость
Поскольку инфракрасные USB-камеры, начиная с версии Windows XP используют уже инсталлированные стандартные драйверы USB Video Class или HID, никакой установки драйверов не требуется. Относящаяся к отдельным пикселям корректировка видеоданных в реальном времени и расчёт температуры выполняется в ПК. Изумительное для 20 000 пикселей датчика хорошее качество изображения достигается за счёт дорогостоящего алгоритма рендеринга на базе ПО, который рассчитывает температурные поля в формате VGA. Прикладное ПО отличается высокой гибкостью и мобильностью. Помимо стандартных функций ПО по термографии optris PIX Connect имеет следующие свойства:
- Большое число данных и функции экспорта тепловых диаграмм для поддержки отчётов и автономных анализов
- Смешанные масштабируемые цветовые шкалы
- Горизонтальные или вертикальные представления линий
- Любое количество полей зрения с отдельными опциями тревоги
Основанное на контрольных изображениях представление разности видеоданных
Кроме этого, ПО предлагает режим макета, который сохраняет и восстанавливает различные режимы представления данных. Видеоредактор позволяет обрабатывать радиометрические файлы с расширением AVI. Подобные файлы можно анализировать с помощью параллельно используемого несколько раз ПО и в автономной режиме. К режимам видеозаписи относятся прерывистые режимы работы, которые позволяют записывать медленные термические процессы и затем быстро их просматривать. Передача данных в другие программы в реальном режиме времени осуществляется через подробно задокументированные библиотеки DLL, которые являются составной частью комплекта разработки ПО – Software Development Kits. С помощью интерфейса DLL можно управлять любыми другими функциями камеры. В качестве варианта ПО может обмениваться данными с последовательным Com-портом, и таким способом, напр., напрямую задействовать интерфейс RS422.
Литература
- VDI/VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
- Trouilleau, C. et al.: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17 μm pixel-pitch; “Infrared technologies and applications XXXV”, Proc. SPIE 7298, 2009
- Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219
- Icron Technology Corp.; Options for Extending USB, White Paper, Burnaby; Canada, 2009
ИК-видеокамера решает задачи, недоступные для обычных камер без подсветки. Она станет средством защиты от ночного проникновения на частную территорию, регулярного вандализма и других правонарушений, совершаемых, как правило, в темное время суток.
На улицах Москвы и других городов, в охранных целях размещают именно ИК-камеры, как наиболее эффективный инструмент охраны и мониторинга. Отзывы покупателей, которые приобрели ИК-камеры для защиты своих квартир и дач, подтверждают их надежность, практичность применения.
Широкому распространению способствует и низкая цена ИК-камеры без дополнительного функционала и высоких характеристик, нужных только для профессионального видеонаблюдения. Например, в интернет магазине легко купить ИК камеру наблюдения по цене от 1000 рублей, в которой будет все необходимое для частных задач охраны, слежки, мониторинга.
На выбор доступны разные варианты:
- ИК камера в авто. Это инструмент охраны автомобиля и наблюдения за пассажирами без освещения в салоне.
- USB ИК камера - удобная миниатюрная камера, подключающаяся по USB порту к компьютерам, ноутбукам, планшетам и другим устройствам. При этом она может заряжаться и передавать сохраненные материалы на устройство, к которому подключена.
- ИК камера ближнего диапазона. Она рассчитана на качественный контроль небольшой площади.
- ИК камера дальнего диапазона. В ней мощная подсветка с высокой дальностью действия.
- ИК камера с приемником. В базовой комплектации идет приемник, настроенный на определенную частоту передачи сигнала. Также может присутствовать дисплей для отображения картинки с камеры.
- ИК камера для охоты. Устройство хорошо маскируется в природной местности, имеет высокие показатели автономности.
Прежде чем купить ИК камеру, следует просмотреть её технические характеристики, рекомендации по монтажу, подробность комплектации (например, есть ли инструкция на русском языке). Тогда удастся купить оптимальную ИК камеру наблюдения по выгодной цене.
Инфракрасное излучение является одним из видов излучения, которое нельзя увидеть глазами человека. Его длина волны больше, чем у света в видимом спектре. Инфракрасная подсветка позволяет камере "видеть" даже в полной темноте. Это становится возможным с помощью лампы или диодов, излучающих инфракрасный свет определенной длины волны. Три длины волн 715 нм, 850 нм и 940 нм являются общими для инфракрасных осветителей. Человеческий глаз способен видеть до 780 нм и, следовательно, может слегка видеть осветители, которые используют 715 нм. Для истинного скрытого ночного наблюдения необходимо использовать ИК-прожекторы , работающие при 850 нм и 940 нм.
Свет лампы фильтруется таким образом, чтобы происходило излучение только заранее определенных длин волн 715 нм, 850 нм и 940 нм. Эти цифры являются отправными точками в отношении частоты излучаемых волн - они являются абсолютным нижним пределом спектра, используемым камерой. Если человек подойдет достаточно близко, то он сможет понять, что камера является инфракрасной, хотя не сможет видеть используемые длины волн.
