Афонин А.В., Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Основы инфракрасной термографии

Подождите немного. Документ загружается.

191

ïàçîíà è ëèíåéíîñòè ìàòðèöû â òåìïåðàòóðíûõ äèàïàçîíàõ îò 20 äî 120°Ñ

è îò 250 äî 700°Ñ. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3.23.5.

Íà ðèñ. 3.2, 3.3 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî ñèãíàëà èçìå-

ðèòåëüíîé ÷àñòè ñèñòåì â ôóíêöèè îò ïîòîêà èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî

íà ïðèåìíèê èçëó÷åíèÿ. Ïî ýòèì çàâèñèìîñòÿì áûëè îïðåäåëåíû ìå-

òîäîì íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ ëèíåéíûå àïïðîêñèìàöèè ýòèõ ðåàêöèé

íà èçëó÷åíèå ÷åðíîãî òåëà è îïðåäåëåíû îòêëîíåíèÿ ðåàëüíûõ èçìåðå-

íèé îò ãðàôèêà ëèíåéíîé àïïðîêñèìàöèè. Ðåçóëüòàòû ïðåäñòàâëåíû íà

ðèñ. 3.4 è 3.5 â ãðàäóñàõ Öåëüñèÿ äëÿ íèçêîòåìïåðàòóðíîãî äèàïàçîíà

è â ïðîöåíòàõ äëÿ âûñîêèõ òåìïåðàòóð. Óòâåðæäàåòñÿ, ÷òî âåëè÷èíà

îòêëîíåíèÿ èçìåðåíèé îò ëèíåéíîé àïïðîêñèìàöèè â òåìïåðàòóðíîé

øêàëå íå ïðåâûøàåò 2%. Âåëè÷èíà òî÷íîñòè èçìåðåíèé 2% ïðèâîäèò-

ñÿ â òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ ïðàêòè÷åñêè íà âñå ñîâðåìåííûå

òåðìîãðàôè÷åñêèå ñèñòåìû. Ýòà âåëè÷èíà, êàê âèäíî èç õàðàêòåðà ãðà-

ôèêîâ, èìååò õàðàêòåð ñèñòåìàòè÷åñêîé ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííîé ñ îï-

ðåäåëåíèåì óðîâíÿ ñèãíàëà, êîòîðàÿ íå óìåíüøàåòñÿ âñëåäñòâèå îñ-

ðåäíåíèÿ ïî âûáîðêå èçìåðåíèé â îòëè÷èå îò ñëó÷àéíîé ñîñòàâëÿþùåé

èçìåðåíèé, ñâÿçàííîé ñ øóìàìè ôîòîýëåêòðè÷åñêîãî òðàêòà.

Ê ñîæàëåíèþ â ýòîì ìàòåðèàëå íå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäî-

âàíèÿ ñòàáèëüíîñòè ñ òåì, ÷òîáû îöåíèòü ñëó÷àéíóþ ñîñòàâëÿþùóþ

âàðèàöèé ðåàêöèé ïèêñåëîâ ïî îäíîðîäíûì èçëó÷àòåëÿì ñ ðàçëè÷íûìè

òåìïåðàòóðàìè.

Òàêèì îáðàçîì, â ïàñïîðòíûõ äàííûõ íà òåðìîãðàôè÷åñêóþ àï-

ïàðàòóðó ïðèâîäÿò ñâåäåíèÿ î DT

NET

, õàðàêòåðèçóþùåì ñëó÷àéíóþ øó-

Òàáëèöà 3.14.

Íåêîòîðûå ïàðàìåòðû è ïîãðåøíîñòè êîíòðîëÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè

ðàäèîìåòðîâ Inframetrics 2100 è Agema 880

192

Òàáëèöà 3.15.

Êîíòðîëèðóåìûå ïàðàìåòðû è çàäà÷è èñïûòàíèé íà ñòåíäå Inframetrics

193

ìîâóþ ñîñòàâëÿþùóþ ïîãðåøíîñòè, è âåëè÷èíó ïîãðåøíîñòè èçìå-

ðåíèÿ ðàäèàöèîííîé òåìïåðàòóðû 2%, ñâÿçàííóþ ñ íåëèíåéíîñòüþ

ôîòîïðèåìíîãî ðåãèñòðèðóþùåãî òðàêòà.

Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ïàñïîðòíûå äàííûå íå âñåãäà ñîîòâåò-

ñòâóþò èñòèííîìó ïîëîæåíèþ äåë. Íàïðèìåð, ïðè èñïûòàíèÿõ

Termovision 550 è 1000 áûëà îáíàðóæåíà áîëüøàÿ ñèñòåìàòè÷åñêàÿ ïî-

Ðèñ. 3.2. Çàâèñèìîñòü ñèãíàëà íà âûõîäå ÀÖÏ â èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèöàõ

îò ïîòîêà, ïàäàþùåãî íà ïðèåìíèê

Ðèñ. 3.3. Çàâèñèìîñòü ñèãíàëà íà âûõîäå ÀÖÏ â èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèöàõ

îò ïîòîêà, ïàäàþùåãî íà ïðèåìíèê

194

ãðåøíîñòü, ñâÿçàííàÿ ñ èçìåíåíèåì òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû,

êîòîðàÿ ñóùåñòâåííî ïðåâûøàåò 2%.

Äëÿ ïðèìåðà íà ðèñ. 3.6 ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàí-

íûå èñïûòàíèé îáðàçöà ThV 550, ãäå ïî îñè îðäèíàò îòëîæåíû çíà÷å-

íèÿ ýôôåêòèâíîé òåìïåðàòóðû èìèòàòîðà À×Ò, èçìåðåííîé òåïëîâè-

çîðîì, t¢

, à ïî îñè àáñöèññ çíà÷åíèÿ èñòèííîé ýôôåêòèâíîé

òåìïåðàòóðû t

èìèòàòîðà À×Ò, èçìåðåííîé êîíòàêòíûì òåðìîäàò÷è-

êîì ñ öåíîé äåëåíèÿ 0,1°. Ïðÿìàÿ 1 ïîëó÷åíà ïðè òåìïåðàòóðå îêðó-

æàþùåãî âîçäóõà t

=25°C, a ïðÿìàÿ 2 ïðè t

=11,6°Ñ. Ïðÿìàÿ 3 ñîîò-

âåòñòâóåò òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû, èìåâøåé ìåñòî ïðè

Ðèñ. 3.4. Ïîãðåøíîñòü íåëèíåéíîñòè ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ

Ðèñ. 3.5. Ïîãðåøíîñòü íåëèíåéíîñòè ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ

195

çàâîäñêîé êàëèáðîâêå òåïëîâèçîðà. Ðåãðåññèîííîå óðàâíåíèå ýòèõ

ïðÿìûõ èìååò âèä

t¢

= a × t

+ b, (3.38)

ãäå t¢

è t

 òåìïåðàòóðû â °Ñ. Â àáñîëþòíûõ òåìïåðàòóðàõ â °Ê ðåã-

ðåññèîííîå óðàâíåíèå èìååò âèä

T ¢

= a × T

+ B, (3.39)

ïðè÷åì ñâÿçü ìåæäó êîýôôèöèåíòàìè ðàâíà

b = (a - 1) · 273 + B. (3.40)

Ïðÿìàÿ 3 èìååò êîýôôèöèåíòû à =1 è b=B=0, à êîýôôèöèåíòû

ðåãðåññèîííûõ óðàâíåíèé èçìåðÿåìîé ñ ïîìîùüþ òåïëîâèçîðà

Ðèñ. 3.6. Ëèíåéíûå ðåãðåññèè èçìåðåííîé òåïëîâèçîðîì ThV 550 ðàäèàöè-

îííîé òåìïåðàòóðû t ¢

íà èñòèííóþ ðàäèàöèîííóþ òåìïåðàòóðó t

1  t

=25°C; 2  t

=25°C; 3  ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðå-

äû, ñîîòâåòñòâóþùåé çàâîäñêîé êàëèáðîâêå

196

ýôôåêòèâíîé òåìïåðàòóðû íà èñòèííóþ òåìïåðàòóðó À×Ò ïðè ðàç-

ëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ îêðóæàþùåé ñðåäû äëÿ ïðÿìûõ 1 è 2 ïðèâåäå-

íû â òàáëèöå 3.16.

Òàáëèöà 3.16.

Ïàðàìåòðû ðåãðåññèîííûõ óðàâíåíèé èçìåðåíèé ThV 550

Ïðèâåäåííûå äàííûå ñâèäåòåëüñòâóþò î íåîáõîäèìîñòè ñïåöè-

àëüíîãî êîíòðîëÿ àïïàðàòóðû äëÿ ó÷åòà ýòèõ ïîãðåøíîñòåé âî âðåìÿ

òåïëîâèçèîííûõ èçìåðåíèé.

