Виды и поколения тепловизоров: типы, особенности и отличия

Тепловизоры применяют для обследования зданий, диагностики электрооборудования, промышленного контроля и наблюдения за объектами. Все эти приборы регистрируют инфракрасное излучение, но различаются по конструкции, назначению и возможностям.

Одни модели помогают обнаружить перегрев электрического контакта, другие непрерывно контролируют производственное оборудование или позволяют заметить объект в темноте. При этом внешне похожие устройства могут использовать разные технологии регистрации излучения.

Чтобы разобраться, какие бывают тепловизоры и в чём разница между ними, рассмотрим основные типы, особенности охлаждаемых и неохлаждаемых моделей, а также развитие тепловизионных технологий.

Какие бывают тепловизоры: основные виды и классификация

Тепловизор — прибор, который регистрирует инфракрасное излучение и преобразует его в изображение. Полученная термограмма позволяет увидеть распределение излучения, связанное с температурой и свойствами наблюдаемых поверхностей.

В отличие от обычной камеры, тепловизору не требуется видимое освещение. Он может работать в полной темноте, хотя качество изображения зависит от теплового контраста, характеристик прибора и условий наблюдения.

Более подробно о работе тепловизора можно почитать в нашей статье "Что такое тепловизор и как он работает":  https://novapribor.ru/media/articles/termografiya_i_optika/chto_takoe_teplovizor_i_kak_on_ rabotaet/

Все тепловизоры являются инфракрасными приборами: они регистрируют собственное или отражённое инфракрасное излучение объектов и на его основе формируют изображение. Поэтому встречающееся название «инфракрасный тепловизор» не обозначает отдельный тип прибора, а уточняет принцип его работы. Различия между тепловизорами определяются уже другими признаками — назначением, конструкцией, технологией детектора и измерительными возможностями.

Тепловизоры можно классифицировать сразу по нескольким признакам:

• По назначению: строительные, промышленные, электротехнические, пожарные, охранные и наблюдательные, охотничьи, военные и тактические, медицинские и исследовательские.
• По конструкции: ручные, стационарные, мобильные комплексы, встраиваемые модули, тепловизоры для телефона, монокуляры, насадки и прицелы, системы для БПЛА.
• По технологии детектора: охлаждаемые и неохлаждаемые.
• По функциональным возможностям: измерительные и наблюдательные.
• По спектральному диапазону: длинноволновые (LWIR) и средневолновые (MWIR).
• По уровню применения: бытовые и профессиональные.

Эти категории не исключают друг друга. Один прибор может одновременно относиться к нескольким видам. Например, тепловизор для обследования электрооборудования может быть профессиональным, ручным, измерительным, неохлаждаемым и длинноволновым. Охотничий тепловизор, в свою очередь, может быть выполнен в виде монокуляра или прицела и относиться к наблюдательным приборам.

Поэтому при выборе тепловизора важно учитывать не одну категорию, а совокупность его назначения, конструкции и технических возможностей.

Виды тепловизоров по назначению

Назначение показывает, для решения каких задач разработан прибор. Именно область применения во многом определяет требования к его детектору, оптике, измерительным функциям, конструкции и защите от внешних воздействий.

• Промышленные тепловизоры. Используются для контроля технологических процессов и диагностики производственного оборудования. С их помощью обследуют электродвигатели, подшипники, трубопроводы, теплообменники и другие элементы промышленных установок. Тепловизионный контроль позволяет обнаруживать неравномерный нагрев, который может указывать на повышенное трение, нарушение теплообмена или отклонения в работе оборудования.

• Строительные тепловизоры. Предназначены для обследования жилых, коммерческих и производственных зданий. Они помогают обнаруживать температурные аномалии, которые могут указывать на дефекты теплоизоляции, тепловые мосты или нарушения герметичности конструкций. Для таких обследований особенно важна возможность различать небольшие температурные перепады. Более подробно в нашей статье "Тепловизор для строительного контроля: что видно на термограмме и как выбрать прибор, который не подведёт"

• Электротехнические тепловизоры. Применяются при диагностике распределительных щитов, кабельных соединений и электроустановок. Локальный перегрев может быть связан с повышенным переходным сопротивлением, перегрузкой или нарушением контакта. Для таких задач обычно необходим измерительный тепловизор, позволяющий не только увидеть температурную аномалию, но и определить температуру интересующего участка.

