Тепловизор

 

Использование: в устройствах тепловидения, а именно втепловизорах, предназначенных для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации собственного и отраженного теплового излучения и отображения теплового портрета в блоке визуализации, Сущность изобретения: тепловизор содержит зеркало 1, объектив 2, приемник 3, датчик 4 положения зеркала, привод 5 вращения, шаговый привод 6, прворотнунэ платформу 7, эталонный источник 8, датчик 9 температуры, модулятор 10, усилительпреобразователь 11, термоэлектрический охладитель 12, устройство 13 выборки и хранения , блок 14 привязки уровня, аналогоцифровой преобразователь 15, блок 16 контроллера, блок 17 визуализации, формирователь 18 импульсов, смеситель 19, дифференциальный усилитель 20, усилитель 21 обратной связи, резистор 22.1 з.п.ф-лы, 7 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5Ф)5 Н 04 N 5/33

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

i.",ì I

Я4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906088/09 (22) 30.01.91 (46) 07.05,93, Бюл. N 17 (71) Научно-производственное объединение

"Импульс" (72) А.А.Александров, А, М. Бла ro родов, P.А,Ванециан, В,Г,Лазарев, Ю,С,Палачев, М,Г.Славнин, С.Ф.Чаликов, В,В. Штыхно (56) Госсорг Ж, Инфракрасная термография.

Основы, техника применения. — М.: Мир, 1988, с. 274. (54) ТЕПЛОВИЗОР (57) Использование; в устройствах тепловидения, а именно в тепловизорах, предназначенных для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифро„„ 1 „„1814195 À1 вой регистрации собственного и отраженного теплового излучения и отображения теплового "портрета" в блоке визуализации, Сущность изобретения: тепловизор содержит зеркало 1, объектив 2, приемник 3, датчик 4 положеНия зеркала, привод 5 вращения, шаговый привод 6, поворотную платформу 7, эталонный источник 8, датчик

9 температуры, модулятор 10, усилительпреобразователь 11, термоэлектрический. охладитель 12, устройство 13 выборки и хранения, блок 14 привязки уровня, аналогоцифровой преобразователь 15, блок 16 контроллера, блок 17 визуализации, формирователь 18 импульсов, смеситель 19, дифференциальный усилитель 20. усилитель 21 обратной связи, резистор 22, 1 з.п,ф-лы, 7 ил, 1814195

30 ектив 2 и приемник 3 оптически связаны,. 35 приемник 3, усилитель-преобразователь 11, 40

50

Изобретение предназначено для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации собственного и отраженного теплового излучения и отображения теплового "портрета" в блоке визуализации.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

На фиг; 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 — схема усилителяпреобразователя; на фиг, 3 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу тепловизора; на фиг, 4 — градуировочная кривая; на фиг. 5 — упрощенная структурная схема блока привязки уровня; на фиг. 6 — пример технической реализации блока привязки уровня; на фиг. 7 — структурная схема программы работы тепловизора.

Тепловизор (фиг. 1 и 2) содержит зеркало 1, объектив 2, приемник 3, датчик 4 положения зеркала, .привод 5 вращения, шаговый привод 6, поворотную платформу

7, эталонный источник 8, датчик 9 температуры, модулятор 10, усилитель-преобразователь 11, термоэлектрический охладитель (ТЭО) 12, устройство 13 выборки и хранения, блок 14 привязки уровня, аналого-цифрового преобразователь 15, блок 16 контроллера, блок 17 визуализации, формирователь

18 импульсов, смеситель 19, дифференциальный усилитель 20, усилитель 21 обратной связи, резистор 22, Эталонный источник 8, зеркала 1, объУстройство 13 выборки и хранения, блок 14 привязки уровня и аналого-цифровой преобразователь 15 соединены последовательно. Выход датчика 9 температуры, находящегося в тепловом контакте с эталонным источником 8, подключен к первому входу модулятора.10, выход которого соединен с вторым входом усилителя-преобразователя 11. Выход датчика 4 положения зеркала подключен к формирователю 18 импульсов и к первому входу блока 16 контроллера, Выход формирователя 18 импульсов соединен с вторыми входами устройства 13 выборки и хранения и блока 16 контроллера, третий вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 15, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены соответственно с входами блока 17 визуализации, шагового привода 6 и с вторыми входами модулятора 10, блока 14 привязки уровня и аналого-цифрового преобразователя 15. Выход термостабилизации усилителя-преобразователя 11 подключен к входу термоэлектрического

20 охладителя 12, который находится в тепловом контакте с приемником 3, Кроме того, выход смесителя 19 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 20. Дифференциальный усилитель 20 и усилитель 21 обратной связи соединены последовательно, Резистор 22 включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя 20. Выходная ось шагового привода 6 жестко соединена с поворотной платформой 7, на которой механически крепятся привод 5 вращения с жестко закрепленным на нем зеркалом 1, датчик 4 положения зеркала, объектив 2, приемник 3, термоэлектрический охладител ь 12, модулятор

10, усилитель-преобразователь 11, а также на- ходящиеся в тепловом контакте эталонный источник 8 и датчик температуры 9.