Способность камеры для захвата изображений в зависимости от уровня освещенности измеряется в люксах. Чем ниже значение люкс, тем лучше камера может видеть в условиях низкой освещенности. Все ИК-камеры имеют значение 0 люкс, что означает, что они могут видеть в кромешной тьме. Цветные ИК-камеры переключаются в черно-белый режим для видеонаблюдения ночью, чтобы достичь максимальной чувствительности. Фотоэлемент внутри камеры отслеживает дневной свет и определяет, когда необходимо переключение. Следует различать ИК-камеры и камеры День/ночь . День/ночь камеры могут эффективно работать в условиях низкой освещенности, но они не оснащены светодиодами, что делает невозможным их работу в полной темноте, в отличие от камер с ИК-подсветкой.
При использовании ИК-камер для уличного применения, лучше применять готовые комплекты уличных видеокамер с кожухом или камеры с ИК-прожектором. Сочетание ИК камер для помещений с уличным кожухом может работать недостаточно хорошо, ведь ИК свет может отражаться от стекла кожуха. Кроме того, при покупке ИК-камеры или осветителя надо всегда смотреть на значение дальности луча. Установив в помещении ИК камеры с более широким диапазоном, чем размеры помещения, можно получить размытые изображения. Следует отметить, что ИК-камеры не могут видеть сквозь дым. Для того чтобы добиться этого, должна быть использована тепловизионная камера.
Перевод Хай-Тек Секьюрити.
В компании «Сек-Групп» вы можете купить камеры видеонаблюдения с ИК . Мы предлагаем модели, позволяющие создать продуманную и функциональную систему видеонаблюдения, стабильно работающую не только днем, но и ночью.
Инфракрасные камеры видеонаблюдения оснащены специальными диодами, которые встроены в корпус вокруг объектива. Именно благодаря данным светодиодам, устройства позволяют освещать территорию с дистанционной дальностью от 20 до 250-ти метров и более в зависимости от модели видеокамеры.
Преимущества представленных камер:
Предлагаемые камеры с ИК-подсветкой используются на объектах, где по каким-то причинам не установлено или в полной мере не используется освещение территории.
Реализуемые устройства отличаются:
- Универсальностью. Камеры стабильно работают на различных объектах и демонстрируют высокое качество изображения не только днем, но и ночью.
- Высокой надежностью. Представленные модели известных брендов выдерживают все агрессивные воздействия и служат на протяжении длительного времени.
- Многообразием решений. Вы можете заказать камеру с подсветкой любого нужного типа. Мы предлагаем корпусные, купольные и поворотные модели.
- Экономичностью. Вам не придется тратить средства на обеспечение дополнительной подсветки.
Преимущества заказа камер в нашей компании:
- Широкий ассортимент моделей. Вы с легкостью подберете нужную камеру с оптимальным разрешением, нужным типом объектива (фиксированным, вариофокальным или трансфокатором) для улицы или помещения. Обратите внимание на то, что некоторые модели поставляются в антивандальном корпусе.
- Выгодные цены на ИК-камеры.
- Удобный каталог. Он дополнен изображениями и описаниями каждой камеры.
- Помощь при выборе. Наши специалисты ответят на все вопросы.
- Оперативная доставка. Вы быстро получите нужное оборудование.
Предназначены для организации непрерывного мониторинга на территории не только днем, но и недостаточном видимом свете, например, в сумерках или ночью. На объектах различного масштаба и отраслевой принадлежности применяются ик камеры видеонаблюдения, способные без дополнительного оборудования, типа прожекторов, продолжать полноценный контроль территории в темноте. Инфракрасное излучение, широко используемое в видеонаблюдении, невидимо человеческому глазу, за счет чего обладает рядом преимуществ. Включенная ИК-подсветка не мешает обычному режиму освещения, потребляет сравнительно немного электроэнергии, а самое главное - незаметна для злоумышленника.
Работа встроенной ИК-подсветки организована довольно просто. По сигналу встроенного фотодатчика при понижении освещенности до определенного уровня, камера видеонаблюдения с ик подсветкой переходит в черно-белый режим работы и автоматически включается ИК-подсветка. В этом режиме чувствительность матрицы увеличивается в несколько раз, а функция шумоподавления убирает помехи на изображении, поэтому камера видеонаблюдения с ик подсветкой формирует информативные монохромные видеокадры объекта наблюдения, погруженного почти в полную темноту.
Особенно эффективны ИК-светодиоды третьего поколения, которыми оснащены видеокамеры в последнее время. Подсветка, реализованная с помощью таких диодов, во много раз эффективнее и экономичнее. Так, дальность подсветки некоторых камер достигает 50 метров. Общая потребляемая мощность таких камер не достигает 10 Вт, при этом камера исправно работает на морозе. Рабочая температура большинства камер с ИК-подсветкой позволяет эксплуатировать их и в суровые морозы зимой, и в сильную жару летом.
Управление некоторыми камерами с ИК-подсветкой доступно через UTC-интерфейс. Благодаря этому изменить настройки камеры можно удаленно
Сферы применения
Видеокамеры с ик-подсветкой обычно предназначены для работы в составе уличных систем наблюдения. Поэтому они выполнены в прочных металлических корпусах с защитой от пыли и влаги. Некоторые ик камеры видеонаблюдения имеют вандалозащищенный корпус. Поэтому такие камеры часто применяются для внешнего наблюдения на объектах повышенной опасности, охранных комплексах, складских помещениях, парковках, производственных участках.
