Hőkamerák a biztonságtechnikában 2. – Az érzékelő, a bolométer

A hőkamerák biztonságtechnikai alkalmazásait bemutató cikksorozatunk második részében az érzékelőről és annak matematikai hátteréről szólunk. A biztonságtechnikai kamerákban egy „mikrobolométer” elnevezésű hőérzékelő elemet használunk.

Az érzékelő
A biztonságtechnikai kamerákban egy „mikrobolométer” elnevezésű hőérzékelő elemet használunk, amely valójában speciálisan a hőkamerák számára kialakított bolométer. Az alapanyag a leggyakrabban a VO-háló (vanádium-oxid) vagy amorf szilikon. Az igényes biztonságtechnikai alkalmazások esetében a vanádium-oxid elektronikai szempontból igen kedvező, mivel a számunkra legtöbbet használt hullámhosszúságú tartományban a vanádium-oxid jól mérhetően változtatja az elektromos ellenállását. Ez az érték 100 kΩ nagyságú, amely jól kihasználható különböző mérőáramkörök készítésekor.

Az alapparaméter – NETD
Hőkamerák esetében sem egyszerű az egyes eszközök összehasonlítása. A videomegfigyelő-rendszerekkel foglalkozók tudják, hogy a látható tartományú kamerák összehasonlító vizsgálatakor szükséges egységes vizsgálati módszer miatt minden paramétert, műszaki jellemzőt pontosan meg kell határozni a mérések előtt. Természetesen ebben az esetben sem tehetünk másként, azonban van egy meghatározó paraméter, amely az eszközbe beépített mikrobolométertől függ alapvetően: NETD (Noise Equivalent Tempereature Difference – zajszinttől vagy más néven hőzajtól megkülönböztethető hőmérséklet-különbség). Ez a műszaki jellemző meghatározza a felhasználni kívánt kamera „érzékenységét”, megmutatja milyen hőmérséklet-különbséget lesz képes a kamera érzékelni. Ezt a paramétert egy adott F Stop szám megadása mellett szokás meghatározni. Például: 50 mK = 0,05 oC – F1.2
Napjainkban a legtöbbet eladott mikrobolométer hálót (elemi képalkotó elemek rendszere) tartalmazó kamerák felbontásai:

  • 640 × 480
  • 320 × 240
  • 160 × 120

A legjobb felbontású háló (1024 × 768) 2008-óta van jelen a piacon, de természetesen még 1 MP feletti felbontású érzékelőket is gyártanak, de azok már kizárólag a katonai alkalmazások számára elérhetők.
A napjainkban olyan elterjedt „minél nagyobb felbontású kamerát használjuk” szakmailag helytelen elképzelés mellett azt azért érdemes megjegyezni, hogy ebben a technológiai környezetben akár a legkisebb felbontású érzékelőt tartalmazó kamera is – adott alkalmazásban és adott képelemző program támogatásával – kiváló eredményt érhet el. Ne feledjük, nem nézik az operátorok a hőkamerás rendszer képét, mivel az nem azért készül. A fő feladat a videoanalitikai szoftverek kiszolgálása, tehát jelzésadás, ha az ellenőrzött képtartományban az előre beállított szabályoknak megfelelő mozgás van.

A bolométeres infravörös-érzékelő fizikai működése
Az 1. ábrán a bolométeres infravörös-érzékelő fizikai kialakításán jól látható, hogy az érzékenység – korábban taglalt – NETD-értéke alacsony szinten tartásához az érzékelő elemet „távol” kell tartani az elektronikától, mert az általa termelt hő, mint hőzaj jelentősen ronthatja a szenzor érzékenységét.

  • bolométer (50 × 50 mikron) légréssel elszigetelve a szubsztráttól
  • szubsztrát: tartalmazza a kiolvasó elektronikát
  • hozzávezetés: a kiolvasó elektronikához szükséges

 

A bolométer fizikai kialakítása (1. ábra)

(Forrás: Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája, doktori disszertáció, 2007.)

A hőáramlás differenciálegyenlete
Természetesen a hőáramlás, mint fizikai folyamat is pontosan meghatározható matematikai összefüggések felhasználásával. A nem igazán bonyolult differenciálegyenlet (2. ábra) megoldása írja le azt a hőmérséklet-különbséget, amelyet az érzékelő képes megkülönböztetni az összefüggésben meghatározott hullámhosszúságú tartományban.

