サーマル イメージャの動作原理方程式 nsx デバイス タイプ。 サーマルイメージャーの適切な使用

今日、おそらく誰もが熱画像装置などのデバイスについて聞いたことがあるでしょう。 おそらく例外は小さな子供たちでしょう。 もう1つは、このデバイスを「生」で見た人、さらには実際に手に取った人がそれほど多くないということです。 しかし、保管するだけでなく、独自の「家庭用」バージョンのサーマルイメージャーを作成した人もいます。 ただし、あなたがどのカテゴリに属していても、私たちの記事はいずれにしても興味深いものとなるでしょう。 未経験者はサーマルイメージャの動作原理を理解することができ、経験者や優秀者は自分自身の新たな可能性を発見することができます。 しかし、すべてを順番に話しましょう。

サーマルイメージャは、非接触方法を使用して表面温度を測定するためのデバイスであり、多くの専門職の代表者の作業を大幅に楽にすることができます。 当初は軍事目的で発明されましたが、このかなり複雑で高価な装置は、現在では人間の活動のほとんどの分野で成功裏に使用されています。 たとえば、産業では、技術プロセス中の熱変化を監視します。 医学では - 病気を診断するため。 鳥や動物を狩るとき。 建設中 - 熱漏れの領域、または逆にパイプを敷設する場所を決定します。 そして、これはこのデバイスの完全な実績ではありません。

デバイスの種類

サーマル イメージャは非常に人気のある多機能デバイスであるため、次の 2 つの技術設計オプションがあります。

• 定常。 このカテゴリのデバイスは、次の用途に使用することを目的としています。 産業企業コントロールするために 技術的プロセス。 窒素冷却システムは、このような熱画像装置を備えた非常に一般的なデバイスです。 動作温度特性は非常に優れており、-40 ～ +2000 °C です。 これらのシステムは通常、半導体光検出器のマトリックス上に組み立てられたデバイスに基づいています。

• ポータブル（ポータブル）。 革新的な開発により、かさばる冷却装置の使用から脱却し、非冷却シリコン マイクロボロメーターに基づくサーマル イメージャーの製造に移行することが可能になりました。 このようなデバイスには、たとえば測定中の温度ステップが小さい (0.1 °C) など、以前のデバイスのすべての利点があります。 このクラスのサーマルイメージャは、デバイスの使いやすさと携帯性の両方が必要な複雑な評価作業に使用することもできます。 多くのポータブル熱画像装置は、PC に接続してデータを迅速に処理する機能を備えています。

特定の領域でサーマルイメージャを使用すると、このデバイスの必要な動作特性に特定の痕跡が残ります。 したがって、このデバイスを購入する前に、それが使用される条件を評価する必要があります。 手順はこれに役立ちます。 取扱説明書について適切な知識を持たずに購入したサーマル イメージャは、お客様のニーズにまったく適合しない可能性があります。たとえば、狩猟に使用されるサーマル イメージャには、少なくとも IP54 の保護レベルを備えた耐衝撃性の軽合金ボディが必要です。

ファインダーと液晶画面に表示があるモノブロック設計であることが望ましい。 また、狩猟用熱画像装置の可視範囲は 1500 m に達する必要がありますが、建設業界ではそのような要件は熱画像装置には課されていません。

サーマルイメージャの動作原理

熱画像装置の動作は、あらゆる物体が生成する能力に基づいています。 熱放射(IR 放射)、その強度は物体の温度に直接依存します。 サーマルイメージャーは長距離の赤外線を検出し、人間の知覚に適した形式に変換します。 さまざまな物体の熱放射の違いにより、暗闇の中でも冷たい流れや熱い流れだけでなく、レリーフも見ることができます。 この場合、温度が最も高い部分は赤、温度が低い部分は黒または青で表示されます。

サーマルイメージャーと暗視装置などのデバイスの基本的な違いを理解する必要があります。 違いは、暗闇の中で見る能力です。 サーマルイメージャは物体自体の赤外線放射を送信しますが、暗視装置は他の物体からの反射および増幅された放射線照明を送信します。 つまり、サーマルイメージャを使用して暗視装置の機能を実行することは可能ですが、暗視装置を使用してヒート マップを構築することはできません。

サーマルイメージャの動作アルゴリズムは 3 つの段階で構成されます。

1. IR放射の固定。
2. それを温度値に変換します。
3. サーモグラムの形成 - 物体の表面の温度分布を表示する物体の熱画像。

さらに、これらのアクションは瞬時に実行されます。

サーマルイメージャの動作原理はかなり複雑ですが、ポータブル デバイスの設計はそれほど複雑ではありません。

ただし、スクリーン上の画像を十分に鮮明にするには、ゲルマニウムを混合した特殊な光学系が必要であることを考慮する必要があります。 これがまさにプロ用機器の高コストの原因です。 その費用は数千ドル、場合によっては数万ドルに達します。 同意します、その量は少なくありません。

サーマルイメージャーの巨大な機能は、長い間多くの若者にこのデバイスを自分の手で組み立てるというアイデアを抱かせてきました。 そして幸いなことに、そのような多額の費用を回避して、自分の手でサーマルイメージャーを作成する方法があります。 もちろん、デバイスが専門的な目的で使用されることを意図していない場合に限ります。

以下に、家庭にサーマルイメージャーを導入するための 3 つのオプションを示します。最も好きなものを選択してください。 また、熱画像装置用のセンサーやデバイスのその他の要素は、既製のものを購入できます。

