Датчик тепловизора: Мультиметр-тепловизор Fluke 279 FC/iFlex + датчик iFlex® В ПОДАРОК – 316702.00 руб. | Мультиметры | Купить по НИЗКОЙ ЦЕНЕ

Содержание

Самодельный тепловизор на базе Arduino менее чем за 100$ / Хабр

Не секрет что каждый из нас хоть раз но мечтал получить в свои руки настоящий тепловизор. Ведь это уникальный шанс взглянуть на мир вокруг совершенно «другими глазами», увидеть скрытое и возможно даже глубже познать суть некоторых явлений. И единственной преградой к этой мечте служит цена подобных устройств. Несмотря на весь прогресс, она остается непомерно высокой для простого смертного.
Однако подобно лучу света в непроглядном мраке безысходности на свет появилась разработка двух студентов из Германии. Их устройство на базе микроконтроллера Arduino является довольно простым в изготовлении и существует аж с 2010 года.

Создателями данного чуда являются Макс Риттер и Марк Коул из города Миндельхейм, что в Германии. Их проект принес им награду на научно-техническом молодежном форуме в 2010 году, и с тех самых пор в сети имеются исходники с подробным описанием конструкции.

Низкая стоимость устройства достигается благодаря использованию одного-единственного температурного датчика MLX90614, подобного тому, что используются в пирометрах и системы механической развертки изображения, состоящей из двух сервоприводов.

Таким образом, датчик по сути обходит будущую картину, точка за точкой сканируя температуру. Само-собой, это выливается в долгое время получения изображения, что и является главным недостатком самодельного тепловизора. Но ведь если вспомнить о том, сколько мы сэкономили на цене, на это глаза сами-собой закрываются.

Итак, из компонентов для создания устройства, понадобится:

Старая веб-камера, разумеется, рабочая;
Микроконтроллер Arduino;
Сервоприводы, 2 штуки;
Датчик температуры MLX90614-BCI;
Китайская лазерная указка;
Корпуса для сервоприводов;
Любой штатив (оптимально).
Два резистора на 4.7кОм.

Веб-камера
Камера здесь будет являться источником исходной картинки а также своеобразным видоискателем для области сканирования. Подойдет практически любая дешевая вебка. Я нашел у себя в бардаке старую-добрую Logitech. Если же подходить к вопросу практично, чем меньше веб-камера по размерам, тем лучше.

Поэтому огромный корпус моей старушки пришлось снять.

Сервоприводы и крепления
К этому моменту тоже можно подступиться с широким размахом. Нам понадобятся 2 сервопривода — один будет отвечать за движение по вертикали, второй по горизонтали соответственно. Учитывая, что на горизонтальном приводе держится и вертикальный и сама веб-камера, стоит взять более мощный. Хотя многие, уже сделавшие устройство спокойно пользуются одинаковыми маломощными.
Крепления для сервоприводов в оригинале называются «поворотно-наклонным механизмом» а у нас «Серво-кронштейном»
Я покупал все эти компоненты тут.

В сборе данный элемент конструкции выглядит примерно так:

Нижний привод крепится к штативу или другому корпусу/подставке туда же надо вставить и лазерную указку, к вертикальному сервоприводу приделывается веб-камера и датчик MLX90614 путем хитрых манипуляций с клеем или деталями от конструктора или например запчастями от старых электросчетчиков (как у меня).

Датчик температуры MLX90614-BCI
Самая сложная часть данной конструкции. Сложная в плане добычи. Найти его непросто (по крайней мере на отечественных сайтах) и он является самой дорогой частью конструкции. Сам я ждал его около двух месяцев, везли видимо из Китая. Подсказать где взять не смогу, ибо ту лавочку уже прикрыли. Автор проекта ссылается на Futureelectronics.

При выборе необходимо обратить особое внимание на последние буквы «BCI» в названии, что означает наличие у датчика насадки для обеспечения узкого поля зрения.
Выглядит он так:

Arduino и схема подключения
Схема подключения датчика и сервоприводов к микроконтроллеру простейшая:

Скетч для Arduino и программное обеспечение для работы с тепловизором можно скачать здесь.

