Файл: Данилин Н.С. Теория и методы неразрушающего инфракрасного контроля радиоэлектронных схем.pdf

§ 7.2. РАДИОМЕТРЫ

Если требуется измерить температуру не в одной, а во многих точках элемента или прибора, то используются ИК радиометры сканирующего типа, создающие видимое изображение исследуе­ мого объекта в его собственном тепловом излучении.

В общем случае ИК система преобразования теплового излу­ чения в видимое содержит:

—оптическую систему;

—сканирующее устройство;

—приемник ИК излучения;

потока с одного направления на другое и фокусирования его на поверхность приемника излучения со сравнительно небольшой площади поверхности объекта, определяемой углом поля зрения. Угол поля зрения определяет разрешающую способность прибора, т. е. минимальный угол поля зрения между двумя точечными ис­ точниками излучения, при котором они различаются раздельно. Чем меньше угол поля зрения, тем выше разрешающая способ­ ность прибора.

Для получения оптического изображения объекта используют­ ся зеркальный, линзовый и реже зеркально-линзовый объективы. Зеркальный объектив обеспечивает равномерное пропускание на

объективы свободны от этих недостатков. При малых габаритах они могут быть достаточно широкоугольными, иметь большую све­ тосилу. В настоящее время в тепловизорах все большее примене­ ние находят линзовые объективы. Так, фирма «АГА» для теплови­ зора модели 680 разработала целую серию сменных линзовых объективов с углом поля обзора 10ХЮ°. 25x25° и 45X45°. Однако из-за ограниченного пропускания применение таких объективов целесообразно лишь в узком диапазоне длин волн.

Приемники излучения (детекторы) являются важнейшим эле­ ментом любого ИК радиометра. Через приемник осуществляется связь между оптической и электрической частями прибора. Прием­ ник излучения преобразует падающий на его поверхность лучис­ тый поток в электрический сигнал, который после предваритель­ ного усиления подается в блок индикации.

Приемники бывают тепловые и фотонные (квантовые). В теп­

142

установки рассмотрим более подробно принцип работы ИК ска­ нирующих радиометров.

Тепловизор «АГА» состоит из двух блоков, приемной камеры и просмотрового устройства. Блок индикации (просмотровое уст­ ройство) представляет собой высококачественный осциллограф настольного типа. На передней панели имеются специальные руч­ ки, с помощью которых осуществляется настройка и регулировка тепловизора. В этом же блоке находятся источник питания и спе­ циальные субблоки, которые обеспечивают получение изотерм, по­ зитивного и негативного изображения. Блок индикации и прием­ ная камера соединены между собой кабелем. Общий вид прием­ ной камеры и просмотрового устройства приводятся па рис. 7.1.

Рис. 7.1. Принципиальная схема камеры тепловизора фирмы АГА (Швеция): 1 — кулачок; 2, 4 — электродвигате­ ли; 3 — фотодатчнки; 5 — сосуд Дьюара; 6 — предусилн тель; 7 — видеосигнал для модуляции яркости; 8 — приемник излучения InSb; У — зеркало; 10 — линзы; 11 — сферичес­ кое зеркало; 12 — вращающаяся призма; 13 — колеблющееся

плоское зеркало.

Регистрация и преобразование ИК излучения в видимое изо­ бражение в тепловизоре «АГА» происходит следующим образом. Проходящий через входное окно тепловизора параллельный пу­ чок ИК лучей от исследуемого объекта падает на сферическое зер­ кало, от которого после отражения попадает на плоское зеркало, расположенное между сферическим зеркалом и его фокусом.

Отраженные от плоского зеркала ИК лучи попадают на вось­ мигранную кремниевую призму, в центре которой лежит фокус хо­ да пучка лучей. За счет преломления в призме этот фокус переме­ щается до отверстия диафрагмы, расположенной в середине сфе­ рического зеркала. ИК лучи, прошедшие через диафрагму, попа­ дают на германиевую линзу, а затем и на зеркало, расположен-

144

1юе под углом 45°, которое поворачивает пришедшие лучи на 90°. Отраженные от зеркала ИК лучи фокусируются второй герма­ ниевой линзой на приемник лучистой энергии, охлаждаемый жид­ ким азотом до температуры —196°С. Охлаждение приемника лу­ чистой энергии до низких температур вызвано, во-первых, необ­ ходимостью снижения уровня собственных шумов, в результате чего повышается чувствительность детектора; и, во-вторых, для исключения влияний колебаний температуры окружающей среды на результаты измерений, что особенно важно при измерении низ­ ких температур, когда изменение окружающей температуры мо­ жет быть значительно больше, чем изменения температуры иссле­ дуемого объекта. В приемнике происходит преобразование ИК излучения в электрический сигнал, величина которого будет про­ порциональна падающей лучистой энергии. Электрический сигнал, снимаемый с приемника, подается сначала на предварительный усилитель, а затем и на электронно-лучевую трубку просмотрово­

го устройства.

В тепловизоре «АГА» регистрация теплового поля осуществля­ ется путем последовательного приема и преобразования ИК излу­ чения от отдельных точек поверхности исследуемого объекта. Раз­ ложение объекта на отдельные точки осуществляется оптико-меха­ нической системой сканирования, состоящей из восьмигранной призмы, плоского зеркала и двух электродвигателей. Восьмигран­ ная призма, вращаясь со скоростью 200 об/с, обеспечивает разло­ жение поверхности объекта на точки по горизонтали. На прием­ ник будет попадать ИК излучение только от тех точек поверхно­ сти, для которых угол падения на грань призмы и условия пре­ ломления в ней обеспечивают прохождение ИК лучей через диа­ фрагму.