オプション No. 1. カメラから自作の熱画像装置を使用する

この方法は、最初にすべてのカメラのマトリックスが赤外線放射を完全に捕捉するという事実に基づいており、赤外線放射は実際に熱画像装置の動作に必要です。 もう 1 つは、写真機器のメーカーが、その機器が人間の目と同じものを見るようにしていることです。 これを行うために、マトリックスの前に特別なフィルターが配置され、ほぼすべての IR 放射を吸収または反射します。これが「サーマル ミラー」、またはホット ミラーです。 このフィルターのおかげで、マトリックスの感度曲線は人間の目の感度曲線に似たものになります。 したがって、カメラから熱画像装置を自分の手で簡単に作成できます。必要な手順は、カメラから熱フィルターを取り外し、代わりに可視スペクトル フィルターを取り付けるという 2 つの手順だけです。 ただし、実践が示すように、後者は必ずしも必要というわけではありません。

自作サーマルイメージャーの適用範囲

このようにして作られたサーマルイメージャを家庭用に使用することは可能ですか? とても。 このような熱探知装置は建設や狩猟などに適しているでしょうか? かなりの可能性があります。 いずれにせよ、アウトドアレクリエーションの愛好家は間違いなくこのデバイスを気に入るはずです。 その助けを借りて、夜間にキャンプへの動物の接近を制御したり、霧や塵の雲の中で迷子になったグループのメンバーを捜索したりすることができます。

不要なデジタル一眼レフカメラをお持ちで、IR フィルターに約 40 ドルが必要で、カメラを分解する意欲と能力がある場合、このオプションは間違いなく試してみる価値があります。

オプション No. 2. 赤外線温度計と Arduino ボードを使用した自作の熱画像装置

この方法の考え方は非常にシンプルです。 自分の手でサーマルイメージャーを作成するには、安価な赤外線温度計が必要になります。これは、近距離で空間の特定の点の温度を測定できるデバイスと、それを接続するためのArduinoボードです。懐中電灯の RGB LED です。

Arduino ボードは、専門家以外のユーザーがオートメーションやロボット工学の分野でシンプルなシステムを構築できるように設計されたソフトウェアおよびハードウェア ツールです。

温度計の測定値に応じてランプの光が異なる色に変わるようにシステムをプログラムしてみましょう。 従来のように、高温が赤、低温が青に対応するようにしてみましょう。 したがって、温度計を内蔵した懐中電灯を任意の物体に向けると、その温度に応じて、その物体が適切な色で自動的に照らされます。 このセットにカメラを追加すると、周囲の物体の表面の温度をカラーで確認できるだけでなく、最も高価な熱探知カメラでも得られる画像と同等の画像を得ることができます。見る。

このような熱画像装置はどこで使用できるのでしょうか?

もちろん、そのようなデバイスは狩猟用のサーマルイメージャーと同じではありません。 強力な装置を自分の手で作るのは困難です。 しかし、提示されたオプションは、特にこのコストが高いため、家庭のニーズに役立つ可能性があります。 手作りのデザイン 50ドルを超えないこと。

オプション No. 3. 静止物体を撮影するための改良された自家製サーマルイメージャー

この開発は、マックス リッターとマーク コールという 2 人のドイツ人学生によって誕生しました。 ミンデルハイムの若い住民は、非常に簡単に製造できる装置を発明し、2010 年に科学技術フォーラムで賞を受賞しました。

このデバイスは、2 つのサーボ (水平および垂直移動用)、Arduino コントローラー (信号処理および PC へのデータ転送を担当)、非接触温度センサー モジュール (MLX90614-BCI など)、レーザー モジュール、またはレーザー ポインター (スキャン領域を示します)、ハウジング、および Web カメラ。 2 つの 4.7 kOhm 抵抗と三脚も必要です。

カメラは、スキャン領域の一種のビューファインダーの役割と、元の画像のソースの役割を果たします。安価な Web カメラであれば、この役割に対応できます (小さければ小さいほど優れています)。

センサーによって生成されたデータは、SMBus および PWM バスを使用して読み取ることができます。 このケースでは、BCI インデックスを備えたセンサーの使用も可能です。 電源は3V。 BCI インデックスは、5° の狭い視野角を提供するアタッチメントを備えたフォーム ファクターのタイプを指定します。

組み立て

• Arduino ボードをバッテリー収納部のあるケースに置きます。
• サーボモーターを基板の前面の空きスペースに瞬間接着剤またはエポキシを使用して固定します。
• 2 番目のサーボモーターを回転装置に配置し、構造全体を固定します。
• グラウンドをGNDに、SDAをPIN4に、VINを3.3Vに、SCLをPIN5に接続して、赤外線温度計をArduinoに接続します。 また、4.7 kOhm の抵抗を取り付けて、SDA を 3.3 V に、SCL を 3.3 V に接続します。
• レーザーカードまたはレーザーポインターを接続します。 これは、現在どの場所からスキャンされているかを追跡するためです。
• ウェブカメラの方向が IR センサーとレーザーの方向と正確に一致するように設置します。

それだけです。 サーマルイメージャーを自分の手で作りました。

何に良いのですか？

センサーが将来の画像をポイントごとにスキャンするため、オブジェクトをスキャンしてヒート マップを発行するプロセスには約 1 分かかります。 もちろん、これは狩猟プロセスにはまったく役に立ちません。 ただし、この自家製サーマルイメージャーは、建設やその他の修理作業の優れたアシスタントとなるでしょう。 たとえば、電気接続や電源アセンブリの熱をテストする方法として使用できます。 このデバイスを使用すると、熱画像だけでなく、定量的な温度値も確認できます。

動作が遅いことに加えて、サーマル イメージャにはもう 1 つの欠点があります。それは、PC に密接に接続されているため、携帯性が悪くなります。 ただし、場合によっては、デバイスの機能とそのコストが非常に正当である場合があります。すべてのコンポーネントに対して、200 米ドル以下を支払う必要があります。 e.