Устройство работает следующим образом.

Отраженное от зеркала 1 оптическое излучение объекта через объектив 2 поступает на вход приемника 3, выполненного на основе терморезистора, Сигнал с выхода приемника 3 проходит через усилитель-преобразователь 11 на устройство 13 выборки и хранения, выходной сигнал которого корректируется в блоке 14 привязки уровня, затем оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 15 и подается на третий вход 26 блока 16 контроллера. Развертка изображения по строке обеспечивается зеркалом 1 (на фиг. 3 поз. 34), которое воашает привод 5 вращения . При этом в поле приемника последовательно попадают эта -. лонный источник 8, в качестве которого можно использовать, например, черное тело, и наблюдаемый объект,,Кадровая развертка реализуется путем вращения шаговым приводом 6 поворотной платформы 7, Блок 16 контроллера управляет кадровой разверткой, выдавая сигналы с выхода

33 на управляющий вход шагового привода

6 (для чего в приводе предусмотрены ключи), Таким образом, в запоминающее устройство, входящее в состав блока 16 контроллера, записывается цифровой массив, соответствующий тепловому изображению. По окончании формирования массива изображение выводится на экран блока 17 визуализации, Синхронизация работы предлагаемого. устройства обеспечивается датчиком 4 положения зеркала, который может быть выполнен в виде расположенных друг напротив друга лампочки 23 и фотодиода 24, между которыми помещен диск 25 с отверстиями, жестко закрепленный на оси привода 5 вращения, При вращении диска 25, в момент прохождения отверстия между лам1814195 почкой 23.и фотодиодом 24(имеет на своем рового преобразователя 15), и импульсы с выходе формирователь импульсов), выраба- третьего выхода 32 блока 16 контроллера тывается синхроимпульс (на фиг. 3 поз, 35), (на фиг. 3 поз. 36), временное положение который поступает на первый вход 31 блока которых определяется синхроимпульсами

16 контроллера и на вход формирователя l8 5 (на фиг. 3 поз. 35) с выхода датчика 4 полоимпульса, Отверстия на диске выполняют- жения зеркала, Выходные импульсы модуся разного размера, чтобы разные по дли- лятора 10 (на фиг. 3 поз. 37), амплитуда тельности синхроимпульсы индицировали которых равна lU

Измерение температуры Т, исследуе- температуры выбирается равной крутизне мого объекта производится программно в 15 характеристики, приведенной нафиг.4.Моблоке 16 контроллера в соответствии с гра- дулятор 10 может быть реализован в виде дуировочной кривой (фиг. 4), которая зало- управляемого коммутатора, на один вход жена в память блока l6 контроллера. Здесь которого поступает сигнал с выхода датчика

0 —. сигнал на выходе усилителя-преобразо-, 9 температуры, другой вход заземлен, а на вателя 11; Т вЂ” температура; То — температу- 20 управляющий вход подаются импульсы с ра объекта; Тэ.и.ном — номинал ьная выхода 32 блока 16 контроллера, В усилитетемпература эталонного источника (начало ле-преобразователе 11 сигналы с двух вхоотсчета по шкале температур); Тэ., — теку- дов складываются, при этом напряжение щая температура эталонного источника; (перепад) 0 О (на фиг. 3 поз. 38) пропорциосэ.и,=Тэ.и.ном — Tý,è. — нестабильность темпе- 25 налъно отклонению истинной температуры ратуры Т>.и. эталонного источника; 0о — сиг- исследуемого объекта от номинальной тем нал на выходе усилителя-преобразователя пературы эталонного источника Т .и.ном при температуре исследуемого объекта То, (фиг.4), что означает компенсациютемпераU .и. — сигнал на выходе усилителя-преобра- турной нестабильности эталонного источнизователя 0Т эталонного источника при тем- 30 ка 8. В устройстве-прототипе сигнал пературе Тэ.и., 0э.и.ном — сигнал на выходе - термокомпенсации вводится после блока усилителя-преобразователя при номиналь- привязки уровня с помощью автономного ной температуре T>,и,ном эталонного источ- компенсационного канала, имеющего в своника. При этом оцифрованные значения ем составе усилитель и сумматор, что привосигнала (выход аналого-цифрового преоб- 35 дит к появлению дополнительного разователя15),схемная "привязка" которых смещения сигнала за счет погрешности, к уровню сигнала от эталонного источника вносимой элементами самого компенсацивыполняется в блоке 14 привязки уровня, онного канала, В предлагаемом тепловизопоступаютнавход26блока16 контроллера, ре охлаждение приемника 3 т,е. измерение температуры объекта осуще- 40 осуществляется с помощью ТЭО 12, основанствляется относительно температуры эта- ного, например, на эффекте Пельтье, При лонного источника Тэ,и, Нестабильность - этом в пределах рабочего диапазона темпетемпературы Тэ и эталонного источника ратур тепловизора t H - t Kñ ТЭО при по(уход от номинала на величину t, ) вносит стоянном управляющем токе обеспечивает погрешность в измеряемую температуру 45 не стабилизацию абсолютной температуры: объекта То из-за отличия сигнала (U< — 03. ), приемника, а стабилизирует разность меж- подлежащего оцифровке в аналого-цифро- дутемпературой внешней среды и приемни- . вом преобразователе 15. от сигнала ка. Поэтому в предлагаемом техническом