Также хочу обратить внимание, что авторы указывают на необходимость дополнительной настройки датчика при помощи специального скетча, что вроде как должно ускорить работу устройства. Однако в моем случае, датчик после конфигурации стал выдавать ложные значения температуры и я сделал откат.
После сборки всей схемы, ее можно поместить в корпус, и закрепить на штативе:

Небольшие пояснения:
В качестве корпуса для микроконтроллера взял пластиковую упаковку из-под автомобильного освежителя (на фото слева), он в свою очередь держится на штативе при помощи крепежа от учебного оптического прицела. В общем, строго выдержан принцип дешевизны и использования того, что было под рукой. Светится на фото фонарик, который был бонусом к лазерной указке и оказался весьма полезным при сканировании темных областей.

Процесс съемки
Зачем здесь нужен китайский лазер и как же происходит процесс сканирования легко понять на примере моего шикарного ковра:

Не удивляйтесь, что ПО на русском, просто я уже некоторое время занимаюсь его доработкой под свои нужды, попутно изучая язык Java. К несчастью, пока моих знаний недостаточно для окончательного оформления готового продукта.

Итак, на картинке с веб-камеры есть две желтые точки и точка нашего лазера (снизу по центру). Вся калибровка состоит в том, чтобы выбрать координаты центра и левого нижнего угла будущей термограммы. В этом собственно и поможет лазерная указка:

Сегодняшнее ПО поддерживает всего два типа разрешения будущей картинки, в то время, как прошлая версия была богата на это дело, насчитывая шесть разных разрешений. Особенно было забавно получать сильно «пиксельные» картинки за 15 секунд. Думаю, разработчики осознали ненужность остальных режимов и убрали их, хотя программно они остались и могут быть активированы.

Результаты на десерт
Приведенные термограммы в различном разрешении.

Как греется нетбук:

Мой Кот:

Старый счетчик:

Новый щит:

Окно:

Мой друг в темной комнате перед компьютером

Применение
Из-за большого времени сканирования, данный прибор не подходит для проведения энергетического аудита (по крайней мере, для профессионального применения), этот вопрос рассмотрен в этой Статье (Англ.

).
Тем не менее, как мне кажется он мог бы стать отличным подспорьем для проверки на нагрев электрических соединений и силовых сборок. В моей практике (а я подрабатываю электриком) иногда использую этот тепловизор для оценки надежности соединений. Пирометр в данном случае проигрывает в наглядности.

Неудобства в работе связаны с жесткой привязкой прибора к компьютеру и необходимости всегда таскать нетбук. Какое-то время авторы вели разработку второй версии своего тепловизора, которая позиционировалась как обособленное устройство с другим датчиком температуры (который кстати использован в этом проекте) с собственным дисплеем и возможностью записи на карту памяти. Но к сожалению, как признался Макс Риттер, у него нет времени на завершение проекта.
В общем, дальнейшее развитие идеи лежит на плечах любителей и умельцев. Буду рад любым предложениям по доработке/усовершенствованию конструкции.

Спасибо за внимание!
Официальная страница проекта (Англ.)

Принцип работы тепловизора

BBRC. RU

Статьи

Принцип работы тепловизора Принцип работы тепловизора

Тепловизионные приборы очень быстро приобрели большую популярность и стали востребованными во многих отраслях промышленности, коммунальной сфере и для частного использования благодаря способности идентифицировать тепловые волны.

Как работает прибор

Каждый предмет как одушевленный, так и неодушевленный, независимо от того перемещается он или находится в статическом положении, излучает электромагнитные волны, которые перекрывают достаточно широкий частотный диапазон, в том числе захватывают инфракрасный спектр. Излучение в таком спектре еще называется тепловым. Его интенсивность зависит от температуры объекта и практически не меняется от степени освещения.

Тепловизор представляет собой прибор, способный не только фиксировать тепловое излучение объектов, но и визуализировать его в доступном для человеческого глаза виде.

Для этого он комплектуется специальным объективом. Линзы этого объектива отличаются уникальной способностью беспрепятственно пропускать тепловое излучение, в то время как обычное стекло задерживает ИК-лучи.

С помощью системы линз инфракрасные волны позиционируются на специальную матрицу. Она представляет собой совокупность датчиков, способных реагировать на тепловые волны. Информация в виде токовых посылок считывается процессором с матрицы и преобразуется в видеосигнал, выводимый на устройство отображения, которым может быть экран прибора или внешний монитор. Из-за разности температуры окружающей среды и объекта на дисплее получается контур изображения. В современных устройствах разные волны в зависимости от температуры отображаются разным цветом.