От других точек исследуемого объекта ИК излучение через диафрагму не будет проходить и, следовательно, не будет попа­ дать на приемник лучистой энергии. Но благодаря вращению призмы происходит постоянное измерение угла падения и таким образом появляются условия для прохождения ИК лучей через от­ верстие диафрагмы от всех точек исследуемого объекта.

Одновременно с разверткой по горизонтали происходит разло­ жение изображения поверхности объекта и по вертикали. Это осу­ ществляется при помощи колебательных движений, которые со^ вершает плоское зеркало в вертикальной плоскости. Колебатель­ ные движения плоского зеркала совместно с вращением восьми­ гранной призмы обеспечивают регистрацию ИК излучения со всей поверхности исследуемого объекта.

Так как плоское зеркало колеблется с частотой 16 Гц, то ско­ рость развертки будет равна 16 кадрам в секунду, причем, каждый кадр будет состоять из 100 строк по 100 точек в каждой, что обес­ печивается вращением восьмигранной призмы.

Электрические сигналы, снимаемые с детектора ИК излучения, в определенной последовательности, определяемой системой ска­

нирования, подаются на электронно-лучевую трубку просмотрово­ го устройства. Так как яркость свечения электронно-лучевой труб­ ки определяется величиной электрических сигналов, которые за­ висят от поступающей иа детектор энергии ИК излучения, то на экране просмотрового устройства получается видимое изображе­ ние, соответствующее распределению радиационной температуры по поверхности объекта.

Рабочий диапазон длин воли, приемной камеры лежит от 2,0 до 5,7 мк. Этот диапазон длин волн выделяется при взаимодейст­ вии двух германиевых линз и приемника лучистой энергии, изго­

спектральной чувствительности примененного приемника лучистой энергии. Верхняя граница чувствительности камеры соответствует

получающееся па экране просмотрового устройства, представляет собой картину серых тонов. Одновременно с изображением ноля исследуемого объекта на экране просмотрового устройства высве­ чивается и температурная шкала, образованная линейно изменяю­ щимся напряжением. Изменение температуры иа этой шкале про­ исходит слева направо. Поэтому области объекта с меньшей тем­ пературой на экране тепловизора будут выглядеть более темными по сравнению с горячими местами. На этой фотографии, снятой с экрана просмотрового устройства, приводится теплограмма лица человека. Как видим, яркость полученного изображения неоди­ накова. Есть темные и светлые области. Это говорит о том, что температура по поверхности лица распределена неравномерно.

По теплограмме, полученной с помощью тепловизора, можно оценить только перепад температур между соседними участками исследуемого объекта, а не значение абсолютной температуры. Максимальная и минимальная разница температур, регистрируе­ мая с помощью данной установки, будет определяться выбран­ ной чувствительностью. Так, для данной теплограммы чувстви­ тельность соответствует 10°С, что указывается черным маркером «10» иа маркерной белой полосе с левой стороны экрана. Это оз­ начает, что при данной чувствительности можно зафиксировать перепад температур, не превышающий 10°С, а минимальный пере­ пад будет равен порядка 0,5°С.

Важным отличием тепловизора «АГА» от других ИК устано­ вок является то, что он позволяет получить изотермы-лииии, огра­ ничивающие поверхности, с одинаковой энергией ИК излучения. Изотермы на экране просмотрового устройства, наложенные на нормальную тепловую картину, высвечиваются в виде ярких бе­ лых областей. Получение изотермических линий осуществляется электрическим способом, путем сравнения величин сигналов, по­

146

ступающих с приемника лучистой энергии, с заранее заданными. С помощью изотерм можно измерять температуру исследуемого объекта.

С помощью тепловизора «АГА» можно получить как позитив­ ное, так и негативное изображение. Отличие негативного изобра­ жения от позитивного, состоит в том, что холодные области высве­ чиваются более ярко по сравнению с горячими местами. Необходи­ мость в получении негативного изображения возникает в тех случаях, когда приходится исследовать холодные участки на фоне горячих.

Основные технические характеристики тепловизора и некото­ рых других ИК сканирующих радиометров приводятся в таблице

7.1.

§ 7.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКАЗОВ МОДУЛЬНЫХ СХЕМ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНЫХ РАДИОМЕТРОВ

Инфракрасное излучение с поверхности объекта (рис. 7.2) ви­ зируется с помощью сферических зеркал rj и гг на приемную пло-

Рис. 7.2. Блок-схема инфракрасного радиометра.

щадку фотодетектора. В целях получения переменного потока из­ лучения, что в свою очередь позволяет применить усилитель пере­ менного напряжения и избавиться от нестабильности нуля и фото­ сопротивления, поток инфракрасного излучения на выходе опти­ ческой системы прерывается модулирующим диском с радиаль­ ными прорезями. Сигнал фотодетектора усиливается селективным усилителем, детектируется и подается на самопишущий потен­ циометр.

Использование серийных приборов в усилительном тракте и при регистрации позволяет значительно снизить стоимость уста­ новки. Для обеспечения визирования тепловой оси прибора слу­ жит визир. На основе анализа существующих фотодетекторов был выбран фотодетектор, охлаждаемый жидким азотом.