結論

自家製サーマルイメージャーを組み立てるために説明したオプションから、次の 2 つの結論が得られます。

1. サーマルイメージャーを自分で作ることはかなり可能です。
2. 自家製サーマルイメージャーの応用範囲は非常に狭いです。

したがって、世界規模の目的で熱画像装置が必要な場合は、実験を延期し、 高品質の設備。 単純にデザインするのが好きで、自家製製品の可能性に十分に満足しているすべての人に、私たちはアドバイスを提供します - 収集し、実験してください。そうすれば、私たちが説明した成果を超えることができるかもしれません 自家製オプションさらに、狩猟用にさらに高度なサーマルイメージャーを自分の手で作成することもできます。 頑張れ！

はんだごてやドライバーの扱いはあまり得意ではないが、自然の中で過ごすのが好きな人、また、専門的な目的で 0 ～ 100 °C の範囲の物体の温度特性を視覚化する必要がある人、既製のセミプロフェッショナル機器に注意を払うことをお勧めします。 たとえば、Flir One サーマル イメージャーを搭載したスマートフォンの場合です。

これらのデバイスは、便利でモバイル性があり、0 ～ 45 °C の温度と高い大気湿度でも動作できるため、ハンターや極端な旅行者に最適です。 同時に、そのようなデバイスのコストは、あらゆる種類の自家製製品のコストとそれほど変わりません。

サーマルイメージャは、測定表面の温度分布を監視するために使用できるデバイスです。 この表面は、カラー フィールドの形式でデバイスの画面に表示されます。 このフィールドでは、特定の色が特定の温度に対応します。 画面には見かけの温度範囲が表示されます。 最新の熱画像装置の標準解像度は 0.1 度です。

安価なデバイスでは、情報はデバイスのメモリに保存され、必要に応じてコンピュータを通じて読み取られます。 ほとんどの場合、このようなデバイスはラップトップおよび熱画像装置から情報を受信する特別なプログラムと組み合わせて使用​​されます。

熱画像装置は前世紀の 30 年代に初めて登場しました。 最新の赤外線画像システムは 60 年代になってから開発され始めました。 熱放射受信機には 1 つの要素がありました。 受信機内の画像は、光学系の点変位を使用して実行されました。 このような装置は性能が低く、低速で温度変化を観測することができました。

技術の進歩に伴い、光信号を保存できる細胞が登場しました。 センサー マトリックスに基づいて新しいサーマル イメージャーを設計することが可能になりました。 これらのマトリックスから信号はデコーダに送られ、次にデバイスのメインプロセッサに送られて処理されます。

特定のシーケンスで、信号は異なる指定色の温度分布を持つマトリクス上に投影されます。 この原理により、リアルタイムで温度変化を監視できるデータを迅速に処理できるポータブル自律デバイスを取得することが可能になりました。

新しい熱画像装置の有望な開発は、非冷却ボロメータの使用です。 この原理は、スペクトル全体にわたる熱放射の影響下での薄板の抵抗変化の計算精度の向上に基づいています。 この技術は、高い安全性と機動性の要件が求められる新しい熱画像装置の製造用として多くの国で普及しています。 我が国では、非冷却ボロメータを備えた自律型サーマルイメージャの生産が 2007 年に始まりました。

操作性とデザイン性の特徴

赤外線はサーマルイメージャの光学システムによって受光器上に集束され、抵抗または電圧の変化の形で信号が提供されます。
電子機器は、熱画像システムから受信した信号を記録します。 その結果、信号は電子サーモグラムに変換されます。 ディスプレイに表示されます。

サーモグラムは、電子システムによって処理された物体の画像であり、物体の領域にわたる赤外線の分布に対応するさまざまな色合いで画面上に表示されます。 その結果、オペレーターは調査対象の物体からの熱放射に対応するサーモグラムを見ることになります。

熱放射に対する検出器の感度は、検出器自体の温度と冷却の質によって異なります。 したがって、検出器は特別な冷却装置内に配置されます。 最も一般的な冷却方法は液体窒素です。 しかし、この方法は不便であり、かなり原始的です。

別のタイプの鋼冷却。 これらは、通過時に温度差を与えることができる半導体です 電流、そして原則に基づいて行動する ヒートポンプ。 サーマル イメージャー センサーの感度は、水銀、カドミウム、テルル、アンチモン化インジウムなどの材料で作られた高感度の半導体を使用して作成されます。

熱画像装置の部品および要素

サーマルイメージャーの価格は非常に高価です。 その主な要素はレンズとマトリックス (放射線受信器) であり、デバイス全体のコストの 90% を占めます。 このようなマトリックスは製造が困難です。 ガラスは赤外線を通さないため、レンズをガラスで作ることはできません。 そのため、レンズには高価な希少素材（ゲルマニウム）が使用されています。 他の安価な材料の探索が現在進行中です。

デバイスのその他のコンポーネントは次のとおりです。

1 - レンズキャップ
2 - ディスプレイ
3 - コントロール
4 — ストラップ付きハンドル
5 - 熱画像装置
6 - 開始
7 — レンズ
8* — 電子システム
9* - 情報を保存するためのメモリ
10* - ソフトウェア