Для удобства пользователя поверх кадра может выводиться шкала, которая отображает соответствие цвета любой точки изображения значению абсолютной температуры наблюдаемого объекта. Предоставляется возможность также обозначать максимальное и минимальное значение температуры на изображении.

Точность вычисления современных приборов составляет 0,05 градуса, поэтому картинка получается максимально реалистичной. Тепловизор настраиваются на работу с тепловыми волнами, имеющими длину 3,0–5,5 мкм, поэтому приземный слой атмосферы для него получается почти прозрачным, а природные явления в виде тумана, дождя, снега и дыма минимально влияют на чувствительность.

Типы детекторов

Матрица представляет собой микросхему с набором специальных диодов, отличающихся светочувствительностью, и свойством менять сопротивление в зависимости от интенсивности инфракрасных лучей. Благодаря современным технологиям матрица имеет компактные размеры и отличается низким энергопотреблением. Для получения качественной картинки необходимо минимизировать цифровой шум, поэтому конструктивно предусмотрены программные и аппаратные средства для ее охлаждения. В самых современных приборах ПЗС-матрица заменена на микроболометрическую, которая не требует охлаждения. Изменение сопротивления элементов такой микросхемы фиксируется с большой точностью практически во всем диапазона ИК-излучения.

Область использования

Способность тепловизора измерять разницу температуры и визуализировать таким образом тепловое излучение востребована во многих областях деятельности человека. Использование прибора для энергоаудита предусматривает:

контроль степени теплоизоляции промышленных и коммунальных объектов, дверных и оконных проемов, а также подвалов и крыш домов;
измерение теплопроводности материалов;
нахождение точек утечки теплопотерь в домах и тепловых системах;
определение разгерметизации инженерных систем: вентиляции, кондиционирования, а также теплоснабжения и электроснабжения;
обследование фасадов домов в отопительный период;
диагностику дымовых труб и теплообменников.

Свойство тепловизоров идентифицировать предметы по инфракрасному излучению делает их намного эффективнее приборов ночного видения, поэтому они востребованы в разных сферах, в том числе военной и судоходной, с целью контроля и обеспечения безопасности.

Незаменимый прибор для ведения ночной охоты в любую погоду, а также в путешествиях для ориентации в ночное время и поиска заблудившихся в лесу людей. Является практичным помощником и для автовладельцев, так как позволяет увидеть объекты намного дальше зоны, освещенной фарами.

Тепловидение для дальнего наблюдения

Тепловидение (разновидность инфракрасного изображения) использует камеры, которые «видят» тепло вместо света. Иногда называемые камерами FLIR, они создают изображение, которое изображает объекты, используя их излучаемое тепло, а не их видимые свойства.

Так как же тепловидение видит тепло? Все объекты теплее абсолютного нуля (-273°C/-459°F) излучают инфракрасное излучение в длинах волн MWIR и LWIR (3–14 мкм) в количестве, пропорциональном температуре объекта. Тепловидение фокусирует и обнаруживает это излучение, затем переводит изменения температуры в изображение в оттенках серого, используя более яркие и темные оттенки серого для представления более высоких и более низких температур, что дает визуальное представление о тепловом профиле сцены. Многие тепловизоры также могут применять к этим изображениям цветовые профили, показывая, например, более горячие объекты желтыми, а более холодные объекты синими, чтобы упростить сравнение температур на изображении.

Чтобы «видеть» излучаемое тепло, необходимы специальные линзы и датчики для фокусировки и обнаружения электромагнитного излучения в MWIR (средневолновом инфракрасном) и LWIR (длинноволновом инфракрасном) диапазонах.

Тепловизионные камеры LWIR и MWIR

Для обнаружения тепловой энергии требуются специальные FPA (матрицы в фокальной плоскости). Их можно разделить на два типа: охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы.

