Тепловизор Советский патент 1993 года по МПК H04N5/33 

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 усилителя- преобразователя; на фиг. 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие работутепло- визора; на фиг. 4 - градуировочная кривая; на фиг. 5- упрощенная структурная схема блока привязки уровня; на фиг. б - пример технической реализации блока привязки уровня; на фиг. 7 - структурная схема программы работы тепловизора.

Тёпловизор (фиг. 1 и 2) содержит зеркало 1, объектив 2, приемник 3, датчик 4 поло- жения зеркала, .привод 5 вращения, шаговый привод 6, поворотную платформу 7, эталонный источник 8, датчик 9 температуры, модулятор 10, усилитель-преобразователь 11, термоэлектрический охладитель (ГЭС1) 12, устройство 13 выборки и хранения, блок 14 привязки уровня, аналого-цифрово- го 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, зеркало 1, обь- ектив 2 и приемник 3 оптически связаны,, приемник 3, усилитель-преобразователь 11. Устройство 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-преобразо- вателя 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

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,

5 термоэлектрический охладитель 12, модулятор 10, усилитель-преобразователь 11, а также находящиеся в тепловом контакте эталонный источник 8 и датчик температуры .9.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Отраженное от зеркала 1 оптическое излучение объекта через объектив 2 поступает на вход приемника 3, выполненного на основе терморезистора. Сигнал с выхода

5 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-цифровбм

0 преобразователе 15 и подается на третий вход 26 блока 16 контроллера. Развертка изображения по строке обеспечивается зеркалом 1 (на фиг. 3 поз. 34), которое возшает привод 5 вращения . При этом в поле

5 приемника последовательно попадаютэта-. лонный источник 8, в качестве которого можно использовать, например, черное тело, и наблюдаемый объект. .Кадровая развертка реализуется путем вращения

0 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 клю5 чи). Таким образом, в запоминающее устройство, входящее в состав блока 16 контроллера, записывается цифровой массив, соответствующий тепловому изображению. По окончании формирования массива

0 изображение выводится на экран блока 17 визуализации.

Синхронизация работы предлагаемого устройства обеспечивается датчиком 4 положения зеркала, который может быть вы5

полнен 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 лампочкой 23 и фотодиодом 24 (имеет на своем выходе формирователь импульсов), вырабатывается синхроимпульс (на фиг. 3 поз. 35), который поступает на первый вход 31 блока 16 контроллера и на вход формирователя 18 импульса. Отверстия на диске выполняются разного размера, чтобы разные по длительности синхроимпульсы индицировали положения зеркала 1, соответствующие моменту попадания эталонного источника 8 в поле зрения приемника 3 (короткий синхроимпульс) и началу строки изображения (длинный синхроимпульс).

Измерение температуры Т0 исследуемого объекта производится программно в блоке 16 контроллера в соответствии с гра- дуировочной кривой (фиг. 4), которая заложена в память блока 16 контроллера. Здесь U - сигнал на выходе усилителя-преобразо-. вателя 11; Т - температура; Т0 - температура объекта; Тэ.и.ном - номинальная температура эталонного источника (начало отсчета по шкале температур); Тэ.и. - текущая температура эталонного источника; Тэ.и.Тэ.и.ном-Тэ.и. - нестабильность температуры Тэ.и. эталонного источника; U0 - сигнал на выходе усилителя-преобразователя при температуре исследуемого объекта Т0; L/э.и. сигнал на выходе усилителя-преобразователя от эталонного источника .при тем- пературе/Тэ.и.; иэ.и.ном - сигнал на выходе усилителя-преобразователя при номинальной температуре Тэ.и.ном эталонного источника. При этом оцифрованные значения сигнала (выход аналого-цифрового преобразователя 15), схемная привязка которых к уровню сигнала от эталонного источника выполняется в блоке 14 привязки уровня, поступают на вход 26 блока 16 контроллера, т.е. измерение температуры объекта осуществляется относительно температуры эталонного источника Тэ.и. Нестабильность температуры Тэ.и эталонного источника (уход от номинала на величину тэ.и) вносит погрешность в измеряемую температуру объекта Т0 из-за отличия сигнала (и0-иэ.и), подлежащего оцифровке в аналого-цифро- вом преобразователе 15, от сигнала ивх.15(ио-иэ.и.ном) на величину .15 (фиг. 4).

В рассматриваемом устройстве компенсация температурной нестабильности эталонного источника 8 осуществляется следующим образом.

