Кіріспе
Инфрақызыл суреттеу температураны анықтау үшін қолданылады, инфрақызыл суреттеу техникасы. Инфрақызыл термография (IRT), жылулық видео және/немесе жылулық суреттеу – бұл жылулық камераның нысаннан шығатын инфрақызыл сәулеленуді пайдаланып оның суретін түсіріп жасау процесі. Бұл инфрақызыл суреттеу ғылымының мысалдары. Термографиялық камералар көбінесе электромагниттік спектрдің алыс инфрақызыл диапазонындағы сәулеленуді (шамамен 9000–14000 нанометр немесе 9–14 мкм) анықтайды және термограмма деп аталатын сәулеленудің суреттерін шығарады. Қара дене сәулелену заңына сәйкес, абсолюттік нөлден жоғары температурасы бар барлық нысандар инфрақызыл сәулеленуді шығарады, сондықтан термография көрінетін жарықпен немесе онсыз айналаңызды көруге мүмкіндік береді. Нысан шығаратын сәулелену мөлшері температураға байланысты артады, демек термография температураның өзгеруін көруге мүмкіндік береді. Жылулық суреттеу камерасы арқылы қарағанда, жылы нысандар салқын фонға қарағанда жақсы көрінеді; адамдар және басқа жылы қанды жануарлар күндіз де, түнде де ортамен салыстырғанда оңай көрінеді. Осының нәтижесінде термография әскерилерге және басқа да бақылау камераларын пайдаланушыларға өте пайдалы. Адамдар мен басқа жылы қанды жануарлардағы кейбір физиологиялық өзгерістерді клиникалық диагностика кезінде жылулық суреттеу арқылы бақылауға болады. Термография аллергияны анықтау және ветеринарияда қолданылады. Кейбір балама медицинаны қолданушылар FDA ескертуіне қарамастан, "мамографияның орнына осы әдісті таңдағандар қатерлі ісікті ертерек анықтау мүмкіндігінен айырылуы мүмкін" деген ескертуге қарамастан, оны қолдануға кеңес береді. 2009 жылғы пандемия кезінде үкімет және әуежай қызметкерлері шошқа тұмауының күдікті жағдайларын анықтау үшін термографияны қолданды. Термографияның тарихы ұзақ, бірақ соңғы 50 жылда коммерциялық және өнеркәсіптік қолданулардың артуымен оның қолданылуы күрт өсті. Өрт сөндірушілер термографияны түтін арқылы көруге, адамдарды табуға және өрттің ошағын анықтауға пайдаланады. Техникалық қызметкерлер электр желілерінің қызып кеткен қосылыстарын және бөліктерін анықтау үшін термографияны пайдаланады, бұл жақындағы бұзылудың белгісі. Құрылыс инженерлері нашар жылу оқшаулаудағы жылу ағынын көрсететін жылулық белгілерді көре алады және жылыту және кондиционерлеу жүйелерінің тиімділігін жақсарту үшін нәтижелерді пайдалана алады. Қазіргі термографиялық камераның сыртқы түрі мен жұмыс істеуі көбінесе видеокамераға ұқсас. Көбінесе жылулық сурет температураның өзгеруін соншалықты анық көрсетеді, талдау үшін суретке түсірудің қажеті болмайды. Сондықтан жазу модулі әрқашан орнатылмайды. Арнайы жылулық суреттеу камералары ұзын толқынды (орта және алыс инфрақызыл) жауап беретін фокустық жазықтық массивтерін (ФЖА) пайдаланады. Ең көп таралған түрлері – InSb, InGaAs, HgCdTe және QWIP ФЖА. Жаңа технологиялар арзан, салқындатылмаған микроболометрлерді ФЖА сенсорлары ретінде пайдаланады. Олардың ажыратымдылығы оптикалық камераларға қарағанда айтарлықтай төмен, көбінесе 160x120 немесе 320x240 пиксел, ең қымбат модельдер үшін 1280x1024 дейін. Жылулық суреттеу камералары көру спектріндегі аналогтарынан әлдеқайда қымбат, ал жоғары сатыдағы модельдер осы технологияның әскери мақсатта қолданылуына байланысты экспортқа шектеу қойылады. Ескі болметрлер немесе InSb сияқты сезімтал модельдер криогендік салқындатуды қажет етеді, әдетте шағын Стирлинг циклы тоңазытқышы немесе сұйық азот арқылы.