Охлаждаемые детекторы предназначены для обеспечения максимальной эффективности обнаружения. Поскольку мы обнаруживаем излучаемое тепло, любое тепло от самих компонентов камеры затрудняет просмотр изображения сцены. Как наши датчики высокого разрешения MCT (ртуть-кадмий-теллурид или HgCdTe), так и наши датчики с анимонидом индия (InSb) включают криогенную систему охлаждения для снижения «шума» от нагрева внутренних компонентов камеры и самого датчика. Это позволяет определять тепловую энергию с точностью до 0,025 °C.

Также доступны неохлаждаемые извещатели, которые более доступны по цене и компактны из-за отсутствия криогенного охладителя. Мы используем детекторы на основе оксида ванадия (VOx) в наших неохлаждаемых камерах и комбинируем их с объективами с широкой апертурой, чтобы максимизировать их эффективность (см. ниже).

Линзы для тепловизионных ИК-камер

Для видимого света стеклянные линзы обычно используются для фокусировки света на сенсоре камеры, однако стекло не прозрачно для теплового излучения. Вместо этого тепловизионные линзы изготовлены из специального металла под названием германий (Ge). Это относительно редкий элемент, поэтому он довольно дорог: цены на сырье часто достигают 2000 долларов за килограмм. В зависимости от типа сенсора требуются линзы с разными характеристиками.

Наши тепловизионные камеры с охлаждаемым датчиком разработаны для обеспечения наилучшего обнаружения на большом расстоянии. У нас есть широкий выбор дальнобойных объективов с непрерывным зумом, позволяющих оператору плавно переключаться между широкоугольным и дальним диапазоном. Наши германиевые линзы выпускаются длиной до 1400 мм, что позволяет нам достигать дальности обнаружения более 50 км.

Поскольку неохлаждаемые тепловизоры по своей природе менее чувствительны, чем охлаждаемые датчики, мы максимально повышаем качество этих изображений, используя объективы с чрезвычайно широкой апертурой ƒ/1,0. Эта широкая апертура пропускает больше тепловой энергии к датчику для обнаружения; в два раза больше энергии, чем у объектива с апертурой ƒ/1,4, или в четыре раза больше, чем ƒ/2,0 (если вы хотите понять, как работают эти числа, посмотрите это прекрасное объяснение того, как измеряются диафрагмы : http://www. uscoles.com/fstop.htm).

Освещение не требуется

Большинству камер для создания изображения требуется источник света. Но поскольку тепловая энергия представляет собой естественное излучение, тепловизор способен «видеть» окружающую среду независимо от условий освещения. Эту пассивную технологию можно использовать в полной темноте без осветителя, что делает ее чрезвычайно скрытным и универсальным решением.

Обнаружение угроз на большом расстоянии

Люди, животные и транспортные средства, как правило, теплее, чем их окружающая среда, что обеспечивает высокую контрастность, позволяющую быстро и широкоугольно обнаруживать угрозы с гораздо большего расстояния (иногда до 50 км). можно получить с помощью оптического изображения.

Это немое видео демонстрирует, насколько проще обнаруживать и отслеживать людей (из-за их тепла) с помощью тепловидения.

Стабильное дневное/ночное покрытие

Качество изображения с видимой камеры зависит от хороших условий освещения, а в областях с плохой контрастностью или слишком широким динамическим диапазоном видимые камеры могут стать практически бесполезными. Тем не менее, система Thermal полностью невосприимчива к изменениям освещенности, что позволяет ей стабильно видеть при любом освещении и получать изображения в режиме реального времени 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

See Through Smoke & Light Fog

Тепловая энергия проходит через многие видимые препятствия, включая дым, пыль, легкий туман и светлую листву. Сравнительное изображение, показанное здесь, демонстрирует, насколько эффективно это может быть при просмотре лесного пожара.

Кроме того, точные перепады температур, обнаруживаемые тепловизором, иногда могут выявить объекты под поверхностью других материалов, например балки за стеной или предметы под одеждой, поскольку они влияют на температуру материала поверхности.

Недостатки тепловидения

Хотя тепловидение имеет много больших преимуществ, оно не является идеальным или полным решением для каждой ситуации. Вот некоторые ограничения, о которых вы должны знать при использовании тепловых технологий.

Не видно сквозь стекло

Поскольку стекло излучает собственное тепло, а также частично отражает тепловую энергию, тепловидение не может видеть сквозь стекло, а это означает, что тепловизионные камеры не могут видеть сквозь окна зданий или транспортных средств и не могут быть установлены за окном, смотрящим наружу.