На входы модулятора 10 поступают сигнал Ut (в виде постоянного напряжения) с выхода датчика 9 температуры, пропорциональный уходу температуры эталонного источника 8 от номинала (последний соответствует нулю на входе аналого-цифрового преобразователя 15), и импульсы с третьего выхода 32 блока 16 контроллера (на фиг. 3 поз. 36), временное положение которых определяется синхроимпульсами (на фиг. 3 поз. 35) с выхода датчика 4 положения зеркала. Выходные импульсы модулятора 10 (на фиг. 3 поз. 37), амплитуда которых равна 11Ы, а фаза определяется знаком Ut и синхроимпульсами, поступают

на второй вход усилителя-преобразователя 11 (на вход смесителя 19), выходной сигнал которого показан на фиг. 3 (поз. 38). Крутизна передаточной характеристики датчика 9 температуры выбирается равной крутизне

характеристики, приведенной на фиг. 4. Модулятор 10 может быть реализован в виде управляемого коммутатора, на один вход которого поступает сигнал с выхода датчика 9 температуры, другой вход заземлен, а на

управляющий вход подаются импульсы с выхода 32 блока 16 контроллера. В усилителе-преобразователе 11 сигналы с двух входов складываются, при этом напряжение (перепад) Uto (на фиг. 3 поз. 38) пропорционально отклонению истинной температуры исследуемого объекта от номинальной температуры эталонного источника Тэ.и.ном (фиг. 4), что означает компенсацию температурной нестабильности эталонного источника 8. В устройстве-прототипе сигнал термокомпенсации вводится после блока привязки уровня с помощью автономного компенсационного канала, имеющего в своем составе усилитель и сумматор, что приводит к появлению дополнительного смещения сигнала за счет погрешности, вносимой элементами самого компенсационного канала, В предлагаемом тепловизо- , ре охлаждение приемника 3

осуществляется с помощью ТЭО 12, основанного, например, на эффекте Пельтье. При

этом в пределах рабочего диапазона температур тепловизора т.мин - 1ма«с ТЭО при по- стоянном управляющем токе обеспечивает

не стабилизацию абсолютной температуры . приемника, а стабилизирует разность меж- ду температурой внешней среды и приемни- - ка. Поэтому в предлагаемом.техническом решении с выхода термостабилизации усилителя-преобразователя 11 постоянное напряжение, пропорциональное температуре окружающей среды (а следовательно, и температуре приемника), поступает на вход термоэлектрического охладителя 12. При

этом минимальный ток управления ТЭО должен соответствовать верхней границе рабочего диапазона температур тепловизо- ра. Это означает стабилизацию абсолютной температуры приемника при изменениях температуры внешней среды за счет обратной 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, поз. 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, поз, 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) синхроимпульса. Длительность синхроимпульсов измеряется с помощью специальной программы в блоке 16 контроллера (см. ниже),

В блоке 14 привязки уровня, упрощенная 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, поз. 39, поступающими на вход 30 блока контроллера 16, а длительность задается про- граммно)5апоминается уровень сигнала Ui, соответствующий эталонному источнику 8, который вычитается при формировании отсчетов изображения. Введение блока 14 привязки уровня между устройством выборки и хранения (УВХ) 13 ианалого-цифровым преобразователем 15 приводит к тому, что погрешность смещения УВХ присутствует „как в сигнале от объекта, так и в сигнале LH 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 погрешности.

Блок 16 контроллера выполняет следующие функции: я) 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, управляю0 щие работой блока 14 привязки уровня (фиг, 3, поз. 40) и аналого-цифрового преобразователя 15(фиг. 3, поз. 41) соответственно(иК временное положение определяется импульсами (фиг. 3, поз. 39), поступающими с

5 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)

0 воспринимает синхроимпульсы (фиг, 3, поз. 35) с выхода датчика 4 положения зеркала и измеряет их длительность, определяя пер- . вый и второй (второй, как уже отмечалось, используется в качестве начала отсчета /

5 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) управл я0 ет шаговым приводом 6. При этом следует заметить, что одноразрядные порты могут быть однонаправленными (ввода или вывода). Блок 1 б контроллера может быть реализован в виде ЭВМ, имеющей видеовыход,

5 вход .запроса прерываний, два параллель - ных порта и пять одноразрядных (пятый одноразрядный порт соединен с входом запроса прерываний), в частности на основе управляющей ЭВМ типа IBM PC, снабжен0 ной соответствующими платами расширения. В случае отсутствия ЭВМ с необходимой номенклатурой портов можно воспользоваться любой ЭВМ с открытой ар- . хитектурой, имеющей видеовыход (обеспе5 чивает формирование цветного многоградационного изображения) и вход запроса прерываний, и дополнить ее соответствующим числом портов ввода-вывода путем включения их в общую шину.