Uex,15=(0o 0э.и.ном) на величину U n=U вх.15 решении с выхода термостабилизации уси(фиг, 4), 50 лителя-преобразователя 11 постоянное наВ рассматриваемом устройстве ком- пряжение, пропорциональное температуре пенсация температурной нестабильности окружающей среды(а следовательно, и темэталонного источника 8 осуществляется, пературе приемника), поступает на вход следующим образом. термоэлектрического охладителя 12. При

Ка входы модулятора 10 поступают сиг- 55 этом минимальный ток управления ТЭО нал Ut (в виде постоянного напряжения) с должен соответствовать верхней границе выхода датчика 9 температуры, пропорцио- рабочего диапазона температур тепловизональный уходу температуры эталонного ис- ра. Это означает стабилизацию абсолютной точника 8 от номинала (последний температуры приемника при изменениях соответствует нулю на входе аналого-циф- температуры внешней среды за счет обрат1814195 ной связи через ток ТЭО, что обеспечивается весьма простыми техническими средствами, Импульсы (фиг, 3, поз, 39), необходимые для работы устройства 13 выборки и хранения, вырабатываются формирователем 18 импульсов, который может быть выполнен в виде управляемого генератора импульсов, на вход которого подается разрешающий импульс. В качестве импульсов разрешения . используются импульсы с выхода датчика 4 положения зеркала (фиг, 3, поэ. 35). Отме тим, что несмотря на то, что формирователь

18 импульсов инициирует работу устройства 13 выборки и хранения в течение всего периода сигнала, блок 16 контроллера выдает импульсы (по выходу 28), управляющие. работой блока 14 привязки уровня (фиг, 13, поэ, 40), только с приходом "первого" (меньшей длительности) синхроимпульса с выхода датчика 4 положения зеркала (фиг. 3, поз, 35), а импульсы по выходу 29 (число импульсов, т.е. количество отсчетов по строке задается программно и может оперативно изменяться с клавиатуры), управляющие работой (сигнал запуска) аналого-цифрового преобразователя 15 (фиг. 3, поз. 41) — с приходом "второго" (большей длительности) си нхроим пульса. Дл ител ь ность синхроимпульсов измеряется с помощью специальной программы в блоке 16 контроллера (см. ниже), В блоке 14 привязки уровня, упрощен.ная схема которого показана на фиг. 5, по импульсному сигналу с четвертого выхода

28 блока 16 контроллера (фиг. 3, поз, 40} (временное положение определяется импульсами, изображенными на фиг, 3, поэ.

39, поступающими на вход 30 блока контроллера 16, а длительность задается программно) Запоминается уровень сигнала 0 >, соответствующий эталонному источнику 8, который вычитается при формировании отсчетов изображения. Введение блока 14 привязки уровня между устройством выборки и хранения (YBX} 13 и аналого-цифровым преобразователем 15 приводит к тому, что погрешность смещения УВХ присутствует ,как в сигнале от объекта, так и в сигнале 01 соответствующего эталонного источника 8.

В результате вычитания этих сигналов в блоке 14 привязки уровня 14 погрешность смещения УВХ устраняется. Пример реализации блока привязки уровня 14 приведен на фиг, 6. Важно отметить, что в данной принципиальной схеме как такового устройства выборки и хранения нет (в отличие оТ рассмотренной упрощенной схемы фиг, 5), стало быть нет и характерной погреш ности.