the infrared imaging technique
Infrared thermography (IRT), thermal video and/or thermal imaging, is a process where a thermal camera captures and creates an image of an object by using infrared radiation emitted from the object in a process, which are examples of infrared imaging science. Thermographic cameras usually detect radiation in the long infrared range of the electromagnetic spectrum (roughly 9,000–14,000 nanometers or 9–14 μm) and produce images of that radiation, called thermograms. Since infrared radiation is emitted by all objects with a temperature above absolute zero according to the black body radiation law, thermography makes it possible to see one's environment with or without visible illumination. The amount of radiation emitted by an object increases with temperature; therefore, thermography allows one to see variations in temperature. When viewed through a thermal imaging camera, warm objects stand out well against cooler backgrounds; humans and other warm blooded animals become easily visible against the environment, day or night. As a result, thermography is particularly useful to the military and other users of surveillance cameras. Some physiological changes in human beings and other warm blooded animals can also be monitored with thermal imaging during clinical diagnostics. Thermography is used in allergy detection and veterinary medicine. Some alternative medicine practitioners promote its use for breast screening, despite the FDA warning that "those who opt for this method instead of mammography may miss the chance to detect cancer at its earliest stage". Government and airport personnel used thermography to detect suspected swine flu cases during the 2009 pandemic. Thermography has a long history, although its use has increased dramatically with the commercial and industrial applications of the past fifty years. Firefighters use thermography to see through smoke, to find persons, and to localize the base of a fire. Maintenance technicians use thermography to locate overheating joints and sections of power lines, which are a sign of impending failure. Building construction technicians can see thermal signatures that indicate heat leaks in faulty thermal insulation and can use the results to improve the efficiency of heating and air conditioning units. The appearance and operation of a modern thermographic camera is often similar to a camcorder. Often the live thermogram reveals temperature variations so clearly that a photograph is not necessary for analysis. A recording module is therefore not always built in. Specialized thermal imaging cameras use focal plane arrays (FPAs) that respond to longer wavelengths (mid and long wavelength infrared). The most common types are InSb, InGaAs, HgCdTe and QWIP FPA. The newest technologies use low cost, uncooled microbolometers as FPA sensors. Their resolution is considerably lower than that of optical cameras, mostly 160x120 or 320x240 pixels, up to 1280 x 1024 for the most expensive models. Thermal imaging cameras are much more expensive than their visible spectrum counterparts, and higher end models are often export restricted due to the military uses for this technology. Older bolometers or more sensitive models such as InSb require cryogenic cooling, usually by a miniature Stirling cycle refrigerator or liquid nitrogen.