* Тепловизионные камеры с охлаждением MWIR иногда могут частично видеть сквозь стекло некоторых типов, но даже в этих случаях контрастность очень ограничена.

Не показывает видимый контраст

Тепловидение использует контрастные температуры для четкого определения объектов, в то время как люди привыкли использовать контрастные цвета и тени, чтобы видеть четкость объектов. Это может сделать тепловидение менее эффективным в ситуациях, когда ожидается четкость, но температура поверхности объектов очень однородна, например, печатный текст и изображения.

Невозможно идентифицировать людей

Люди также выглядят совсем по-другому на тепловом изображении, и им не хватает теней и бликов, которые мы используем, чтобы увидеть форму чьего-то лица. Кроме того, на больших расстояниях тепловидение часто не имеет разрешения, необходимого для идентификации человека. Таким образом, хотя тепловое излучение позволяет легко обнаружить людей, оно не является эффективным методом для идентификации людей.

*Пожалуйста, ознакомьтесь с нашим техническим документом по рейтингам DRI , чтобы правильно понять, что означает «обнаружение» в рейтингах тепловизионных камер.

Ограниченное разрешение/высокая стоимость

Тепловые датчики в целях безопасности часто ограничиваются разрешением 640×480, что намного ниже, чем у большинства современных видимых датчиков. Доступны тепловизионные датчики с более высоким разрешением, но они стоят гораздо дороже, чем эквивалентные камеры видимого диапазона. Однако также важно знать, что типы деталей, обнаруживаемых тепловизионными и видимыми камерами, сильно различаются; высокий уровень детализации не так критичен для тепловизионных камер.

Вот почему Infiniti верит в многосенсорные системы, которые могут извлечь выгоду из множества преимуществ тепловизора, но при этом предоставить систему видимого изображения, которая скроет его недостатки. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши конкретные потребности, и позвольте нам разработать специально разработанное решение, которое будет работать лучше всего для вас.

Поговорите с инженером по продажам

Каждая ситуация уникальна, и мы преуспеваем в разработке систем камер, которые обеспечивают конкретные характеристики, необходимые вам, по лучшей конкурентоспособной цене. Расскажите нам о требованиях вашего проекта, и мы вместе с вами разработаем идеальное решение, которое лучше всего соответствует вашему бюджету и потребностям вашего проекта.

Контактная форма1-866-969-6463

Инфракрасное тепловидение — базовые знания

Основы инфракрасной оптики

Инфракрасная (ИК) оптическая система может быть описана теми же параметрами, что и для видимого спектра. Основным отличием, помимо длины волны, является материал линз. Для ИК-оптики обычно используется германиевое (Ge), кремниевое (Si), сульфидно-цинковое или халькогенидное стекло, поскольку эти материалы обладают хорошей прозрачностью в соответствующем ИК-спектре, в то время как обычное стекло НЕ прозрачно в тепловом инфракрасном спектре. Наиболее распространены Ge и Si, где Ge показывает лучшую прозрачность, но по более высокой цене. Специальные оптические покрытия могут дополнительно улучшить прозрачность, но, конечно, это также связано с более высокой ценой.

Чтобы не вдаваться в ненужные подробности, вы можете обратиться к другим источникам информации, таким как Википедия, которая также предоставляет оптические основы. Здесь мы сосредоточимся на самых важных частях.

Связь между числом f и оптическими характеристиками

Двумя основными параметрами для описания оптической системы являются фокусное расстояние и число f. Фокусное расстояние f в сочетании с размерами площади фокальной плоскости (FPA) определяет поле зрения (FOV) камеры. Число f (N) представляет собой отношение фокусного расстояния к апертуре объектива, то есть, по сути, диаметр входного зрачка D. Поскольку оно определяется как N=f/D, число f становится тем меньше, чем больше становится входная апертура. .

Как правило, меньшее число f соответствует большему количеству излучения, которое может достичь чувствительной матрицы FPA. Большее излучение приведет к лучшему отношению сигнал/шум (SNR). Поскольку низкое число f требует системы линз большего диаметра, это также требует большего количества материала и более жестких производственных допусков. Таким образом, лучшая производительность достижима только при более высокой цене.