55 температура в любойего точке, выбираемой оператором с клавиатуры (клавиатура входит в состав блока 16 контроллера), На фиг. 2 представлена схема усилителя-преобразователя 11, состоящего из дифференциального усилителя 20, смесителя

Блок 16 контроллера выполняет следующие функции: а) через третий вход 26 (первый параллельный порт) воспринимает информацию с выхода аналого-цифрового преобразователя 15, преобразует ее и выдает видеосигналы через видеовыход 27 на блок

17 визуализации; б) через четвертый и пятый выходы 28 и 29 (первый и второй одноразрядные порты) выдает импульсы, управляющие работой блока 14 привязки уровня (фиг, 3, поз. 40) и аналого-цифрового преобразователя 15 (фиг, 3, поз. 41) соответственно (их временное положение определяется импульсами (фиг. 3, поз, 39), поступающими с выхода формирователя 18 импульсов через второй вход 30 (третий одноразрядный порт); в) через первый вход 31 (вход запроса прерываний соединенный в блоке 16 контроллера с пятым одноразрядным портом) воспринимает синхроимпульсы (фиг, 3, поз.

35) с выхода датчика 4 положения зеркала и измеряет их длительность, определяя "первый" и "второй" ("второй", как уже отмечалось, используется в качестве начала отсчета при формировании строки изображения; г) через третий выход 32 (четвертый одноразрядный порт) выдает импульсы (фиг. 3, поз. 36) на вход модулятора 10; д) через. второй выход 33 (третий параллельный порт) управляет шаговым приводом 6, При этом следует заметить, что одноразрядные дорты могут быть однонаправленными (ввода или вывода). Блок 16 контроллера может быть реализован в виде ЭВМ, имеющей видеовыход, вход запроса прерываний, два параллельных порта и пять одноразрядных (пятый одноразрядный порт соединен с входом запроса прерываний), в частности на основе управляющей ЭВМ типа IBM PC, снабженной соответствующими платами расширения. В случае отсутствия ЭВМ с необходимой номенклатурой портов можно воспользоваться любой ЭВМ с открытой архитектурой, имеющей видеовыход (обеспечивает формирование цветного многоградационного изображения ) и вход запроса прерываний, и дополнить ее соответствующим числом портов ввода-вывода путем включения их в общую шину, Блок 17 визуализации представляет собой цветной телевизионный монитор, связанн ый с видеовыходом блока 16 контроллера, на экране которого отображаются полученное тепловое иэображение и

1814195

18, усилителя 21 обратной связи и резистора 22, Неинвертирующий вход дифференциального усилителя 20 соединен с выходом приемника 3, который может быть реализован на основе охлаждаемого 5 терморезистора. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 20 подключен к выходу смесителя 19. Резистор 22, включенный между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя 10

20, обеспечивает отрицательную обратную связь и стабилизацию усиления, Необходимая для поддержания неизменной передаточной характеристики (фиг. 4) термостабилизации приемника 3 в рассмат- 15 риваемом устройстве осуществляется за счет параметрической обратной связи. Изменение температуры приемника приводит к возникновению сигнала на выходе диффе-, ренциального усилителя 20, который. посту- 20 пает через усилитель 21 обратной связи на термоэлектрический охладитель 12. Отметим, что в установившемся режиме (баланс сигналов, поступающих с одинаковым весом на инвертирующий и неинвертирующий 25 входы дифференциального усилителя 20) использование общего источника питания

U для смесителя 19 и приемника 3 позволяет одновременно обеспечить и нулевое проникновение пульсаций-Uc> в сигнал, 30

Схема программы, реализуемая блоком16 контроллера, представлена на фиг. 7, Начальная установка (блока 42) включает на. чальную установку счетчиков элементов в строке и строк в кадре, шагового привода, а 35 также анализ длительности синхроимпульсов с выхода датчика 4 положения зеркала, поступающих на вход 31, путем программного опроса одноразрядного регистра ввода (в блоке 16 контроллера вход запроса 40 прерываний соединен с одноразрядным регистром ввода), В результате анализа блок

16 контроллера классифицирует синхроимпульсы на "первый" и "второй" и разрешает прерывание (блок 43) в интервале между 45

"вторым." и "первым" синхроимпульсами. С приходом на вход 31 (вход запроса прерываний) "первого" синхроимпульса производится обработка прерывания (блок 44) и выполняется (блоки 45 и 46) программный 50 анализ содержимого одноразрядного регистра (вход 30). При появлении сигнала на входе 30 блоком 16 контроллера выдаются импульсы (выход 28) на второй вход блока

