Infrarotdetektor

Infrarotdetektor
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Thermografisches Bild
Wärmebild eines Hundes
Bauthermografie: ungedämmte Außenwand
Graustufenbild

Eine Wärmebildkamera (auch als Thermografie-Kamera oder beim Militär Wärmebildgerät genannt) ist ein bildgebendes Gerät ähnlich einer herkömmlichen Kamera, das jedoch Infrarotstrahlung empfängt. Die von Infrarotkameras genutzte Strahlung liegt im Wellenlängenbereich von 0,7 – 1000 µm. Wärmebildkameras nutzen allerdings aufgrund der typischen Emissionswellenlängen in der Nähe der Umgebungstemperatur (vgl. Wiensches Verschiebungsgesetz) den Spektralbereich von 3,5 – 14 µm (mittleres Infrarot, kurz MIR). Dieser Bereich ist auch für die Messung und bildliche Darstellung von Temperaturen im Umgebungstemperaturbereich geeignet, wenn der Emissionsgrad bekannt ist. Dieser streut allerdings materialabhängig sehr zwischen 0,012 und 0,98 - entsprechend ungenau kann die Temperaturzuordnung ausfallen.

Die normale Atmosphäre ist in diesem Bereich aufgrund ihrer Zusammensetzung weitgehend transparent, die Strahlung der Sonne sowie künstliche Lichtquellen stören dabei nicht.

Das Verfahren, mittels einer Wärmebildkamera Bilder zu erzeugen, nennt man Thermografie. Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (mittleres Infrarot) eines Objektes oder Körpers sichtbar macht. Bei der Thermografie werden Temperaturverteilungen auf Flächen und Gegenständen erfasst und dargestellt. Die Thermografie ist ein berührungsloses Messverfahren, das heißt, es können auch weit entfernte Objekte abgebildet werden. Die Erfassung schnell ablaufender Bewegungen war allerdings durch die oft geringe Bildfolgefrequenz (wenige Hz bis ca. 50 Hz) begrenzt. Mittlerweile gibt es im High-End-Sektor jedoch schon Hochgeschwindigkeitsthermographiesysteme, die über 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können.

Zusätzlich zur passiven Temperaturmessung (z. B. Restwärme von Körpern) kann auch eine aktive Bestrahlung durch Infrarotstrahler erfolgen. Darauf basieren z. B. Verfahren zur Materialprüfung.

Inhaltsverzeichnis

Theorie

Jedes Objekt (mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts) sendet Wärmestrahlung aus. Reale Flächen emittieren jedoch weniger Strahlung als ein Schwarzer Strahler. Die Abweichung eines realen Temperaturstrahlers vom schwarzen Körper wird durch den Emissionsgrad definiert. Er ist vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit, der Wellenlänge, jedoch kaum von der Temperatur abhängig. Polierte Metallflächen zeigen besonders gravierende Abweichungen vom idealen Temperaturstrahler, das führt zu krassen Fehlmessungen. Ein Beispiel illustriert die Problematik: Eine stark verrostete Eisenplatte einheitlicher Temperatur 30°C = 303 K wird streifenweise poliert, das ergibt wegen der stark unterschiedlichen Emissionsgrade einen „Lattenzauneffekt“ starker und schwacher IR-Strahlung. Aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz

P = \varepsilon(T) \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4

folgt für die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit

\frac{P_{poliert}}{P_{verrostet}} = \frac {0,05}{0,85} = 0,059

Die Wärmebildkamera wertet nur Unterschiede der empfangenen Leistung aus, weshalb sich ein scheinbarer Temperaturunterschied von

\frac{T_{poliert}}{T_{verrostet}} = \sqrt[4]{0,059} = 0,49

errechnet. Wird die Wärmebildkamera so eingestellt, dass der verrosteten Oberfläche 303 K zugeordnet wird, sollte sie den polierten Streifen die absolute Temperatur 149 K zuordnen, das entspricht -124°C. Tatsächlich wird wohl eine deutlich höhere Temperatur angezeigt werden, weil unerwünschte IR-Strahlung aus der Umgebung an der reflektierenden Oberfläche „eingeblendet“ wird.

An jeder Wärmebildkamera lässt sich der vermutete Emissionsfaktor vorwählen. Würde man diesen so einstellen, dass die Temperatur der polierten Flächen mit der Wirklichkeit übereinstimmt, würde dieses Messgerät von den verrosteten Stellen so viel mehr Strahlungsleistung registrieren, dass es eine Temperatur von 342°C = 615 K errechnen würde. Strahlungsmessungen sind also mit Vorsicht zu betrachten.