レンズ

サーマルイメージャーでは 必須赤外線波の放射を放射受信器に集束させることができるレンズが少なくとも 1 つあります。 次に、受信機は電気信号を送信し、サーモグラムと呼ばれる熱 (電子) 画像を生成します。

ほとんどの場合、レンズはゲルマニウムで作られています。 レンズの光透過率を最適化するために、反射防止薄膜コーティングが使用されます。 サーマル イメージャ キットには通常、デバイスを保管および持ち運びするためのケース、その他のケースが含まれています。 付加装置フィールド条件でデバイスを使用する場合。

ディスプレイ

熱放射パターンは液晶画面（ディスプレイ）に表示されます。 現場のさまざまな照明条件下で画像を簡単に見るために、十分な明るさ​​と十分なサイズが必要です。 通常、画面にはサポート情報が表示されます。 これには、温度カラースケール、時間、日付、バッテリー充電量、物体温度、その他の有用な情報が含まれます。

信号処理回路と放射線受信器 赤外線放射を必要な値に変更するために使用されます。 有用な情報。 物体の熱放射は特別なレシーバーに集中します。 半導体でできています。 熱放射により、受信機で電気信号が生成されます。 次に、信号は次のようになります。 電子回路デバイスの内部に位置し、電子機器によって信号を処理した後、熱画像が画面に表示されます。

コントロール

これらの要素を使用して、電子システムにさまざまな調整が行われ、ディスプレイ上の熱放射の画像が最適化されます。 このような設定は電子的に変更される場合があります カラースキーム画像融合、熱レベル間隔。 反射背景温度と放射率も調整されます。

データストア

熱画像や補助データを含むデジタル電子データは、さまざまな種類の電子メモリ カードやデータ転送および記憶装置に保存できます。

ほとんどの赤外線熱画像システムは、サポートするテキストおよび音声データに加えて、人間の可視スペクトルで動作する内蔵カメラを使用して取得された画像のスナップショットを保存できます。

レポート作成とソフトウェア

最新の赤外線画像システムの多くで使用されているソフトウェアは、オペレーターにとって使いやすく、機能的です。 サーマルデジタル画像と可視画像はコンピュータまたはラップトップにコピーされます。 そこで、この情報はさまざまなカラーパレットを使用して分析でき、放射測定データに対するその他の調整を行うことができます。

組み込みの分析オプションを使用することもできます。 処理された画像は、サンプル レポートに含めたり、プリンターで印刷したりできます。 画像はインターネット経由で顧客に送信したり、コンピュータに電子的に保存したりすることもできます。

分類

サーマルイメージャは、さまざまな特性に基づいていくつかのタイプに分類されます。

観察的 特殊なカラースケールに従って赤外線を目に見える光に変換します。

測定する 熱画像装置は、デジタルピクセル信号の値を特定の対応する温度に割り当てることにより、検査対象の温度を決定できます。 その結果、温度分布の画像が得られます。

定常 サーマルイメージャは、技術プロセスの遵守が -40 +2000 度の範囲で監視される産業企業での使用に使用されます。 このような装置には、受信装置の動作に通常の条件を作り出すために窒素冷却が装備されています。 このようなシステムは、半導体光検出器マトリックス上に作られた第 3 世代の熱画像装置で構成されています。

ポータブル熱画像デバイスは、非冷却シリコン マイクロボロメータに基づいて開発されています。 その結果、大型で高価な冷却装置の使用を放棄することが可能になりました。 このようなデバイスには、固定モデルのすべての利点があります。 さらに、手の届きにくい場所でも使用できます。 多くのポータブル熱画像装置はコンピュータに接続して情報を処理できます。

暗視装置は、しばしば熱画像装置と混同されます。 ただし、両者の間には大きな違いがあります。 暗視装置は光を増幅するため、暗い場所でも動作します。 多くの場合、レンズに入ってくる光によって目が見えなくなります。 サーマルイメージャは熱赤外線を動作原理としているため、光を必要としません。

サーマルイメージャーの適用範囲

熱画像装置は私たちの生活のさまざまな分野で使用されています。 たとえば、これらのデバイスは施設や軍事情報のセキュリティに使用されます。 夜間、完全な暗闇の中でこのデバイスを通して最大 300 メートルの距離から人を見ることができます。 軍事装備 3km先まで見える。

現在、画像をコンピュータに出力できるマイクロ波ビデオカメラがあります。 このようなカメラの感度は数百分の 1 度です。 したがって、夜間にドアハンドルを握ると、熱痕が約 30 分間目に見えることになります。

サーマルイメージャーは、さまざまな設備の欠陥を特定する上で大いに期待されています。 これは、機構や装置の特定の場所の温度が上昇または下降したときに発生します。 場合によっては、特定の欠陥は熱画像装置でのみ検出できる場合があります。 重い構造物 (橋) を支持すると、金属の疲労老化とその結果として生じる変形中に、一部の場所で必要以上に多くの熱が発生します。 そのため、対象物を分解することなく欠陥診断が可能です。

その結果、サーマルイメージャは設備の安全性を制御する運用制御装置として使用されていると言えます。

熱画像装置は、さまざまな病気の病理を診断するために医学で広く使用されています。 健康な患者の場合、体温は体全体の正中線から対称に分布します。 この対称性が崩れた場合、これが熱画像装置による病気の診断基準となります。

サーモグラフィーは、医学における最新の診断方法です。 この方法は、人体からの赤外線放射を温度に応じて検出することに基づいています。 熱放射の強度と分布は、通常、体内の深部および表層器官で起こる特有の生理学的プロセスによって決定されます。