14 привязки уровня, затем разрешается 55 прерывание и выполняется переход к блоку

43. В дальнейшем обработка прерываний (блок 44) производится по и риходу каждого синхроимпульса, В случае прихода "второго" синхроимпульса программный анализ содержимого одноразрядного регистра (вход 30) выполняется в блоках 48 и 49. При появлении сигнала на входе 30 блоком 16 контроллера выдаются импульсы на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15 (блок 50), считываются и записываются в память (блок 51) коды с выхода АЦП. Затем производится увеличение счетчика элементов в строке (блок 52) и проверка на конец строки (блок 53). Если строка не окончилась, выполняется переход к блоку 48, В противном случае обнуляется счетчик элементов в строке (блок 54), осуществляется перемещение зеркала на одну строку путем выдачи (блок 55) управляющих сигналов (выход 33) на шаговый привод 6 и производится проверка на конец кадра (блок 56); Если кадр не окончился, блок 16 контроллера входит в . режим ожидания прерывания (блок 43), т.е. ждет прихода синхроимпульса на вход 36, По окончании кадра полученное тепловое иэображение (оцифрованный массив) обрабатывается в блоке 16 контроллера и выводится на экран блока 17 визуализации.

Введение устройства выборки и хранения (УВХ) 13 перед блоком 14 привязки уровня (a прототипе УВХ после блока привязки) позволяет избавиться от погрешности сме щения УВХ (см. выше), Это означает снижение требований к реализации самого УВХ, т,е, возможность его упрощения и удешевления. Таким образом структурные изменения электронного тракта тепловизора беэ его усложнения (УВХ, место и форма введения компенсационного сигнала) обеспечивают повышение точности измерения температуры. Использование сигнала усилителя-преобразователя 11 для управления термоэлектрическим охладителем 12 позволяет обеспечить термостабилизацию приемника 3, а следовательно, и стабилизацию

"передаточной характеристики" тепловизора в целом достаточно простыми техническими средствами. Параллельно снижается проникновение пульсаций источника питания U< в сигнал. Отмеченные качества оп,ределяют преимущества предлагаемого устройства по отношению к устройству-прототипу.

Формула изобретения

1. Тепловизор, содержащий объектив, приемник, устройство выборки и хранения, блок привязки уровня, аналого-цифрового преобразователь, эталонный источник, датчик температуры, привод вращения, причем датчик температуры находится в тепловом контакте с эталонными источником, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, введены шаговый привод, поворотная платформа, 1814195 зеркало, жестко закрепленное на оси привода вращения, датчик положения зеркала, модулятор, усилитель-преобразователь, термоэлектрический охладител ь, формирователь импульсов, блок контроллера, блок визуализации, причем датчик положения зеркала, привод вращения, объектив, приемник, усилитель-преобразователь, термоэлектрически9 охладитель, эталонный источник, датчик температуры и модулятор установлены на поворотной платформе, которая установлена на выходной оси шагово го привода, а эталонный источник, зеркало, объектив и приемник оптически связаны, усилитель-преобразователь, устройство выборки и хранения, блок привязки уровня и аналого-цифровой преобразователь соединены последовательно, выход датчика температуры подключен к первому входу модулятора, выход которого соединен с вторым входом усилителя-преобразователя,,выход датчика положения зеркала подключен к формирователю импульсов и к первому входу блока контроллера, выход формирователя импульсов соединен с вторым входами устройства выборки и хранения и блока контроллера, третий вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы соедине5 ны соответственно с входами блока визуализации, шагового привода и с вторыми входами модулятора, блока привязки уровня и аналого-цифрового преобразователя, выход термостабилизации усилителя-пре10 образователя подключен к входу термоэлектрического охладителя, который находится в тепловом контакте с приемником, выход приемника соединен с первым входом усилителя-преобразователя.

2. Тепловизор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что усилитель-преобразователь содержит смеситель, дифференциальный усилитель, .усилитель обратной связи и

20 резистор, причем выход смесителя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, дифференциальный усилитель и усилитель обратной связи соединены последовательно, резистор вклю25 чен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя.

1814195 о с

X с х

С

K о

- Г(т-T

Фиг. 4

Фиг. 5

Вход блока прЮязкы

Вход улраблен

%Х

Вход упраблвны пробязко

Выход блока лрыбяэки

Di - 59ЙН4: 22 - 544Я2: D3 - 14ЙД14

Налряженов загоиынажпся на !явграпюре 93

1

1, I

1 ! с !

1

1 !

1

1

1814195

Начало

Составитель M. Славйин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л. Пилипенко

Редактор

Заказ 1833. Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35,-Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101