0 Блок 17 визуализации представляет собой цветной телевизионный монитор, связанный с видеовыходом блока 16 контроллера, на экране которого отображаются полученное тепловое изображение и

5 температура в любой его точке, выбираемой оператором с клавиатуры (клавиатура входит в состав блока 16 контроллера),

На фиг. 2 представлена схема усилителя-преобразователя 11, состоящего из диф- ференциального усилителя 20, смесителя

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 терморезистора. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 20 подключен к выходу смесителя 19. Резистор 22, включенный между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя 20, обеспечивает отрицательную обратную связь и стабилизацию усиления. Необходимая для поддержания неизменной передаточной характеристики (фиг. 4) термостабилизации приемника 3 в рассматриваемом устройстве осуществляется за счет параметрической обратной связи. Изменение температуры приемника приводит к возникновению сигнала на выходе диффе-, ренциального усилителя 20, который.поступает через усилитель 21 обратной связи на термоэлектрический охладитель 12. Отметим, что в установившемся режиме (баланс сигналов, поступающих с одинаковым весом на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 20) использование общего источника питания UCM для смесителя 19 и приемника 3 позволяет одновременно обеспечить и нулевое проникновение пульсаций-Усм в сигнал,

Схемка программы, реализуемая блоком 16 контроллера, представлена на фиг. 7. Начальная установка (блока 42) включает начальную установку счетчиков элементов в строке и строк в кадре, шагового привода, а 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 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 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 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 прерывание и выполняется переход к блоку 43. В дальнейшем обработка прерываний (блок 44) производится поп 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 анало- 5 го-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 10 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 5 (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. 0 ждет прихода синхроимпульса на вход 36. По окончании кадра полученное тепловое изображение (оцифрованный массив) обрабатывается в блоке 16 контроллера и выводится на экран блока 17 визуализации. 5 Введение устройства выборки и хранения (УВХ) 13 перед блоком 14 привязки уровня (в прототипе УВХ после блока привязки) позволяет избавиться от погрешности смещения УВХ (см. выше). Это означает сниже- 0 ние требований к реализации самого УВХ, т.е. возможность его упрощения и удешевления. Таким образом, структурные изменения электронного тракта, тепловизора без его усложнения (УВХ, место и форма введе- 5 ния компенсационного сигнала) обеспечивают повышение точности измерения температуры. Использование сигнала уси- .- литёля-преобразователя 11 для управления термоэлектрическим охладителем 12 позво- 0 ляет обеспечить термостабилизацию приемника 3, а следовательно, и стабилизацию передаточной характеристики тепловизора в целом достаточно простыми техническими средствами. Параллельно снижается 5 проникновение пульсаций источника питания UCM в сигнал. Отмеченные качества определяют преимущества предлагаемого устройства по отношению к устройству-прототипу. 0Формула изобретения

1. Тепловизор, содержащий объектив,

приемник, устройство выборки и хранения,

блок привязки уровня, аналого-цифрового

преобразователь, эталонный источник, дат5 чик температуры, привод вращения, причем

датчик температуры находится в тепловом

контакте с эталонными источником, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения

точности измерения температуры, введены

шаговый привод, поворотная платформа,

зеркало, жестко закрепленное на оси привода вращения, датчик положения зеркала, модулятор, усилитель-преобразователь, термоэлектрический охладитель, формирователь импульсов, блок контроллера, блок визуализации, причем датчик положения зеркала, привод вращения, объектив, приемник, усилитель-преобразователь, термоэлектрический охладитель, эталонный источник, датчик температуры и модулятор установлены на поворотной платформе, которая установлена на выходной оси шагово- то привода, а эталонный источник/зеркало, объектив и приемник оптически связаны, усилитель-преобразователь, устройство вы- бор.ки и хранения, блок привязки уровня и аналого-цифровой преобразователь соединены последовательно, выход датчику температуры подключен к первому входу модулятора, выход которого соединен с вто- рым входом усилителя-преобразователя, .выход датчика положения зеркала падкл ю- чен к формирователю импульсов и к первому входу блока контроллера, выход формирователя импульсов соединен с вто- рым входами устройства выборки и хранения и блока контроллера, третий вход которого подключен к выходу аналого-цифрово- го преобразователя, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены соответственно с входами блока визуализации, шагового привода и с вторыми входами модулятора, блока привязки уровня и аналого-цифрового преобразователя, выход термостабилизации усилителя-преобразователя подключен к входу термоэлектрического охладителя, который находится в тепловом контакте с приемником, выход приемника соединен с первым входом усилителя-преобразователя.

2. Тепловизор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что усилитель-преобразователь содержит смеситель, дифференциальный уси- литель, усилитель обратной связи и резистор, причем выход смесителя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, дифференциальный усилитель и усилитель обратной связи соединены последовательно, резистор включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя.

34

35

36

37

58

39

W Hi

Т

Использование: в устройствах теплови- дения, 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, усилитель- преобразователь 11, термоэлектрический охладитель 12, устройство 13 выборки и хранения, блок 14 привязки уровня, аналого- цифровой 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

ВхоЭ

управления привязкой )

Блок привязки ВыхоЗ Блоха прибяэки

Ш - 590КН4; D2 - 544УД2; D3 - 140УД14 Напряжение запоминается на интеграторе вз

Фиг. 5 ВхоЭ блока привязки

Фиг. 6

50 ВыЭача имп. ЯО €ЫХ,29

54 Обна/и счетчика алемвшов в езпрокв

55 Управление шаговым ярибоЗсн:

42

Начало

А.

Начальная цсяановка

2

43

HLT

45 Лрогр.согиЭания сигнала на вх. 30