Тепловизор своими руками. Тепловизор из фотоаппарата. Принцип работы тепловизора

О таком устройстве, как тепловизор, сегодня слышал, наверное, каждый. Исключение, пожалуй, составят лишь маленькие дети. Другое дело, что тех, кто видел этот прибор «живьем», не так много, тех же, кто держал его в руках, – и подавно. Но ведь есть и такие, кто не просто держал, а создал собственный «домашний» вариант тепловизора. Впрочем, к какой бы категории вы ни относили себя, наша статья будет в любом случае вам интересной. Непосвященные смогут уяснить принцип работы тепловизора, а бывалые и асы - открыть для себя новые возможности. Но давайте обо всем по порядку.

Прибор тепловизор, являясь устройством для измерения температур поверхностей бесконтактным методом, способен существенно облегчить жизнь представителям многих профессий. Изначально изобретенный для военных целей, этот достаточно сложный и дорогостоящий прибор сегодня успешно применяется в большинстве сфер деятельности человека. Например, в промышленности - для контроля за тепловыми изменениями при технологических процессах; в медицине - для диагностики заболеваний; при охоте на птиц и зверей; в строительстве - для определения зон утечки тепла или, наоборот, мест прокладки труб. И это далеко не полный послужной список данного прибора.

Виды устройств

Тепловизор — настолько востребованное и многофункционально устройство, что имеет два технологических варианта конструкции:

• Стационарный. Устройства этой категории предназначены для использования на промышленных предприятиях с целью контроля за технологическими процессами. Система азотного охлаждения - достаточно частое приспособление, которым оборудован подобный тепловизор. Характеристики его рабочих температур весьма внушительны: от −40 до +2000 °C. В основе данных систем лежат, как правило, устройства, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.

• Переносной (портативный). Инновационные разработки позволили отойти от использования громоздкого охлаждающего оборудования, перейдя к производству тепловизоров на базе неохлаждаемых кремниевых микроболометров. Таким приборам присущи все достоинства своих предшественников, к которым относится, например, малый шаг температуры при измерении (0,1 °C). Возможно также применение тепловизора данного класса для сложных оценочных работ, требующих одновременно простоты использования и портативности устройства. Многие портативные тепловизоры обладают возможностью подключения к ПК для оперативной обработки данных с них.

Применение тепловизора в той или иной сфере налагает определенные отпечатки на требуемые эксплуатационные характеристики данного устройства. Поэтому перед покупкой этого прибора вами должны быть оценены условия его использования. Поможет в этом инструкция. Тепловизор, приобретенный без должного ознакомления с правилами эксплуатации, может совершенно не подходить под ваши нужды. Например, тепловизоры, применяемые при охоте, должны иметь ударопрочный корпус из легкого сплава со степенью защиты не ниже IP54.

Желательно, чтобы это была моноблочная конструкция с индикацией на видоискателе и ЖК-экране. И видимая дальность охотничьих тепловизоров должна достигать 1500 м, тогда как в строительной сфере такие требования к тепловизорам не предъявляются.

Принцип работы тепловизора

Работа тепловизора основана на способности любого объекта генерировать тепловое излучение (ИК-излучение), интенсивность которого напрямую зависит от температуры объекта. Тепловизор фиксирует ИК-лучи на больших расстояниях, преобразуя их в удобный для восприятия человеком вид. Разность тепловых излучений различных объектов и позволяет видеть рельефы в темноте, а также холодные или горячие потоки. При этом красным цветом обозначаются максимально высокотемпературные участки, черным или синим — низкотемпературные.

Следует понимать принципиальное различие между такими устройствами, как тепловизор и прибор ночного видения. Разница состоит в их способности видеть в темноте. Тепловизор передает собственное ИК-излучение объектов, в то время как прибор ночного видения – отраженное и усиленное излучение-подсветку от других объектов. То есть выполнение функций прибора ночного видения тепловизором возможно, а вот построение теплокарты с помощью прибора ночного видения – нет.

Алгоритм работы тепловизора состоит из трех этапов:

1. Фиксации ИК излучения.
2. Преобразования его в температурные величины.
3. Формирования термограммы – теплового изображения объекта, отображающего распределение температуры на поверхностях объектов.