さまざまな病理学的状態は、体温分布の非対称性によって特徴付けられます。 これはサーモグラフィー写真に反映されています。 この事実は、予後および診断において重要な意味を持ちます。 これは多くの臨床研究によって証明されています。

サーモグラフィーには主に 2 つのタイプがあります。

1. テレサーモグラフィー。
2. コレステリックサーモグラフィーに連絡してください。

テレサーモグラフィーは、人体からの赤外線を電流信号に変換し、熱画像装置のディスプレイに表示することで機能します。

接触型コレステリックサーモグラフィーは原理に基づいて動作します 光学特性液晶。発光面に適用すると虹色に色が変化します。 寒い場所は青、暑い場所は赤です。

産業用途

• 車両の排気システム、エンジン、ラジエーターの熱交換プロセスを監視します。
• 車のブレーキシステムの検査と設計。
• 超音波溶接制御。
• カークライメートシステムの開発。
• 品質管理 回路基板エレクトロニクスで。
• 溶接モード制御。
• シャフト、ベアリング、ギヤなどの位置ずれの検出。
• 金属応力解析。
• 液体の容器の断熱性と気密性を監視します。
• 断熱特性の決定。
• 敷地内の熱損失の検出。
• フェンス構造の診断。
• 防火。
• ガスパイプラインからのガス漏れを検知します。
• 技術的プロセスの制御。
• 電気設備の点検。
• サーマルルートのパフォーマンスをチェックします。
• 冷気が漏れている場所を特定します。
• パイプラインの断熱制御。
• オイルが充填された機器を検査します。
• 発電機のステーターを点検しています。
• ガスと煙突の制御。

あらゆる物体は、赤外線スペクトルの波、いわゆる「熱放射」を含む、非常に広範囲の周波数の電磁波を放射します。 この場合、熱放射の強度は物体の温度に直接依存し、非常に低い温度にのみ依存します。 程度の低い可視範囲内の照明条件によって異なります。 したがって、熱画像装置の助けを借りて、人間の目や機器ではアクセスできない追加情報を収集し、観察されたあらゆる物体について視覚化することができます。観察された物体。 これにより、正確な測定、技術プロセスの制御、そしてもちろん安全性の確保など、さまざまな活動分野に多くのユニークな機会が開かれます。

最新のサーマルイメージャの動作原理は、特定の材料が赤外線範囲の放射線を検出する能力に基づいています。 を通して 光学装置赤外線を透過する希少な材料 (ゲルマニウムなど) を使用して作られたレンズが含まれており、物体の熱放射が赤外線に敏感なセンサーのアレイに投影されます。 次に、複雑なマイクロ回路がこれらのセンサーから情報を読み取り、ビデオ信号を生成します。画像のさまざまな色が観察対象のさまざまな温度に対応します。 画像内の点の色と観察対象物の絶対温度との対応スケールをフレーム上部に表示できます。 画像内の最も熱い点と最も寒い点の温度を示すこともできます。 サーマルイメージャはモデルによって、測定される温度のステップサイズが異なります。 最新のテクノロジー 0.05 ～ 0.1 K の精度で物体の温度を区別できます。

多くの熱画像装置には、熱放射パターンのビデオ画像を記録するためのメモリデバイスと、スキャンの結果得られる赤外線放射画像の最小限のリアルタイム分析を可能にする高性能マイクロプロセッサも装備されています。 非常に多くの場合、熱画像装置とビデオカメラを併用する構成が使用されます。これにより、一般に、赤外線と可視スペクトルを組み合わせた「拡張された」範囲で、不利な条件下でも物体の画像を取得できます。 （例えば、物体の照明の不足）少なくとも 1 つの範囲で物体を観察します。 IR または可視範囲は、互いに重ね合わせたり、個別にブロードキャストしたりできます。 特別なソフトウェアを使用すると、サーマル イメージング コンプレックスの動作を設定し、含まれるすべてのデバイスの動作を可能な限り効率的に調整できます。

サーマルイメージャの画像精度およびその他の特性は、通常、その使用範囲によって決まります。 科学実験室では、より複雑な設計が使用されますが、専門分野が狭いため、測定温度のステップが最小になります。 さまざまな現場での安全を確保するために、精度は若干低いものの、より広い周波数範囲で動作し、機能を効果的に実行するのに十分な精度で熱放射を記録するモデルが使用されています。 いずれにせよ、熱放射を測定し可視化するサーマルイメージャの動作原理は、現代社会の生活のあらゆる領域で求められています。

サーマルイメージャの技術的特徴

主要 技術特性専門家が注目する熱画像装置は、マトリックスの種類、焦点距離、マトリックスの感度、視野角、動作温度範囲などのパラメータです。 もちろん、これらは主なパラメータにすぎず、他にもパラメータがあります。

モデルごとに用途に応じて特徴が異なりますので、詳しくはカタログをご覧ください。

今日、おそらく誰もが熱画像装置などのデバイスについて聞いたことがあるでしょう。 おそらく例外は小さな子供たちでしょう。 もう1つは、このデバイスを「生」で見た人、さらには実際に手に取った人がそれほど多くないということです。 しかし、保管するだけでなく、独自の「家庭用」バージョンのサーマルイメージャーを作成した人もいます。 ただし、あなたがどのカテゴリに属していても、私たちの記事はいずれにしても興味深いものとなるでしょう。 未経験者はサーマルイメージャの動作原理を理解することができ、経験者や優秀者は自分自身の新たな可能性を発見することができます。 しかし、すべてを順番に話しましょう。