Кроме того, число f также влияет на динамический диапазон (диапазон измерения температуры) оптической системы. Чем больше апертура и чем меньше число f, тем больше излучения будет обнаружено ИК-чувствительным пикселем при данной температуре объекта. Это уменьшит максимальную температуру, которую можно обнаружить, поскольку обработка сигнала в наших FPA имеет фиксированный коэффициент усиления, который нельзя настроить для другой оптики. Для аналого-цифрового преобразования это означает, что при определенном уровне излучения мишени создается максимальное цифровое выходное значение. Если датчик получает более высокое излучение из-за меньшего числа f, выходное значение по-прежнему будет максимальным цифровым значением, поэтому диапазон измерения усекается, и считается, что датчик насыщен в этих местах пикселей.

Для расширения динамического диапазона без насыщения можно использовать оптические фильтры для ослабления частей ИК-спектра, чтобы уменьшить количество излучения на датчике. Использование малого числа f и тщательно подобранного оптического фильтра обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум при более низких температурах объекта, а также увеличение диапазона измерений.

Пространственные измерения температуры

Прежде чем мы рассмотрим измерения температуры, мы должны узнать о концепции пространственного разрешения оптических систем.

Пространственное разрешение

Если вы хотите получить тепловое изображение сцены или объекта, три основных параметра, определяющих пространственное разрешение, — это шаг пикселя массива датчиков и комбинация FOV и расстояния между датчиком и объектом. Чтобы лучше понять эту взаимосвязь, обратитесь к следующему изображению:

Представьте, что FPA проецируется через оптику объектива на удаленный экран. FOV определяет прогнозируемый размер FPA в зависимости от расстояния до сенсора. Для того же расстояния (A или B) и того же шага пикселя FPA большое поле зрения приведет к большему изображению с большими отдельными пикселями, чем маленькое поле зрения. Таким образом, для больших расстояний оптика с малым полем зрения будет иметь более высокое пространственное разрешение, но, конечно, они также будут показывать меньшую часть сцены. Если вы хотите получить такое же пространственное разрешение с большим FOV, у вас есть два варианта. Один из них заключается в уменьшении расстояния измерения (от B до A). Другой вариант — увеличить количество пикселей. Для того же размера FPA это означает уменьшение шага пикселя. Обратите внимание, что увеличение количества пикселей при неизменном шаге пикселя приводит к увеличению размера FPA, что, в свою очередь, увеличивает FOV.

Определение пространственной температуры

При измерении пространственной температуры важно помнить о вышеупомянутых соотношениях.

Чтобы определить температуру определенного элемента или детали на тепловом изображении, этот элемент или деталь должны освещать хотя бы один полный пиксель. Если это не так, пиксель обнаружит смешанную температуру объекта и прилегающего фона. Следующее изображение поможет прояснить ситуацию:

Есть два пикселя, где показан коэффициент заполнения собаки

относительно фона. Для 100% пикселя в середине камера определит температуру определенной части тела собаки. Но для 50% заполненного пикселя на голове собаки камера будет измерять суперпозицию температуры головы собаки и фона.

Например: если температура головы собаки составляет 30°C, а фон 20°C, камера определит 25°C как температуру головы собаки.

Эта проблема возникает особенно для небольших объектов и элементов. Даже если объект больше одного пикселя, положение объекта может иметь сильное влияние на показания датчика температуры. Вы можете увидеть это на изображении ниже:

Смещение или перемещение мелких объектов может привести к значительным изменениям показаний температуры и не может быть надежно обнаружено. Таким образом, для определения правильной температуры объекта или элемента более одного пикселя должны быть освещены наименьшим элементом, который должен надежно обнаруживаться. Из этого следует, что для больших расстояний до цели или небольших размеров объектов вам следует рассмотреть меньшее поле зрения или датчик с большим количеством пикселей.

Как определить поле зрения вашей камеры

Лучевой закон можно использовать для грубого определения поля зрения камеры:

P равно шагу пикселя, n количество элементов в соответствующем направлении.

Датчик тепловизора: Мультиметр-тепловизор Fluke 279 FC/iFlex + датчик iFlex® В ПОДАРОК – 316702.00 руб. | Мультиметры | Купить по НИЗКОЙ ЦЕНЕ | LaserStroy