Причем действия эти происходят мгновенно.

Несмотря на достаточно сложный принцип работы тепловизора, схема портативного приспособления не является слишком громоздкой.

Однако следует учитывать, что для достаточной четкости изображения на экране требуется наличие специальной оптики, с примесью германия. Именно этим и продиктована дороговизна профессиональных устройств. Их стоимость исчисляется тысячами, а иногда и десятками тысяч долларов. Согласитесь, сумма немаленькая.

Огромные возможности тепловизоров уже давно воодушевляют многих молодых людей на идею собрать это устройство собственноручно. И, к счастью, способы, позволяющие смастерить тепловизор своими руками и избежать столь внушительных трат, существуют. Конечно, если не предполагается использование прибора в профессиональных целях.

Три варианта реализации тепловизора в домашних условиях мы приводим ниже – выбирайте, какой вам понравится больше. А датчики для тепловизоров и другие элементы устройства можно купить в готовом виде.

Вариант № 1. Тепловизор своими руками из фотоаппарата

Этот метод основан на том факте, что изначально матрицы всех фотоаппаратов великолепно фиксируют инфракрасное излучение, которое, собственно, и необходимо для работы тепловизора. Другое дело, что производители фототехники делают так, чтобы устройства видели то же самое, что и человеческий глаз. Для этого перед матрицей ставится специальный фильтр, поглощающий или отражающий практически все ИК-излучение - «тепловое зеркало», или hot mirror. Благодаря этому фильтру матричная кривая чувствительности становится аналогичной кривой чувствительности человеческого глаза. Поэтому сделать тепловизор своими руками из фотоаппарата просто, нужно лишь выполнить два действия — вынуть из фотоаппарата тепловые фильтры, а вместо них установить фильтр видимого спектра. Впрочем, как показывает практика, последнее не всегда обязательно.

Сфера применения самодельного тепловизора

Возможно ли использование тепловизора, изготовленного таким способом, в домашних нуждах? Вполне. Будет ли пригоден такой тепловизор для строительства или, к примеру, при охоте? Вполне вероятно. Во всяком случае, любителям отдыха на природе такое устройство точно придется по душе. С его помощью вы сможете контролировать приближение животных к вашему лагерю в ночное время, а также в тумане или клубах пыли проводить поиски заблудившихся членов группы.

Если в вашем распоряжении есть ненужная зеркалка, около 40 $ на ИК-фильтр, желание и возможность разобрать фотоаппарат, то попробовать этот вариант, конечно же, стоит.

Вариант № 2. Тепловизор своими руками с помощью инфракрасного термометра и платы Arduino

Идея этого метода очень проста. Чтоб создать тепловизор своими руками потребуется недорогой инфракрасный термометр — это такой прибор, который умеет измерять температуру конкретной точки пространства на небольшом расстоянии, и плата Arduino, через которую мы подключим его к RGB-светодиодам из какого-нибудь фонаря.

Плата Arduino представляет собой программно-аппаратное средство, предназначенное для построения непрофессиональными пользователями простых систем из сферы автоматики и робототехники.

Запрограммируем систему так, чтоб фонарный свет окрашивался в разные цвета в зависимости от показаний термометра. Сделаем традиционно, чтоб высокой температуре соответствовал красный цвет, а низкой — синий. Таким образом, направляя фонарь со встроенным термометром на любой объект, мы автоматически подсвечиваем этот объект соответствующим цветом, в зависимости от его температуры. Если к данному набору добавить еще и фотоаппарат, то вы не просто сможете видеть в цвете температуры поверхностей окружающих вас предметов, но и получите изображения, ничем не хуже тех, что позволяют увидеть даже самые дорогие тепловизоры.

Где можно использовать такой тепловизор?

Конечно, подобные устройства не такие, как тепловизоры для охоты. Своими руками сложно сделать мощный аппарат. Но представленный вариант вполне сможет пригодиться для домашних нужд, тем более что стоимость данной самодельной конструкции не превышает 50 долларов.