サーマルイメージャは、非接触方法を使用して表面温度を測定するためのデバイスであり、多くの専門職の代表者の作業を大幅に楽にすることができます。 当初は軍事目的で発明されましたが、このかなり複雑で高価な装置は、現在では人間の活動のほとんどの分野で成功裏に使用されています。 たとえば、産業では、技術プロセス中の熱変化を監視します。 医学では - 病気を診断するため。 鳥や動物を狩るとき。 建設中 - 熱漏れの領域、または逆にパイプを敷設する場所を決定します。 そして、これはこのデバイスの完全な実績ではありません。

デバイスの種類

サーマル イメージャは非常に人気のある多機能デバイスであるため、次の 2 つの技術設計オプションがあります。

• 定常。 このカテゴリのデバイスは、産業企業で技術プロセスを監視するために使用することを目的としています。 窒素冷却システムは、このような熱画像装置を備えた非常に一般的なデバイスです。 動作温度特性は非常に優れており、-40 ～ +2000 °C です。 これらのシステムは通常、半導体光検出器のマトリックス上に組み立てられたデバイスに基づいています。

• ポータブル（ポータブル）。 革新的な開発により、かさばる冷却装置の使用から脱却し、非冷却シリコン マイクロボロメーターに基づくサーマル イメージャーの製造に移行することが可能になりました。 このようなデバイスには、たとえば測定中の温度ステップが小さい (0.1 °C) など、以前のデバイスのすべての利点があります。 このクラスのサーマルイメージャは、デバイスの使いやすさと携帯性の両方が必要な複雑な評価作業に使用することもできます。 多くのポータブル熱画像装置は、PC に接続してデータを迅速に処理する機能を備えています。

特定の領域でサーマルイメージャを使用すると、このデバイスの必要な動作特性に特定の痕跡が残ります。 したがって、このデバイスを購入する前に、それが使用される条件を評価する必要があります。 手順はこれに役立ちます。 取扱説明書について適切な知識を持たずに購入したサーマル イメージャは、お客様のニーズにまったく適合しない可能性があります。たとえば、狩猟に使用されるサーマル イメージャには、少なくとも IP54 の保護レベルを備えた耐衝撃性の軽合金ボディが必要です。

ファインダーと液晶画面に表示があるモノブロック設計であることが望ましい。 また、狩猟用熱画像装置の可視範囲は 1500 m に達する必要がありますが、建設業界ではそのような要件は熱画像装置には課されていません。

サーマルイメージャの動作原理

熱画像装置の動作は、物体が熱放射 (IR 放射) を生成する能力に基づいており、その強度は物体の温度に直接依存します。 サーマルイメージャーは長距離の赤外線を検出し、人間の知覚に適した形式に変換します。 さまざまな物体の熱放射の違いにより、暗闇の中でも冷たい流れや熱い流れだけでなく、レリーフも見ることができます。 この場合、温度が最も高い部分は赤、温度が低い部分は黒または青で表示されます。

サーマルイメージャーと暗視装置などのデバイスの基本的な違いを理解する必要があります。 違いは、暗闇の中で見る能力です。 サーマルイメージャは物体自体の赤外線放射を送信しますが、暗視装置は他の物体からの反射および増幅された放射線照明を送信します。 つまり、サーマルイメージャを使用して暗視装置の機能を実行することは可能ですが、暗視装置を使用してヒート マップを構築することはできません。

サーマルイメージャの動作アルゴリズムは 3 つの段階で構成されます。

1. IR放射の固定。
2. それを温度値に変換します。
3. サーモグラムの形成 - 物体の表面の温度分布を表示する物体の熱画像。

さらに、これらのアクションは瞬時に実行されます。

サーマルイメージャの動作原理はかなり複雑ですが、ポータブル デバイスの設計はそれほど複雑ではありません。

ただし、スクリーン上の画像を十分に鮮明にするには、ゲルマニウムを混合した特殊な光学系が必要であることを考慮する必要があります。 これがまさにプロ用機器の高コストの原因です。 その費用は数千ドル、場合によっては数万ドルに達します。 同意します、その量は少なくありません。

サーマルイメージャーの巨大な機能は、長い間多くの若者にこのデバイスを自分の手で組み立てるというアイデアを抱かせてきました。 そして幸いなことに、そのような多額の費用を回避して、自分の手でサーマルイメージャーを作成する方法があります。 もちろん、デバイスが専門的な目的で使用されることを意図していない場合に限ります。

以下に、家庭にサーマルイメージャーを導入するための 3 つのオプションを示します。最も好きなものを選択してください。 また、熱画像装置用のセンサーやデバイスのその他の要素は、既製のものを購入できます。

オプション No. 1. カメラから自作の熱画像装置を使用する

この方法は、最初にすべてのカメラのマトリックスが赤外線放射を完全に捕捉するという事実に基づいており、赤外線放射は実際に熱画像装置の動作に必要です。 もう 1 つは、写真機器のメーカーが、その機器が人間の目と同じものを見るようにしていることです。 これを行うために、マトリックスの前に特別なフィルターが配置され、ほぼすべての IR 放射を吸収または反射します。これが「サーマル ミラー」、またはホット ミラーです。 このフィルターのおかげで、マトリックスの感度曲線は人間の目の感度曲線に似たものになります。 したがって、カメラから熱画像装置を自分の手で簡単に作成できます。必要な手順は、カメラから熱フィルターを取り外し、代わりに可視スペクトル フィルターを取り付けるという 2 つの手順だけです。 ただし、実践が示すように、後者は必ずしも必要というわけではありません。