3.5. Âëèÿíèå ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè òåïëîâèçîðà

íà èçìåðåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííûõ òåïëîâûõ

íåîäíîðîäíîñòåé. Âûáîð ðàññòîÿíèé ñúåìêè

è ó÷åò ïîãðåøíîñòåé âëèÿíèÿ

Ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà îòíîñèòñÿ ê îñíîâíûì ñâîéñòâàì

èçìåðèòåëüíîé îïòèêî-ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû è ôàêòè÷åñêè îïðå-

äåëÿåò òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ìàëîðàçìåðíûõ îáúåêòîâ. Ïðèáîð ìîæåò

èìåòü î÷åíü âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü è ìàëûå ïîãðåøíîñòè èçìå-

ðåíèÿ, îïðåäåëÿåìûå ïî À×Ò, ïåðåêðûâàþùåìó âñå ïîëå çðåíèÿ, íî

òî÷íîñòü èçìåðåíèé ìàëîðàçìåðíûõ îáúåêòîâ ìîæåò áûòü î÷åíü íèç-

êîé, íå óäîâëåòâîðÿþùåé ðåøåíèþ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è. Â äàííîì

ðàçäåëå ðàññìàòðèâàþòñÿ âîïðîñû ïîâûøåíèÿ òî÷íîñòè òåïëîâèçè-

îííûõ èçìåðåíèé ïðèìåíèòåëüíî äëÿ îáúåêòîâ, èìåþùèõ ìàëîðàç-

ìåðíûå òåïëîâûå íåîäíîðîäíîñòè.

3.5.1. ÐÀÑ÷ÅÒ ÎÄÍÎÌÅÐÍÛÕ ÏÅÐÅÄÀÒÎ÷ÍÛÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ

ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈÅ ÏÎÃÐÅØÍÎÑÒÅÉ ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÑÈÃÍÀËÀ

Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïåðåäà÷è ñèãíàëîâ òåïëîâèçîðîâ íà ïðîñòðàí-

ñòâåííûõ ÷àñòîòàõ, èñïîëüçóåòñÿ îäíîìåðíàÿ èìïóëüñíàÿ ðåàêöèÿ D(x),

èäåíòè÷íàÿ ôóíêöèè ðàññåÿíèÿ ëèíèè. Êîãäà îáúåêòîì ÿâëÿåòñÿ î÷åíü

óçêàÿ ëèíèÿ (ùåëü), âèä ýòîé ôóíêöèè ðåãèñòðèðóåòñÿ êàê âèäåîñèãíàë

197

íà âûõîäå ïðåäóñèëèòåëÿ. Ëèíåéíàÿ èìïóëüñíàÿ ðåàêöèÿ D(x) ïî íà-

ïðàâëåíèþ õ ðàçâåðòêè ó÷èòûâàåò ðàçìåð ïðèåìíèêà, èçìåíåíèÿ åãî

ëîêàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âäîëü íàïðàâëåíèÿ õ, ïÿòíî ðàññåÿíèÿ

îïòèêè çà ñ÷åò àáåððàöèé è äèôðàêöèè è ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ èñïîëü-

çóåìîãî óñèëèòåëÿ. Ñòðîãî ãîâîðÿ, îïðåäåëåíèå îäíîìåðíûõ èìïóëüñ-

íûõ ðåàêöèé äîëæíî ïðîèçâîäèòüñÿ â äâóõ îðòîãîíàëüíûõ íàïðàâëå-

íèÿõ: ùåëü îðèåíòèðîâàíà ïåðïåíäèêóëÿðíî ñòðîêàì è ïî íàïðàâëåíèþ

ñòðîê, ïîñêîëüêó ñêàíèðîâàíèå â ôîðìèðóþùèõ èçîáðàæåíèå ÈÊ ñèñ-

òåìàõ íå âñåãäà îáåñïå÷èâàåò ðåàëüíî ñèììåòðè÷íóþ ðàçâåðòêó.