Вариант № 3. Усовершенствованный самодельный тепловизор для съемки статических объектов

Своим появлением на свет разработка обязана двум немецким студентам Максу Риттеру и Марку Коулу. Эти юные жители г. Миндельхейма изобрели довольно-таки простое в изготовлении устройство и получили за него награду в 2010 году на научно-техническом форуме.

Устройство состоит из двух сервоприводов (для горизонтального и вертикального перемещения), контроллера Arduino (ответственного за обработку сигналов и передачи данных в ПК), модуля бесконтактного датчика температур (например, MLX90614-BCI), лазерного модуля или лазерной указки (будет указывать на зону сканирования), корпуса и веб-камеры. Также понадобятся два резистора по 4.7 кОм и штатив.

Камере отводится роль своеобразного видоискателя области сканирования, а также источника исходной картинки, с этой ролью способна справиться любая дешевая веб-камера (чем она меньше, тем лучше).

Данные, генерируемые датчиком, могут считываться с помощью шин SMBus и ШИМ. Наш случай допускает также использование датчика с индексами BCI. Питание 3V. Индексом BCI обозначается тип форм-фактора с насадкой, обеспечивающей узкий угол зрения в 5°.

Сборка

• Размещаем плату Arduino в корпусе с батарейным отсеком.
• Закрепляем серводвигатель при помощи суперклея или эпоксидки в переднем пустом пространстве платы.
• Размещаем второй серводвигатель в поворотном устройстве и закрепляем всю конструкцию.
• Подключаем инфракрасный термометр к Arduino, подсоединив для этого Ground к GND, SDA к PIN4 VIN к 3.3V и SCL к PIN5. Также установим резистор 4.7 кОм, подключив SDA к 3.3V и SCL к 3.3V.
• Производим подключение Laser Card или же лазерной указки. Это для того, чтобы отслеживать, с какого места в настоящий момент происходит сканирование.
• Устанавливаем веб-камеру так, чтобы ее направление точно совпадало с направлением ИК-датчика и лазера.

И все. Вы сделали тепловизор своими руками!

Для чего сгодится

Процесс сканирования объекта и выдача тепловой карты занимает около минуты, ведь датчик сканирует будущую картинку точку за точкой. Это, конечно же, абсолютно бесполезно для процесса охоты. Однако отличным помощником будет данный самодельный тепловизор для строительства и других ремонтных работ. Например, его можно использовать в качестве метода проверки на предмет нагрева электрических соединений или силовых сборок. Устройство позволяет не только видеть теплограмму, но и количественные величины температур.

Помимо медленной работы тепловизор имеет еще один недостаток – жесткую привязку к ПК, что делает его слабомобильным. Но в некоторых случаях возможности устройства и его стоимость вполне себя оправдывают – за все комплектующие вам придется выложить не более 200 у. е.

Выводы

Из описанных нами вариантов сборки самодельных тепловизоров напрашиваются два вывода:

1. Смастерить тепловизор самостоятельно вполне возможно.
2. Самодельный тепловизор имеет очень узкую область применения.

Поэтому если тепловизор вам необходим в глобальных целях, стоит отложить эксперименты и потратиться на высококачественную технику. Всем же, кто просто любит конструировать и кого вполне устроят возможности самоделок, можно дать совет - собирайте, экспериментируйте, и вполне может быть, что вам удастся переплюнуть достижения описанных нами самодельных вариантов и создать гораздо более совершенные тепловизоры для охоты своими руками. Дерзайте!

Тем, кто не особо дружит с паяльником и отверткой, но очень любит проводить время на природе, а также тем, кому в профессиональных целях может пригодиться визуализация температурных свойств предметов в диапазоне от 0 до 100 °C, рекомендуется обратить внимание на готовое полупрофессиональное оборудование. Например, на смартфоны с тепловизором Flir One.

Эти устройства вполне могут сослужить службу охотникам и путешественникам-экстремалам, поскольку удобны, мобильны, способны работать при температуре от 0 до 45 °C и высокой атмосферной влажности. И при этом стоимость такого устройства не намного отличается от затрат на всевозможные самоделки.