Эмиссивтілік
Эмиссивтілік – жиі қате түсініліп, дұрыс қолданылмайтын термин. Ол материалдың жылу сәулесін шығару қабілетін көрсетеді және материяның оптикалық қасиеті болып табылады. Әрбір материалдың эмиссивтілік деңгейі әртүрлі, ол температураға және инфрақызыл толқын ұзындығына байланысты өзгеруі мүмкін. Мысалы, таза металл беттерінің эмиссивтілігі толқын ұзындығы ұзарған сайын төмендейді; ал кварц (SiO2), сапфир (Al2O3), кальций фториді (CaF2) сияқты көптеген диэлектрлік материалдардың эмиссивтілігі толқын ұзындығы ұзарған сайын артады; темір оксиді (Fe2O3) сияқты қарапайым оксидтер инфрақызыл спектрде салыстырмалы түрде тегіс эмиссивтілікке ие. Материалдың эмиссивтілігі теориялық түрде 0,00-ден (толыққандай сәуле шығармайтын) 1,00-ге (толыққандай сәуле шығаратын) дейін өзгеруі мүмкін. Эмиссивтілігі төмен заттың мысалы – күміс, оның эмиссивтілік коэффициенті 0,02-ге тең. Жоғары эмиссивтілігі бар заттың мысалы – асфальт, оның эмиссивтілік коэффициенті 0,98-ге тең. Қара дене – бұл 1 эмиссивтілікке ие, байланыс температурасына тән жылу сәулесін сәулелендіретін теориялық объект. Яғни, егер термиялық жағынан біркелкі қара дене радиаторының байланыс температурасы болса, қара дене осы температураға тән жылу сәулесін шығарады. Кез келген дененің шығаратын сәулесінің мөлшері қара дененің теориялық сәулесіне шаққандағы қатынасы – оның эмиссивтілігі (немесе эмиссивтілік коэффициенті). Инфрақызыл бейнелеу құралын қолдана отырып дененің температурасын өлшеу үшін, оның эмиссивтілігін бағалау немесе анықтау қажет. Жылдам өлшеу үшін термограф берілген дененің түріне сәйкес эмиссивтілік кестесін пайдаланып, құралға осы мәнді енгізе алады. Содан кейін құрал, дененің инфрақызыл сәулесін анықтап, кестеден енгізілген мәнге сүйене отырып, дененің байланыс температурасын есептейді. Температураны дәлірек өлшеу үшін термограф дененің бетіне белгілі, жоғары эмиссивтілікке ие стандартты материалды жағуға болады. Стандартты материал арнайы өнеркәсіптік эмиссивтілік спрейі сияқты күрделі немесе эмиссивтілігі шамамен 0,97 болатын қара изолента сияқты қарапайым болуы мүмкін. Дененің белгілі температурасы стандартты эмиссивтілік арқылы өлшенуі мүмкін. Қажет болған жағдайда, стандартты материалмен жабылмаған дененің бөлігіндегі нақты эмиссивтілігін құралдың параметрлерін белгілі температураға сәйкес келтіру арқылы анықтауға болады. Дегенмен, қауіпті немесе қол жеткізу қиын жағдайларда мұндай эмиссивтілік сынағын жүргізу мүмкін болмайды. Мұндай жағдайларда термограф кестелерге сүйенуі керек.
An ordinary object emits less infrared radiation than a theoretical black body. The fraction of its actual emission to the theoretical emission (of the black body) is its emissivity (or emissivity coefficient). In order to make a temperature measurement of an object using an infrared imager, it is necessary to estimate or determine the object's emissivity. For quick work, a thermographer may refer to an emissivity table for a given type of object, and enter that value into the imager. The imager would then calculate the object's contact temperature based on the value entered from the table and the object's emission of infrared radiation as detected by the imager. In order to get a more accurate temperature measurement, a thermographer may apply a standard material of known, high emissivity to the surface of the object. The standard material might be as complex as industrial emissivity spray produced specifically for the purpose, or as simple as standard black insulation tape, with an emissivity of about 0.97. The object's known temperature can then be measured using the standard emissivity. If desired, the object's actual emissivity (on a part of the object that is not covered by the standard material) can then be determined by adjusting the imager's setting to the known temperature. There are situations, however, when such an emissivity test is not possible due to dangerous or inaccessible conditions. In these situations, the thermographer must rely on tables.
Инфрақызыл пленкадан айырмашылығы
ИЖ пленкасы инфрақызыл (ИЖ) сәулеленуіне сезімтал, ал термографияның диапазоны шамамен сондай. ИЖ пленкасы термографиялық түрде жұмыс істеуі үшін өлшенетін объект кем дегенде осы температурада болуы керек немесе осы температурадағы нәрседен инфрақызыл сәулеленуді шағылыстыруы тиіс. Түнгі көріс инфрақызыл құрылғылары көрінетін спектрден сәл артық жақын инфрақызыл диапазонда бейнелейді және толық қараңғылықта сәулеленген немесе шағылысқан жақын инфрақызыл сәулені көре алады. Дегенмен, олар көбінесе жоғары температура талаптарына байланысты термография үшін қолданылмайды, бірақ жақын инфрақызыл сәуленің белсенді көздерімен қолданылады. Жұлдыздық түмен түнгі көріс құрылғылары әдетте тек қоршаған ортаның жарығын күшейтеді.