自作サーマルイメージャーの適用範囲

このようにして作られたサーマルイメージャを家庭用に使用することは可能ですか? とても。 このような熱探知装置は建設や狩猟などに適しているでしょうか? かなりの可能性があります。 いずれにせよ、アウトドアレクリエーションの愛好家は間違いなくこのデバイスを気に入るはずです。 その助けを借りて、夜間にキャンプへの動物の接近を制御したり、霧や塵の雲の中で迷子になったグループのメンバーを捜索したりすることができます。

不要なデジタル一眼レフカメラをお持ちで、IR フィルターに約 40 ドルが必要で、カメラを分解する意欲と能力がある場合、このオプションは間違いなく試してみる価値があります。

オプション No. 2. 赤外線温度計と Arduino ボードを使用した自作の熱画像装置

この方法の考え方は非常にシンプルです。 自分の手でサーマルイメージャーを作成するには、安価な赤外線温度計が必要になります。これは、近距離で空間の特定の点の温度を測定できるデバイスと、それを接続するためのArduinoボードです。懐中電灯の RGB LED です。

Arduino ボードは、専門家以外のユーザーがオートメーションやロボット工学の分野でシンプルなシステムを構築できるように設計されたソフトウェアおよびハードウェア ツールです。

温度計の測定値に応じてランプの光が異なる色に変わるようにシステムをプログラムしてみましょう。 従来のように、高温が赤、低温が青に対応するようにしてみましょう。 したがって、温度計を内蔵した懐中電灯を任意の物体に向けると、その温度に応じて、その物体が適切な色で自動的に照らされます。 このセットにカメラを追加すると、周囲の物体の表面の温度をカラーで確認できるだけでなく、最も高価な熱探知カメラでも得られる画像と同等の画像を得ることができます。見る。

このような熱画像装置はどこで使用できるのでしょうか?

もちろん、そのようなデバイスは狩猟用のサーマルイメージャーと同じではありません。 強力な装置を自分の手で作るのは困難です。 しかし、特にこの自家製デザインのコストが50ドルを超えないため、提示されたオプションは家庭のニーズに役立つ可能性があります。

オプション No. 3. 静止物体を撮影するための改良された自家製サーマルイメージャー

この開発は、マックス リッターとマーク コールという 2 人のドイツ人学生によって誕生しました。 ミンデルハイムの若い住民は、非常に簡単に製造できる装置を発明し、2010 年に科学技術フォーラムで賞を受賞しました。

このデバイスは、2 つのサーボ (水平および垂直移動用)、Arduino コントローラー (信号処理および PC へのデータ転送を担当)、非接触温度センサー モジュール (MLX90614-BCI など)、レーザー モジュール、またはレーザー ポインター (スキャン領域を示します)、ハウジング、および Web カメラ。 2 つの 4.7 kOhm 抵抗と三脚も必要です。

カメラは、スキャン領域の一種のビューファインダーの役割と、元の画像のソースの役割を果たします。安価な Web カメラであれば、この役割に対応できます (小さければ小さいほど優れています)。

センサーによって生成されたデータは、SMBus および PWM バスを使用して読み取ることができます。 このケースでは、BCI インデックスを備えたセンサーの使用も可能です。 電源は3V。 BCI インデックスは、5° の狭い視野角を提供するアタッチメントを備えたフォーム ファクターのタイプを指定します。

組み立て

• Arduino ボードをバッテリー収納部のあるケースに置きます。
• サーボモーターを基板の前面の空きスペースに瞬間接着剤またはエポキシを使用して固定します。
• 2 番目のサーボモーターを回転装置に配置し、構造全体を固定します。
• グラウンドをGNDに、SDAをPIN4に、VINを3.3Vに、SCLをPIN5に接続して、赤外線温度計をArduinoに接続します。 また、4.7 kOhm の抵抗を取り付けて、SDA を 3.3 V に、SCL を 3.3 V に接続します。
• レーザーカードまたはレーザーポインターを接続します。 これは、現在どの場所からスキャンされているかを追跡するためです。
• ウェブカメラの方向が IR センサーとレーザーの方向と正確に一致するように設置します。

それだけです。 サーマルイメージャーを自分の手で作りました。

何に良いのですか？

センサーが将来の画像をポイントごとにスキャンするため、オブジェクトをスキャンしてヒート マップを発行するプロセスには約 1 分かかります。 もちろん、これは狩猟プロセスにはまったく役に立ちません。 ただし、この自家製サーマルイメージャーは、建設やその他の修理作業の優れたアシスタントとなるでしょう。 たとえば、電気接続や電源アセンブリの熱をテストする方法として使用できます。 このデバイスを使用すると、熱画像だけでなく、定量的な温度値も確認できます。

動作が遅いことに加えて、サーマル イメージャにはもう 1 つの欠点があります。それは、PC に密接に接続されているため、携帯性が悪くなります。 ただし、場合によっては、デバイスの機能とそのコストが非常に正当である場合があります。すべてのコンポーネントに対して、200 米ドル以下を支払う必要があります。 e.