Ýêñïåðèìåíòû ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ òåïëîâèçîðîâ ñ ëèíçîâîé ñèñ-

òåìîé, ôóíêöèÿ D(x) ìîæåò áûòü àïïðîêñèìèðîâàíà ãàóññîâîé êðè-

âîé (2.159), ãäå õ  óãëîâàÿ êîîðäèíàòà, îðòîãîíàëüíàÿ íàïðàâëåíèþ

ùåëè, a

 óãëîâàÿ øèðèíà ùåëè, ïðè êîòîðîé ñèãíàë ìîäóëèðóåòñÿ

íà 50%, à s  óãëîâîé ðàçìåð ðàâíûé s=a

/ 0,96, ïðè êîòîðîì

D(s)=0,368. Òàêàÿ èìïóëüñíàÿ ðåàêöèÿ ìîæåò áûòü ó ïðèáîðà ñ ïðå-

âàëèðóþùèì âëèÿíèåì àáåððàöèé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ïî ñðàâíåíèþ

ñ àíàëèçàòîðîì èçîáðàæåíèÿ (ïîëåâîé äèàôðàãìîé) è ïðàêòè÷åñêè

îòñóòñòâèåì âëèÿíèÿ ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîííîãî òðàêòà,

ïðèâîäÿùåé ê àñèììåòðèè èìïóëüñíîé ðåàêöèè.

Â òàáëèöå 3.17 äëÿ ïðèìåðà ïðèâåäåíû äàííûå äëÿ òåïëîâèçîðîâ

ThV 780 è ThV 1000 äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé ðàçâåðòêè.

Èìïóëüñíàÿ ðåàêöèÿ ñèñòåìû õàðàêòåðèçóåòñÿ ðàçðåøåíèåì ñèñ-

òåìû, çàëîæåííûì ïðè ïðîåêòèðîâàíèè èñõîäÿ èç òîãî, ÷òî ôóíê-

öèÿ, õàðàêòåðèçóþùàÿ îòíîñèòåëüíóþ ìàêñèìàëüíóþ ðåàêöèþ íà

ùåëü F

)=0,5. Ýòà ôóíêöèÿ èìååò âèä



. (3.41)

Ýòà ôóíêöèÿ ðàññ÷èòûâàåòñÿ ÷èñëåííûì èíòåãðèðîâàíèåì. Â òàáëè-

öå 3.18 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà äëÿ òî÷åê, ïîçâîëÿþùèõ ïðîâî-

äèòü ëèíåéíîå èíòåðïîëèðîâàíèå äëÿ ïðîìåæóòî÷íûõ çíà÷åíèé.

198

Òàáëèöà 3.18.

Ôóíêöèÿ ðåàêöèè íà ùåëü

Ñîïîñòàâëåíèå ðàñ÷åòíûõ è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ïîêàçàëî,

÷òî èìåþòñÿ íåçíà÷èòåëüíûå îòëè÷èÿ, íå èìåþùèå ïðèíöèïèàëüíî-

ãî çíà÷åíèÿ. Èñïîëüçóÿ äàííûå òàáëèö 3.17 è 3.18 ìîæíî îïðåäåëèòü

óãëîâóþ øèðèíó ùåëè äëÿ êàæäîãî îáúåêòèâà è ñîîòâåòñòâóþùóþ åé

îòíîñèòåëüíóþ âåëè÷èíó ñèãíàëà íà âûõîäå òåïëîâèçîðà. Òàêèì îá-

ðàçîì, àìïëèòóäà ñèãíàëà U

ëèíåéíîé íåîäíîðîäíîñòè ñ ÷åòêî âûðà-

æåííûìè ôðîíòàìè (ãîðÿ÷åãî èëè õîëîäíîãî îòíîñèòåëüíî ýëåìåíòà

îáúåêòà, íà êîòîðîì íàõîäèòñÿ íåîäíîðîäíîñòü) áóäåò óìåíüøàòüñÿ

íà âåëè÷èíó

= U

× D F

(a); (3.42)

D F

(a) = 1  F

(a), (3.43)

â çàâèñèìîñòè îò óãëîâîé øèðèíû ýòîé íåîäíîðîäíîñòè a. Òàêèì îá-

ðàçîì,

D F

(a) = D U

/ U

, (3.44)

åñòü îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ àìïëèòóäû ñèãíàëà îò ëè-

íåéíîé òåïëîâîé íåîäíîðîäíîñòè.

Òàáëèöà 3.17.

