О самодельном тепловизоре
Периодически для разных целей возникает потребность в измерении диапазона температур. Достичь этой цели можно разными средствами, но лучше всего для этого подходит тепловизор. Одна проблема, — подобное устройство не отличается низкой ценой. А реально ли его построить самому? Об этом мы и поговорим в этой статье.
Работа тепловизора основана на физическом принципе, который заключается в том, что в соответствии с законом Планка, все тела, чья температура является отличной от температуры абсолютного нуля — излучают электромагнитные волны (а свет — имеет электромагнитную природу).
Многие любители и профессионалы хотели бы иметь в арсенале своих средств инструмент для дистанционного измерения температуры. Он весьма полезен для целого ряда применений, так как позволяет наблюдать в реальном времени температуру различных зон объекта, что весьма полезно, как в процессе контроля, так и разработки нового устройства, и позволяет выявлять интересующие по температуре участки, что, в свою очередь, позволяет производить тонкую настройку конструкции.
Но, как правило, эти устройства малодоступны для широкого круга, так как их цена никогда не была низкой. Конечно, это достаточно условное утверждение, ведь кто хочет, тот всегда найдёт возможность. Проблема только заключается в том, что это устройство нужно от случая к случаю, и отдавать 100500 денег, за то, чтобы воспользоваться им один раз в год (в лучшем случае). Почему же так получается?
Для этого давайте сначала изучим подробнее, как устроены подобные аппараты и как, собственно говоря, происходит детекция теплового излучения?
▍ ИК-детекторы
Инфракрасное излучение — является тепловым излучением, и им пронизано всё вокруг. Однако не всегда его наличие является позитивным явлением, зачастую в технике наоборот борются с ним. Наверняка поблизости от вас, на расстоянии вытянутой руки имеется ряд устройств, которые способны воспринимать это излучение — это камеры различных типов: установленные в смартфоне, веб-камеры, камеры для видеонаблюдения и т.д.
Дело в том, что их датчик способен воспринимать ближний спектр инфракрасного диапазона излучения (0,78–3 микрометра). Но его специально отфильтровывают, наклеивая на объектив — так называемый ИК-фильтр, для того чтобы картинка, получаемая с помощью этого устройства, была максимально приближена к той картинке, которую способен воспринимать человеческий глаз. Цель этого действия заключается в том, чтобы камера показывала картинку, похожую на ту, что видит человеческий глаз в разных условиях освещённости (так как будет весьма странно, если в полной темноте камера будет показывать так, как будто на улице яркий солнечный день, а она это может). Хотя такой подход тоже имеет место, и он обычно применяется в камерах видеонаблюдения, где наоборот необходимо хорошее зрение в условиях недостатка света.
Кстати говоря, это является одним из известных лайфхаков, когда любители добавляют обычным камерам возможность видеть в темноте. Для этого у камеры удаляется инфракрасный фильтр. Например, на картинке ниже показан нагретый на газовой плите нож, который видит камера смартфона со стандартными инфракрасным фильтром и без него:
Картинки: sdelaysam-svoimirukami.ru
Довольно часто, дополнительно к удалённому инфракрасному фильтру ещё добавляют инфракрасные диоды подсветки, которые ещё больше улучшают картинку в условиях недостатка света.
Казалось бы, вот оно! Однако не всё так просто: дело в том, что подобный подход позволяет увидеть отражённое от объекта инфракрасное излучение, поэтому он не позволяет измерять температуру объекта. Кроме того, как мы уже выше говорили, камеры ночного видения могут видеть только в ближнем диапазоне излучения, для измерения же температуры в настоящих тепловизорах используется средний и дальний ИК-диапазон (3–15 микрометра).
Некоторые внимательные читатели наверняка отметят, что сюда, к видеокамерам, неплохо бы отнести ещё и приборы ночного видения, с их прямым оптико-электронным преобразованием света. Но я их умышленно не рассматриваю, ибо: дорого и толку нет (в рамках нашей задачи).