Der Einfluss der Temperatur auf den Emissionsgrad kann bei Messungen im Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Viele Stoffe besitzen im mittleren Infrarot einen von der Wellenlänge nahezu unabhängigen Emissionsgrad nahe eins. Beispiele sind Glas, mineralische Stoffe, Farben und Lacke beliebiger Farbe, Eloxalschichten beliebiger Farbe, Plastwerkstoffe außer Polyethylen, Holz und andere Baustoffe, Wasser und Eis.

Technik

Wärmebildkamera

Bilder, die von Infrarotkameras erzeugt werden, liegen zunächst in Graustufen vor. Gängige Kameramodelle sind in der Lage, bis zu 256 (8 bit) Graustufen aufzulösen. Allerdings ist es für den menschlichen Betrachter nicht möglich, derart feine Graustufungen aufzulösen; es ist daher nützlich, Bilder in Falschfarben-Darstellung zu erzeugen, wozu fast alle Wärmebild-Kameras in der Lage sind. Das Auge vermag Farbunterschiede besser als Helligkeitsunterschiede zu unterscheiden. Im so eingefärbten Bild ist die „Helligkeit“, die auf eine thermische Anomalie hinweist, durch eine Änderung der angezeigten Farbe repräsentiert und nicht nur durch unterschiedliche Graustufen. Für die Einfärbung der Grauwert-Bilder stehen gewöhnlich verschiedene Farbpaletten zur Verfügung. Oft wird der hellste (d. h. wärmste) Teil des Bildes weiß, die Zwischentemperaturen in Gelb- und Rottönen und die dunklen (d. h. kälteren) Teile des Bildes in Blautönen dargestellt.

Die geometrische Auflösung von kommerziellen Thermografiekameras ist beträchtlich niedriger als bei Kameras für den sichtbaren Spektralbereich. Sie liegt typischerweise bei 160 × 120, 320 × 240 oder 384 × 288 Bildpunkten (Pixel). Neuerdings werden auch Detektoren mit 640 × 480 Pixeln eingesetzt. Durch Micro Scanning kann die Kameraauflösung auf bis zu 1280 × 960 verbessert werden. Die Auflösung bestimmt im Zusammenspiel mit den eingesetzten Objektiven bzw. dem Gesichtsfeld (=Field of View) der Kamera den kleinsten definierbaren Messfleck des Thermografiesystems.

Die Objektiv-Linsen von Thermografiekameras bestehen aus einkristallinen Halbleitermaterialien (Germanium, Zinkselenid).

Typen

Thermografiekameras können in zwei Arten unterteilt werden: Systeme mit gekühlten Infrarotbilddetektoren und mit ungekühlten Detektoren.

Gekühlte Infrarotdetektoren

Gekühlte Infrarotdetektoren arbeiten nach dem inneren Fotoeffekt, d. h. sie bestehen aus einem Array aus Fotoempfängern. Die Detektoren sind gewöhnlich in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt dabei typischerweise zwischen 4 K (Kelvin) und 110 K, wobei ein üblicher Wert bei ca. 80 K (etwas über der Siedetemperatur von Stickstoff) liegt. Damit sind die Detektoren in der Regel viel kälter als die zu beobachtenden Objekte, wodurch sich die thermische Empfindlichkeit (Temperaturauflösung) des Thermografiesystems gegenüber den ungekühlten Systemen entscheidend erhöht. Ein Nachteil dieser Methode: Fällt die Kühlung des Detektors aus, ist das Thermografiesystem „blind“.

Weitere Nachteile gekühlter Systeme sind die erhöhten Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die mitunter langen Anlaufzeiten, bis das System den Detektor auf Betriebstemperatur herunter gekühlt hat.

Dem gegenüber steht die herausragende Bildqualität im Vergleich zu ungekühlten Systemen.

Die Infrarotdetektoren gekühlter Systeme können u. a. aus folgenden Halbleiter-Materialien bestehen:

Die gängigste Kühlmethode arbeitet mit kleinen Stirling-Kältemaschinen.

Ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Thermografiekameras nutzen Detektoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten und meist nahe der Umgebungstemperatur thermostatiert werden. Alle modernen ungekühlten Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Widerstand, Spannung oder Stromstärke bei Aufheizung des Detektors durch die Infrarotstrahlung. Diese Änderungen werden gemessen und mit den Werten bei Betriebstemperatur verglichen. Hieraus ermittelt man aufgenommene Strahlungsmenge und errechnet – unter Zuhilfenahme eines voreingestellten Emissionsfaktors – eine Temperatur.

Ungekühlte Infrarot-Sensoren werden durch thermoelektrische Kühler (Peltierelemente) auf konstanter Temperatur gehalten, um Signaldrift der Empfänger-Elemente zu verringern. Solche Systeme kommen ohne kostspielige, unhandliche Kühlvorrichtungen aus. Damit sind diese Thermografiesysteme deutlich kleiner und kostengünstiger als gekühlte Systeme. Sie liefern aber ein vergleichsweise schlechteres Ergebnis.

Ungekühlte Detektoren verwenden pyroelektrische oder Mikrobolometer-Arrays.

Die Detektorzelle eines Mikrobolometerarrays besteht aus einer nur wenige Mikrometer dicken, strahlungsempfindlichen Scheibe, welche durch zwei gebogene Kontakte über dem eigentlichen Detektor gehalten wird (so genannte Mikrobridges). Die Scheiben bestehen aus einem Material mit einem stark temperaturabhängigen Widerstand (z. B. Vanadiumoxid). Die einfallende Infrarotstrahlung wird absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des Scheibchens, was wiederum den Widerstand ändert. Der gemessene Spannungsabfall wird als Messsignal ausgegeben.

Pyroelektrische Sensoren liefern dagegen nur bei Temperaturänderung eine Spannung mit sehr hoher Quellimpedanz.

Sowohl Mikrobolometerarrays als auch pyrometrische Sensoren benötigen einen mechanischen Chopper oder zumindest eine periodische Abschattung des Bildsensors. Der Grund ist bei pyrometrischen Sensoren, dass diese nur auf Temperaturänderungen reagieren können. Bei Bolometerarrays dient der Chopper oder shutter dazu, ein Dunkelbild zu gewinnen, welches als sensorspezifische Referenz (jedes Pixel besitzt einen individuell unterschiedlichen Widerstand!) vom aufgenommenen Bild Pixel für Pixel abgezogen wird.

Typische Anwendungsgebiete

Ursprünglich für den Militärgebrauch während des Korea-Krieges entwickelt, sind Thermografiekameras heute in vielen Einsatzgebieten zu finden. Die Entwicklung neuer Technologien und der damit verbundene Preisverfall bei den Thermografiesystemen hat wesentlich zur Verbreitung dieser Technologie geführt. Die Verbesserung der eingesetzten Objektive und die Entwicklung professioneller Software für Analyse und Berichtserstellung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der Infrarot-Thermografie fortlaufend.

Zivile Anwendung

Ein Feuerwehrmann sucht mit einer Wärmebildkamera nach Glutnestern

Im zivilen Bereich werden vorwiegend ungekühlte Infrarotdetektoren verwendet. Es gibt Handgeräte, welche z. B. den Temperaturbereich von −20 °C bis 900 °C abdecken und eine Temperaturauflösung von 0,025 K liefern. Oft können Objektive mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln verwendet werden; die Bilder können gespeichert oder an einen PC übertragen werden.

In der Bauthermografie wird das Verfahren zur Prüfung der Wärmedämmung von Häusern, zur Gebäudediagnostik/Energieausweis und Kontrolle von Flachdächern, zur Strukturanalyse des Mauerwerks, zur Feuchte-Detektion in Wänden und Dächern und zur Lokalisierung von Rissen in Rohrleitungen eingesetzt.

In der Industrie und Fertigung werden Wärmebildkameras z. B. zur Messung der Verteilung der Verlustleistung an elektronischen Baugruppen und zur Prüfung elektrischer Anlagen und mechanischer Systeme verwendet.

Bei der Feuerwehr unterstützen die Wärmebildkameras das Aufspüren von Glutnestern bei Bränden sowie die Suche von Personen in verrauchten Gebäuden oder weitläufigem Gelände bei Dunkelheit. In diesem Bereich kommen Graustufen-Bilder zum Einsatz, die die heißeste Stelle ab einer bestimmten Temperatur rot einfärben. Da die verwendeten Geräte sehr teuer sind (mehrere tausend Euro) ist es für kleinere Wehren fast unmöglich, eine Kamera anzuschaffen. In diesem Fall „teilen“ sich mehrere Feuerwehren eine Wärmebildkamera.