 A bolométer fizikai kialakítása (Forrás: Matyi Gábor)
 

A hőáramlás differenciálegyenlete (2. ábra)
 

A hőmérséklet-változás értéke
 
A hőmérséklet-változás értéke (3. ábra)

 
Időállandó (4. ábra)

Időállandó (4. ábra)

ahol

  • C:    a bolométer membrán hőkapacitása
  • G:    a bolométer és környezete közötti hővezetés
  • P0:   a bolométerre beeső infravörös sugárzás teljesítménye
  • η:     arányossági tényező (membránra beeső teljesítménysűrűség mekkora hányada nyelődik el)
  • ω:     a beeső sugárzás körfrekvenciája
  • ΔT:   a membrán hőmérséklet-változása

 

Rezisztív bolométer
Akkor beszélünk rezisztív bolométerről, amikor az érzékelő elem ellenállása jelentősen változik a bolométer hőmérséklete függvényében.

Az ellenállás változása az érzékelőn (5. ábra)
 

Az ellenállás változása az érzékelőn (5. ábra)

A bolométer ellenállásának hőmérséklet-együtthatója (6. ábra) 
 

A bolométer ellenállásának hőmérséklet-együtthatója (6. ábra)

Hőmérséklet-együttható fémekre (7. ábra)
 

Hőmérséklet-együttható fémekre (7. ábra)

A fenti összefüggések alapján a bolométer kapcsain mérhető feszültség ib munkaponti áram hatására:

 

Mérhető kapocsfeszültség a bolométeren (8. ábra)
 
Mérhető kapocsfeszültség a bolométeren (8. ábra)

Kapocsfeszültség egy másik összefüggésben (9. ábra)
 
Kapocsfeszültség egy másik összefüggésben (9. ábra)

 

Az így meghatározható elektromos jellemző már a gyengeáramú szakmában jól ismert módszerekkel felhasználható, ebből a paraméterből, megfelelő felhasználást, átalakítást követően, végső soron videó képe állítható elő, amely ideális lehet a képelemző programok számára.

Más működési jellemzőkkel bíró bolométerek is léteznek. Például a ferroelektromos, piroelektromos, termoelektromos bolométerek. A biztonságtechnikai szakmában számunkra ezek a típusok kevésbé hatékonyan használhatók fel, így ezekről részletesebben nem érdemes szólni.

Horváth Tamás, okleveles biztonságtechnikai mérnök, szakértő, Magyar Villamos Művek
Dr. Kovács Tibor, egyetemi docens, PhD/CSc

 

Az előző rész:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 1. – A történet

 

Következő részek:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 3. – Detektorok
Hőkamerák a biztonságtechnikában 4. – Az optikák

Hőkamerák a biztonságtechnikában 5. – Gyakorlati alkalmazások

 

English
Possible Application Of Thermal Cameras With Regard To Security Engineering

Even professionals of security technology do not meet thermal cameras frequently during their work experience because their usage, not least their cost restrict them for industrial and military use. The human eye is capable of seeing only a very small part of the electro-magnetic spectrum. We are not able to pick up either the UV or IR ranges. High-tech equipment is required for that purpose. Security professionals discover more and more areas for the use of thermal images. It is worth focusing on thermal cameras and their potentials in more detail and settling for the fact that lenses now may be made of metal…

 

Felhasznált irodalom

  • http://www.xenics.com/documents/20090714_LR_Meerkat_security_A4.pdf
  • http://www.marchnetworks.com
  • W. Radford; R. Wyles; J. Varesi; M. Ray; D. Murphy; :Sensitivity Improvements in Uncooled Microbolometer FPAS
  • Peter Kornic: Selecting lenses, Janos Technlogy Inc.: http://www.janostech.com/thermal_image_lenses/index.html
  • ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications): www.icu-eu.com
  • http://www.lumitron-ir.com/application_security.php
  • http://www.opgal.com/
  • http://www2.l-3com.com/irp/products/security.htm
  • www.flir.com
  • Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája 2007 (doktori disszertáció)

Hozzászólások

Vélemény, hozzászólás?