b - постоянная Вина, Т - абсолютная температура

Рис.2 Спектр инфракрасных лучей

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла.

Рис.3 Изображение собаки, полученное в инфракрасном излучении

При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

2.Приборы ИК диапазона

Инфракрасный (ИК) диапазон - это диапазон излучения электромагнитных волн от 0.78 до 1000 мкм.

ИК поддиапазоны:

· Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR): 0.78 - 1 мкм;

· Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR): 1 - 3 мкм;

· Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR): 3 - 6 мкм;

· Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR): 6 - 15 мкм;

· Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR): 15 - 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 - 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 - 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон 8 - 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения.

Рис.4 Окна прозрачности в атмосфере для ИК диапазона

Существует два типа ИК детекторов:

Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.

Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

2.1. Тепловизор

Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C. Более подробная информация доступна в разделе Термография.

В наиболее дешевых моделях тепловизоров информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

2.1.Пирометры

Пирометры - это приборы, которые используют электромагнитное излучение тел для определения их температуры.

Поверхности всех тел веществ, температура которых выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны. Причем характер этого излучения и характеристики зависят от температуры.

Диапазон теплового излучения лежит в пределах 0,1 - 1000 мкм. Кроме излучения тела также поглощают излучение от других тел. В целом тело часть энергии поглощает, часть отражает, часть пропускает далее. Все это характеризуется соответствующими коэффициентами. В физике теплового излучения существует понятие абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело это тело, которое поглощает все падающее на него излучение. Относительно такого тела и рассматривается поглощение и излучение тел.

На практике ни одно тело не поглощает и не излучает как абсолютно черное. Моделью абсолютно черного тела может быть отверстие камеры, внутренняя поверхность которой имеет хорошую поглощательную способность и одинаковую температуру.

Излучательная способность абсолютно черного тела и его зависимость от температуры имеет вид:

Длина волны максимума интенсивности излучения определяется законом Вина: λm = b/T

b - постоянная Вина, Т - абсолютная температура

Зная законы излучения температуру излучаемой поверхности можно определить по измеренному потоку излучения, падающему на определенную поверхность.

Существуют следующие приемники излучения:

· Черные и серые приемники (термические). К этим приемникам относятся датчики температуры (терморезисторы, термопары) закрепленные на зачерненных принимающих излучение пластинках. Их чувствительность не зависит от длины волны.

· Селективные чувствительные элементы. Это фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Абсолютная чувствительность селективных чувствительных элементов намного выше.

Приемники излучения вызывают в соответствующей электрической схеме обработки сигнала изменение силы тока, сопротивления, напряжения.

При высоких температурах излучающей поверхности (выше 650 °С) приемником излучения может служить и глаз наблюдателя.

Различают пирометры:

· Оптические пирометры - чувствительны к излучению в определенной полосе частот.

· Радиационные пирометры - чувствительны во всем диапазоне частот.

Оптические пирометры. Оптические пирометры чувствительны только в узком интервале волн. Это достигается с помощью специального фильтра.

Измерение исследуемого объекта анализируется или приемником излучения или с помощью сравнения с источником контрольного измерения. Наиболее широко используются пирометры с исчезающей нитью накаливания. При работе с такими пирометрами исследователь сравнивает в узком интервале длин волн видимой области спектра яркость измеряемого излучения и контрольного (раскаленной нити вольфрама). При достижении равенства обеих яркостей нить накаливания исчезает. Мощность нагрева (ток) нити накаливания является показателем оптической температуры контролируемого объекта. Температуру определяют по градуировочной кривой или на пирометр может быть уже нанесена шкала. Яркостная (спектральная, оптическая) температура, измеренная пирометром равна истинной, если спектральный коэффициент излучения поверхности контролируемого объекта равен единице (абсолютно черное тело). На практике измеренная температура всегда меньше истинной и необходимо в измеренное значение вводить поправку, которая определяется в зависимости от измеренной температуры и спектрального коэффициента излучения (определяется по таблицам) (например, для длины волны λ=0,65 нм - фарфор 0,78 при 1200 °С, железо 0,35 при 800 °С).

Пирометры с исчезающей нитью это очень удобные и простые пирометры. Недостатком является ограничение по нижнему пределу температур, а также некоторая субъективность результатов измерения. В то же время поправка, вносимая в результат измерения при не черных излучающих объектах точнее, чем для радиационных пирометров. Разработаны также оптические пирометры с объективным приемником излучения - фотоэлектрическим элементом и др.

Измерения пирометром с исчезающей нитью осуществляются с расстояния от 2м до бесконечности. Расстояние может быть скорректировано с помощью специальной оптики. Нижний предел температур 650 °С или 200 °С для объективного приемника. Верхний предел обычно не превышает 2500 °С. Пирометры градуируют на черном излучателе или лампе накаливания с вольфрамовой нитью.

Пирометры радиационные (полного излучения). Это пирометры, которые воспринимают излучение во всем спектральном диапазоне. Такими принято считать, если хотя бы 90% излучения объекта используется в пирометре. Для таких пирометров приемником практически могут быть использованы только термические приемники - термопары, терморезисторы. Такие пирометры могут измерять температуру в диапазоне -50 °С - 2000 °С и выше. Корректировка показаний на коэффициент излучения во многих пирометрах осуществляется автоматически и пирометр сразу показывает истинную температуру, если заранее установить известное значение коэффициента излучения.