Следующий способ детекции инфракрасного излучения хорошо знаком всем (особенно в пандемийный год): бесконтактные ИК-термометры. Вне зависимости от того, какого какой конкретно инфракрасный датчик применён в конкретном термометре, принцип действия их одинаков:
Датчик такого термометра представляет собой ряд термопар, горячая сторона которых прикреплена к пластине кремния, которая называется «абсорбером» и служит для поглощения инфракрасного излучения:
Картинки: terraelectronica.ru
Говоря о конкретном типе датчика, достаточно часто используется в термометрах датчик MLX90614:
Картинка: terraelectronica.ru
Он представляет собой высокочувствительный детектор с 17-ти разрядным АЦП, что позволяет ему распознавать разницу температур, с разрешающей способностью в 0,02 градуса.
Как правило, подобного типа датчики снабжены линзами для лучшей концентрации инфракрасного излучения.
Линзы могут быть изготовлены из силикона, так как силикон является хорошим фильтром для видимого и ультрафиолетового спектра излучения, но хорошо пропускает инфракрасное.
Говоря же о тепловизорах, они, по сути, представляют собой матрицу таких же элементов, основанную на термопарах. Чем обусловлена высокая цена? На мой взгляд, она обусловлена сложной технологией производства (в меньшей степени) и малым рынком потребителей (в большей степени), для кого нужно подобное устройство. Что, однако, не отменяет их достаточную полезность для широкого круга потребителей любительского уровня.
▍ Самоделка
Попробуем прикинуть, а какие же есть альтернативы? И конечно же, взгляд в первую очередь падает на то, что находится поблизости и хорошо знакомо — бесконтактный инфракрасный термометр (купил в своё время по случаю).
Он достаточно недорогой, но, условно точечный. А нам ведь нужна матрица, желательно, хорошего разрешения.
И я подумал вот о чём: , а что если, мы используем этот термометр, в качестве, так сказать «единственного пикселя», воспринимающего информацию, а информацию мы будем подавать на него с помощью системы оптической развёртки, качестве которой будет выступать система из линзы и 2 зеркал, принимающих инфракрасное излучение, которая построчно будет пробегать по анализируемому объекту и формировать изображение?
Похоже, что эта идея пришла не только мне, так как подобные проекты уже существуют:
До того, как эта идея пошла в народ, впервые она была озвучена, насколько мне известно, ещё в 2010 году на научно-техническом форуме и принесла своим создателям награду этого форума.
Картинка: habr.com
В 2013 году на хабре даже был развёрнутый пост про неё, в нём же есть подробное техническое описание и скетчи для Arduino.
В видео ниже показана работа этой системы:
В принципе, затея достаточно интересная, тем более, зачастую замеры тепловизором заключаются лишь в том, чтобы определить температуру некоторого стационарного объекта, в некотором стационарном состоянии (температуру после 10 минут работы, на максимальном газу и т.д. и т.п.).
Почему я заговорил о стационарном объекте? Как можно видеть по проектам выше, сканирующая система работает достаточно медленно.
К сожалению, ни в одном из этих проектов не говорится в явном виде, насколько быстродействующий датчик в них использован (в целях ускорения работы системы). Чтобы разобраться в этом вопросе, я поднял даташиты используемых датчиков, но, к сожалению, даже там, информация, как правило, даётся весьма скудная. Например, говорится только о том, что «данные идут по шине SMBus, считывание их возможно с применением ШИМ (сконфигурированному поверх SMBus), а сама система передачи данных соответствует спецификациям SMBus (100 кГц)». И на этом всё!
Я сразу же засомневался в сказанном, так как наверняка присутствует достаточно существенная инерция в работе термопар датчика. И мне удалось найти эту информацию (параметр называется NETD — соотношение шума к сигналу, при определённой скорости работы). Для более старой версии этого датчика (MLX90614) максимальная частота считывания составляет 10 Герц, более современная его версия (MLX90640), которая, по сути, отличается только расширенными возможностями угла обзора — может работать на частотах до 16 Гц. Негусто.
По крайней мере, никакими килогерцами тут и не пахнет, которые бы понадобились для создания более-менее адекватно обновляющейся картинки (при использовании метода сканирования и «единого пикселя»). Тут ещё важен такой момент: чем большую частоту мог бы поддерживать наш датчик — тем большего разрешения мы могли бы получить картинку.
Так что, если кто-то из читателей сможет найти действительно быстродействующий датчик, здесь существует серьёзный потенциал для развития технологии!