結論

自家製サーマルイメージャーを組み立てるために説明したオプションから、次の 2 つの結論が得られます。

1. サーマルイメージャーを自分で作ることはかなり可能です。
2. 自家製サーマルイメージャーの応用範囲は非常に狭いです。

したがって、世界規模の目的で熱画像装置が必要な場合は、実験を延期し、高品質の機器にお金を費やす必要があります。 単にデザインするのが好きで、自家製製品の可能性に十分に満足しているすべての人に、私たちはアドバイスを提供します - 収集し、実験してください。そうすれば、おそらく私たちが説明した自家製オプションの成果を超えることができるでしょう。自分の手で狩猟を行うための、より高度なサーマルイメージャーを作成します。 頑張れ！

はんだごてやドライバーの扱いはあまり得意ではないが、自然の中で過ごすのが好きな人、また、専門的な目的で 0 ～ 100 °C の範囲の物体の温度特性を視覚化する必要がある人、既製のセミプロフェッショナル機器に注意を払うことをお勧めします。 たとえば、Flir One サーマル イメージャーを搭載したスマートフォンの場合です。

これらのデバイスは、便利でモバイル性があり、0 ～ 45 °C の温度と高い大気湿度でも動作できるため、ハンターや極端な旅行者に最適です。 同時に、そのようなデバイスのコストは、あらゆる種類の自家製製品のコストとそれほど変わりません。

住宅の暖房コストが絶えず上昇しているため、住宅の熱損失を削減するという考えが生まれています。 この場合、サーマルイメージャーは不可欠なツールになる可能性があります。 しかし、それをどのように使用すればよいのでしょうか?そして最も重要なことに、結果を正しく解釈するにはどうすればよいでしょうか? これについては、熱画像赤外線カメラを製造するトロテック社フランス支社の代表ディディール・ヴェイガーベルト氏が詳しく説明した。

サーマルイメージャーはどのようなタイプの部屋で使用できますか?

熱赤外線カメラは、断熱性の低い住宅で熱漏れを診断するために使用できます。 これにより、高品質な断熱施工が可能となり、省エネルギーを実現します。 このタイプのカメラは、窓枠の取り付けに欠陥がある疑いがある場合に、窓枠が正しく取り付けられているかを確認するためにも使用できます。 いつもの、 この装置家やアパートの壁の表面のすべての温度変化を示します。 さらに、熱画像装置を使用して、取引を行う前に販売物件を確認することもできます。

適切なサーモグラフィーは屋内と屋外の両方で行われ、外観写真が 30%、屋内写真が 70% の割合で行われます。 最も重要なのは、サーモグラフィー要素に最も近い内部画像です。

診断はどのように行われるのですか？

カメラは材料表面のすべての温度変化を表示します。 たとえば、ドアやドア枠の断熱性、または窓枠の強化と気密性を監視できます。 スキャンすることで、上層階の屋根下の断熱性を確認できます（部屋の一部を斜めにスキャンします）。 カメラは屋内に設置することが望ましいです。 恒久的に設置することが可能です。 この場合、それは保護の役割を果たします。 屋根と窓が十分に断熱されていることが条件で、カメラを別の場所に移動することができます。
ただし、建物内で使用されているカメラからの赤外線は窓ガラスを通過しない（赤外線は鏡と同様にガラスで反射される）ため、ガラスサーモグラフィーは実行できません。

オブジェクトを観察するにはカメラをどのように配置する必要がありますか?

最良の熱スキャンを行うには、可能であればカメラを対象物に対して垂直に配置する必要があります。 床からの屋根のサーモグラフィーはナンセンスです。 情報をより正確かつ詳細に読み取るには、カメラをオブジェクトにできるだけ近づけて配置する必要があります。

熱橋。 湿気が多すぎるエリアやその他の部屋の問題が表示されますか?

熱画像カメラは実際に建物の湿った領域を明らかにすることができます。 湿った材料は導電性が高く、同様の乾燥した材料とは異なる温度になります。
予防策として、赤外線カメラを使用して電気パネルをチェックし、電気設備が適切に機能していることを確認できます。 カメラは異常な過熱領域があるかどうかを表示し、 高温基準を超えているもの。 家庭の電気ネットワークをスキャンすると、火災や停電を回避できます。
熱画像カメラは、床下にある電気および通信ネットワークの漏電を検出するためにも広く使用されています。 この場合、診断には床を解体する必要はありません。

結果を解読し、更新をどのように考慮するか?

建物内では特に壁と屋根の温度差が考慮されます。 部屋の隅などの一部の領域は、常に中心よりも寒くなっています。 熱画像装置を使用して、この差が許容範囲内 (2 ～ 3 度以内) か大きすぎるかを判断します。 たとえば、外気温が 0 度、壁の内部温度が 20 度、隅の温度が 8 度または 12 度の場合、カメラは断熱が不足していることを示します。 すべての許容温度偏差はカメラのマニュアルに指定されています。

赤外線カメラを使用するのに最適な時間帯は何ですか?

サーモグラフィーを実施するのに最適な時間帯は、日の出前の早朝です。 状況によっては夜間の作業も可能です。 ただし、屋根や壁の表面が非常に高温になる晴天の日は避ける必要があります。

どのような条件下で住宅用サーモグラフィーの測定値が歪む可能性がありますか?

濃霧や雨の中での屋外サーモグラフィーの実行は避けてください。 この場合、赤外線の一部が水粒子に吸収され、測定値が歪む可能性があります。 また、建物全体、特に日当たりの良い側が非常に高温になり、値も大きく歪むため、晴れた日にサーモグラフィーを行うことはお勧めできません。

自己診断用の赤外線カメラを購入するのとレンタルするのではどちらが良いでしょうか?

赤外線カメラの価格は60,000ルーブルからです。 安価なサーマルイメージャーを 3 日間レンタルすると、約 5,500 ルーブルかかります。 専門家による完全な診断の費用は約20,000ルーブルです。