Пассивті және белсенді термография
Абсолюттік нөл температурасынан (0 К) жоғары барлық заттар инфрақызыл сәуле шығарады. Сондықтан, жылулық өзгерістерді өлшеудің тиімді тәсілі – инфрақызыл көру құрылғысын пайдалану, әдетте, орта (3-тен 5 мкм-ге дейін) және ұзақ (7-ден 14 мкм-ге дейін) толқынды инфрақызыл диапазондарында сәулеленуді анықтауға қабілетті, MWIR және LWIR деп белгіленетін, екі жоғары өткізгіштігі бар инфрақызыл терезелерге сәйкес келетін фокальдық жазықтық тізімі (FPA) инфрақызыл камерасы. Объектінің бетіндегі температура профилінің қалыптан тыс болуы потенциалды проблеманың көрсеткіші болып табылады. Пассивті термографияда қызығушылық тудыратын нысандар табиғи түрде фоннан жоғары немесе төмен температурада болады. Пассивті термографияның көптеген қолданыс салалары бар, мысалы, оқиға орнындағы адамдарды бақылау және медициналық диагностика (әсіресе термология). Активті термографияда қызығушылық тудыратын нысан мен фон арасында жылулық контраст жасау үшін энергия көзі қажет. Көп жағдайларда активті тәсіл қажет, себебі тексерілетін бөлшектер әдетте қоршаған ортамен тепе-теңдікте болады. Қара дененің сәулеленуінің суперсызықтығын ескере отырып, активті термография бейнелеу жүйелерінің ажыратымдылығын дифракция шегінен асыруға немесе супер ажыратымды микроскопияға қол жеткізуге де қолданылуы мүмкін.
Артықшылықтар
Термография үлкен аумақтағы температураларды салыстыруға мүмкіндік беретін визуалды суретті көрсетеді. Ол жылжымалы нысаналарды нақты уақытта анықтай алады. Оны қараңғы жерлердегі заттарды табуға болады. Оның медицинада, әсіресе физиотерапияда қолданылуы бар.
Биологиялық қарсылас
Термография – анықтама бойынша, құрал (артефакт) арқылы жүзеге асырылады, бірақ кейбір тірі жандарда болметрлердің қызметін атқаратын табиғи органдар болады, осылайша олар қарапайым түрде жылуды бейнелеу қабілетіне (термоцепцияға) ие. Ең жақсы белгілі мысал – жыландардың инфрақызыл сәулелерді сезуі.
CCD және CMOS термографиясы
Мамандандырылмаған CCD және CMOS сенсорлары спектрлік сезімталдығының басым бөлігін көрінетін жарық толқын ұзындығы диапазонында көрсетеді. Дегенмен, олардың спектрлік сезімталдығының "соңғы" аймағын, яғни инфрақызыл спектрдің жақын инфрақызыл (NIR) деп аталатын бөлігін пайдалану арқылы және стандартты CCTV камерасын қолдану арқылы, белгілі бір жағдайларда шамамен және одан жоғары температурадағы объектілердің нақты жылулық суреттерін алуға болады. 600 °C және одан жоғары температурада CCD және CMOS сенсорлары бар арзан камералар көрінетін спектрде пирометрия үшін де қолданылды. Олар оттағы күйе, жанатын көмір бөлшектері, қыздырылған материалдар, SiC жіптері және тұтанған қалдықтарды өлшеу үшін пайдаланылды. Бұл пирометрия сыртқы сүзгілер немесе сенсордың Байер сүзгілерін ғана қолдану арқылы жүзеге асырылды. Түс арақатынасы, сұр шкаласы және/немесе олардың гибриді қолданылып өлшемдер жасалды.