Немного отвлекаясь от темы (интересное из смежной области): в последнее время набирают обороты так называемые »1-пиксельные камеры», в которых используется сочетание DMD-чипа, который в видеопроекторах, для получения тёмного пикселя на экране, отклоняет луч света, в так называемую «ловушку», здесь же он используется для поочерёдного «стреляния» пиксельными лучами в 1-пиксельный сенсор. Интересная научная работа на эту тему имеется вот здесь.
Возвращаясь к нашим тепловизорам, так и какие же есть ещё альтернативы? Тут следует вспомнить, что подобные тепловые сенсоры представляют собой, как правило, массив из термопар. Например, более продвинутая версия датчика (MLX90640), о которой я уже говорил выше — имеет массив 16×4 пикселей (конечно, возможно, я здесь несколько заблуждаюсь, и каждый отдельный пиксель ещё содержит ряд термопар, а не является отдельной термопарой, но это уже частности, по крайней мере, открытой информации на эту тему найти не удалось).
Это позволяет некоторым энтузиастам создавать проекты на основе этого сенсора:
Исходники этого проекта можно найти вот по этой ссылке.
Как можно видеть, его разрешение оставляет желать лучшего, равно как и скорость работы, однако, для утилитарных применений, особенно если приблизить его максимально близко к объекту — он вполне годится.
Кстати говоря, подобные аппараты есть уже в готовом виде, от китайцев, на известном сайте. Ссылку давать не буду, дабы не реклама.
▍ А что если…
Как мы могли уже видеть по рассказу выше, основной проблемой электронных преобразователей тепла является их инертность и большая цена массивов подобных преобразователей. Осмысливая все вопросы, касающиеся построения самодельного тепловизора, я вспомнил одну интересную вещь, некоторое время назад, при изучении устройства мощных лазерных указок зелёного цвета, я обратил внимание, что в таких указках изначальный источник лазерного излучения не зелёный.
А именно: лазерное излучение получается с помощью сложного преобразования изначального излучения инфракрасного диода, который используется для накачки кристалла ортованадата иттрия (Nd: YVO), далее луч проходит через удвоитель оптической частоты (кристалл титанила-фосфата калия (KTP)), на выходе из которого уже получается видимый свет:
Картинка: lasers.org.ru
Картинка: laserpointerforums.com
Ещё более наглядно это видно на следующей картинке, где пространственно разнесли преобразователь на кристалле и ИК-светодиод:
Картинка: reddit.com
Более подробно этот процесс описан вот здесь.
В основе явления лежат нелинейные физические эффекты в кристаллах, благодаря чему можно одно излучение трансформировать в другое. Мало того, настраивать его в определённом диапазоне!
В оптике подобные устройства носят название «параметрических генераторов света».
То есть, другими словами, если взять эту идею за основу и использовать физический преобразователь оптической частоты, вместо попыток регистрации ИК-излучения дорогими и инертными электронными устройствами?
Что мы получаем в таком случае: тепловизор практически любого разрешения! Да, его цена может быть не самой низкой, однако, возможности, которые даёт, весьма интересны.
Кстати говоря, современная наука движется именно в этом направлении. Например, ряд учёных разработал мембрану, на основе нанокристаллов фосфида галлия, которая позволяет напрямую преобразовывать инфракрасное излучение в зеленовато-голубое, видимое.
Ещё одна группа также разработала миниатюрные плёнки, содержащие специальные бороздки, окружённые кусочками золота. Потенциально подобная технология позволит создавать дешёвые детекторы инфракрасного излучения.
Также достаточно любопытным направлением является использование термохромных кристаллов (меняющих цвет под воздействием температуры):
Фокусируем линзой на матрице, покрытой такими кристаллами — и получаем вполне себе тепловизор! Только линза должна быть из ИК-прозрачного материала (можно посмотреть в сторону оптики от CO2-лазеров для гравировки).
В завершение хочется сказать, что задача детекции инфракрасного излучения является непростой, так как эта частота электромагнитного спектра несёт в себе мало энергии, и поэтому трудна для обнаружения. Однако, как можно было видеть по рассказу, существует ряд альтернатив стандартным тепловизорам. Увлечённые испытатели же, вполне могут постараться развить тему прямого преобразования инфракрасного излучения — в видимое, используя для этого физический принцип, а не электронный.
Telegram-канал и уютный чат для клиентов