Wissenschaftler nutzen Wärmebilder, um die Oberflächentemperatur von Landmassen oder Ozeanen darzustellen. Archäologen können aufgrund unterschiedlicher Temperaturleitfähigkeit in der Erde verborgene Strukturen erkennen.

Mobile Wärmebildkamera der Firma Bullard (GmbH)

Bei der Bundespolizei werden mit Hilfe von stationären und mobilen Wärmebildkameras die Grenzen überwacht. Illegale Grenzübertritte können erkannt werden: Menschen und Tiere sowie ihre vor kurzem verlassenen Lagerstellen sind aufgrund der erhöhten Temperatur auch im Dunklen aus der Ferne sichtbar.

In der Medizin werden Wärmebildkameras zur Entdeckung lokaler Entzündungsherde eingesetzt.

In jüngster Zeit findet die Wärmebildkamera auch immer mehr Anklang bei Fotokünstlern, die Wärmebilder als Ausdrucksmedium nutzen.

Die neuste Entwicklung sind Wärmebildkameras beinhaltende Fahrerassistenzsysteme, z. B. das bei BMW verbaute System der Firma Autoliv Inc., welches Menschen und Tiere aufgrund ihrer Wärmestrahlung besser erkennen kann als gängige Kameras im nahen Infrarot, die lediglich Nebel besser durchdringen können.

Militärische Anwendung

Im militärischen Bereich werden Wärmebildgeräte (WBG) zum Beobachten bzw. Aufklären bei Dunkelheit oder schlechter Sicht genutzt. Das WBG des Kampfpanzers Leopard 2 basiert z. B. auf einem Detektor aus Kadmium-Quecksilber-Tellurid (engl. CMT, cadmium mercury tellurid), der auf ca. −190 °C gekühlt wird, was eine Vorlaufzeit von ungefähr 15 Minuten verlangt. Die Anzeige ist grün-monochrom mit einer wählbaren Polarität von schwarz oder weiß, so dass Wärmequellen besonders hell oder dunkel erscheinen. Bei ausreichendem Temperaturunterschied einzelner Objekte kann man einen beobachteten Geländeabschnitt sehr gut erkennen.

Wärmebildgeräte haben gegenüber Nachtsichtgeräten den Vorteil, dass weder Restlicht vorhanden sein, noch ein Infrarotscheinwerfer eingesetzt werden muss. Weiter können auch tagsüber optisch gut getarnte Objekte in vielen Fällen aufgrund der Wärmesignatur leicht erkannt werden. Ein Verstecken von Wärmequellen ist – vor allem bei niedrigen Außentemperaturen – nur mit sehr großem Aufwand möglich.

Grenzen sind der Anwendung von WBG allerdings bei starkem Regen, Nebel oder Schneetreiben gesetzt.

Zielsuchsysteme selbstlenkender Raketen-Waffen können teilweise die Wärmequellen eines Flugzeugtriebwerkes von denjenigen abgeworfener Täuschkörper unterscheiden.

Infrarotscheinwerfer

Bei speziellen Anwendungen wird das Wärmebild durch das Anstrahlen mit einer Lichtquelle, die im Infrarot strahlt, deutlicher gemacht. Eine dunkle Infrarotstrahlung ohne Anteile von sichtbaren Licht wird, etwa von beobachteten Personen zunächst nicht wahrgenommen, so können auch Unterschiede in der Umgebung besser dargestellt werden. Als Wärmequelle genügen vorerst auch normale Lichtquellen, deren Strahlung besonders heiß ist. Andererseits kann man energiesparend auch die Möglichkeiten eines schwarzen Strahlers nutzen, wobei die gesamte Energie bei geringerer Temperatur völlig für das Infrarot einsetzt.

Wichtigste Spezifikationen

  • NETD – Noise Equivalent Temperature Difference
  • MRTD – Minimum Resolvable Temperature Difference
  • Spektralband
  • Auflösung/Pixelzahl des Detektors
  • Field Of View – Sichtfeld
  • gekühlt/ungekühlt
  • Videoausgang (analog/digital)
  • Gewicht
  • Abmessungen
  • Objektivart
  • Schnittstellen

Siehe auch

Weblinks


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