Õàðàêòåðèñòèêè èìïóëüñíîé ðåàêöèè

199

Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè ïåðåäà÷è ïåðèîäè÷åñêîãî ñèãíàëà (â òîì ÷èñ-

ëå è øòðèõîâîé ìèðû) è ÷àñòîòíûõ ãàðìîíèê ñïåêòðà ñëîæíîãî ñèãíà-

ëà èñïîëüçóþò ìîäóëÿöèîííóþ ïåðåäàòî÷íóþ ôóíêöèþ (F

), êîòîðàÿ

îïðåäåëÿåòñÿ êàê ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå îò èìïóëüñíîé ôóíêöèè. F

â ôóíêöèè ïðîñòðàíñòâåííîé ÷àñòîòû n, íîðìèðîâàííóþ ê åå âåëè÷è-

íå íà íóëåâîé ÷àñòîòå

. (3.45)

Èíòåãðèðîâàíèå âûðàæåíèÿ (3.45) äàåò

. (3.46)

Âðåìåííàÿ ÷àñòîòà ñèãíàëîâ ñêàíèðóþùåãî òåïëîâèçîðà ñâÿçàíà

ñ ïðîñòðàíñòâåííîé ÷àñòîòîé ñîîòíîøåíèåì

, (3.47)

ãäå âðåìÿ ñòðîêè ðàâíî

= r / f

, (3.48)

è îïðåäåëÿåòñÿ ïîëåçíîé ÷àñòüþ äëèíû ñòðîêè r è ÷àñòîòîé ñòðîê f

ñîñòàâëÿþùèõ äëÿ ThV 780  0,7 è 2500 Ãö, à äëÿ ThV 1000  0,83 è

3000 Ãö. Ïîäñòàíîâêà (3.47) â (3.46) ïðèâîäèò

; (3.49)

. (3.50)

Ïîñêîëüêó îòíîøåíèÿ s ê Q äëÿ âñåõ îáúåêòèâîâ îäíîãî ïðèáîðà

ïðèìåðíî ðàâíû, òî êîýôôèöèåíò s

ìàëî çàâèñèò îò ïðîñòðàíñòâåí-

íîãî ðàçðåøåíèÿ è F

( f ) äëÿ âñåõ îáúåêòèâîâ êàæäîãî òèïà ïðèáîðà

ìîæíî ñ÷èòàòü îäíîé è òîé æå. Â òàáëèöå 3.19 ïðèâåäåíû ìîäóëÿöè-

îííûå ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè ThV 780 è ThV 1000, âåëè÷èíà

îòíîñèòåëüíîé ïîòåðè ñèãíàëà ðàâíàÿ (1- F

( f )), êîòîðàÿ õàðàêòå-

ðèçóåò âåëè÷èíó îòíîñèòåëüíîé ïîãðåøíîñòè ïåðåäà÷è ñèíó-

ñîèäàëüíîãî ñèãíàëà ñ ïðîñòðàíñòâåííûì ïåðèîäîì ðàâíûì T

=l /n,

ãäå ïðîñòðàíñòâåííàÿ ÷àñòîòà n îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì (3.47).

200

Íåïîñðåäñòâåííî, áåç ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå èìïóëüñíîé ôóíêöèè,

( f ) òåïëîâèçîðà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî òåïëîâûì øòðèõî-

âûì ìèðàì.

Òàáëèöà 3.19.

Ìîäóëÿöèîííàÿ ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ

Êàê âèäíî èç òàáëèöû 3.19, ïðè ïðîñòðàíñòâåííîì ïåðèîäå

=2×s ïîòåðÿ êîíòðàñòà òåïëîâîãî èçîáðàæåíèÿ ñîñòàâëÿåò 91%, ÷òî

èìååò ìåñòî íà ÷àñòîòå f =170 êÃö äëÿ ThV 780 è f =1000 êÃö äëÿ

ThV 1000. Íóæíî îòìåòèòü, ÷òî ïîòåðÿ êîíòðàñòà ~5%, äîïóñòèìàÿ,

êàê ïðàâèëî, ïðè èçìåðåíèÿõ, äîñòèãàåòñÿ ïðè T

(95%) »13 × s, ÷òî

äëÿ ThV 780 ñîîòâåòñòâóåò 46 ìðàä, à äëÿ ThV 1000 ïðè îáúåêòèâàõ

5´3,3° è 20´13°, ñîîòâåòñòâåííî, 2 è 8 ìðàä.

Íóæíî îòìåòèòü, ÷òî òåïëîâèçîð ThV 1000 ïðåâîñõîäèò ThV 780

â 6 ðàç ïî ïåðåäà÷å êîíòðàñòà òåïëîâîãî èçîáðàæåíèÿ ïðè ñðàâíèìûõ

ïîëÿõ îáçîðà, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü èçìåðåíèÿ çíà÷èòåëüíî áîëåå

ìåëêèõ äåòàëåé îáúåêòà.