• Пожарные тепловизоры. Предназначены для использования пожарными и спасательными подразделениями. Они помогают ориентироваться при ограниченной видимости, обнаруживать людей и участки интенсивного нагрева, оценивать распространение тепла и контролировать обстановку во время работ. Поскольку такие приборы эксплуатируются в сложных условиях, для них особенно важны защищённость корпуса, удобство управления в экипировке, устойчивость к внешним воздействиям и соответствие требованиям, предъявляемым к пожарному оборудованию.
• Охранные и наблюдательные тепловизоры. Используются для обнаружения людей, животных, транспортных средств и других объектов по их инфракрасному излучению. Для таких устройств особенно важны характеристики оптики, тепловая чувствительность, поле зрения и дальность обнаружения. В зависимости от задачи применяются ручные приборы, стационарные системы и тепловизионные комплексы на мобильных платформах.
• Охотничьи тепловизоры. Предназначены прежде всего для обнаружения и наблюдения за животными по тепловому контрасту. Они могут выпускаться в разных конструктивных вариантах — в виде монокуляров, прицелов и насадок. Для таких устройств важны дальность обнаружения, характеристики объектива, поле зрения, автономность и качество изображения. Точное измерение температуры обычно не является их основной задачей.
• Военные и тактические тепловизоры. Используются в специализированных системах наблюдения, обнаружения и ориентирования. Они могут выполняться в виде ручных приборов, монокуляров, прицелов, насадок, встраиваемых модулей и систем для различных мобильных платформ. Требования к конкретному устройству определяются его назначением и условиями эксплуатации.
• Медицинские и исследовательские тепловизоры. Применяются для регистрации и анализа распределения температуры в научных исследованиях и отдельных медицинских задачах. В исследовательских системах могут предъявляться повышенные требования к чувствительности, стабильности измерений и возможностям обработки данных. Медицинская термография может предоставлять дополнительную информацию, но не заменяет другие диагностические исследования.

Таким образом, отличие тепловизоров по назначению заключается не столько в общем принципе работы, сколько в требованиях к конструкции, оптике, измерительным функциям и условиям эксплуатации.

Виды тепловизоров по конструкции

По конструкции тепловизоры различаются способом использования и интеграции в другие системы. Один и тот же тип детектора может применяться как в небольшом переносном приборе, так и в стационарной или встраиваемой системе.

• Ручные (портативные) тепловизоры. Переносные устройства, как правило, имеющие собственный дисплей и источник питания. Оператор может свободно перемещаться между объектами, менять ракурс и расстояние обследования. Такой формат распространён в строительной, электротехнической и промышленной диагностике. К таким относится, например, Verdo Ti3103 — портативный измерительный тепловизор с матрицей 120×90 пикселей.
• Стационарные тепловизоры. Устанавливаются в определённом месте для длительного или непрерывного контроля оборудования, технологического процесса либо территории. Могут передавать данные на компьютер и взаимодействовать с системами автоматизации.
• Мобильные тепловизионные комплексы. Устанавливаются на подвижных платформах и предназначены для наблюдения или обследования объектов во время перемещения. Они могут использоваться на наземном транспорте, роботизированных платформах и в составе специализированных комплексов.
• Встраиваемые тепловизионные модули. Предназначены для интеграции в другое оборудование. Обычно такой модуль не является законченным самостоятельным прибором с собственным дисплеем: получение, обработку и отображение данных обеспечивает система, частью которой он является. Подобные решения применяются в автоматизированном оборудовании, системах наблюдения и специализированных устройствах.
• Тепловизоры для телефона. Компактные тепловизионные модули, подключаемые к смартфону. Для отображения и обработки изображения они используют экран и вычислительные возможности мобильного устройства. В зависимости от модели тепловизор для смартфона может не только показывать распределение инфракрасного излучения, но и измерять температуру, сохранять термограммы и результаты обследования. Такие устройства удобны для бытовых проверок, предварительной строительной диагностики и других задач, где важны компактность и мобильность.
• Тепловизионные монокуляры. Самостоятельные переносные приборы, предназначенные преимущественно для наблюдения одним глазом. Их используют для обнаружения людей, животных и других объектов по тепловому контрасту. Монокуляр — это прежде всего вариант конструкции: по назначению он может быть охотничьим, поисковым, охранным или специализированным наблюдательным прибором.
• Тепловизионные насадки и прицелы. Прицел представляет собой самостоятельное тепловизионное устройство, предназначенное для прицеливания, а насадка используется совместно с другой оптикой. Эти устройства относятся преимущественно к наблюдательным тепловизорам и могут применяться в охотничьих и специализированных задачах.
• Тепловизионные системы для БПЛА. Камеры и тепловизионные модули, предназначенные для установки на беспилотные летательные аппараты. Их используют для дистанционного обследования территорий и объектов, поисковых операций, мониторинга и других задач. Для такого оборудования особенно важны небольшие размеры и масса, энергопотребление, возможность передачи данных и интеграции с бортовой системой.

Таким образом, конструкция не всегда определяет назначение. Например, монокуляр может быть охотничьим или наблюдательным, а встраиваемый модуль — использоваться в промышленной системе, мобильном комплексе или БПЛА.

Охлаждаемые и неохлаждаемые тепловизоры

Ещё один важный признак классификации — технология и температурный режим работы инфракрасного детектора.

Неохлаждаемые тепловизоры не требуют криогенного охлаждения чувствительного элемента. Наиболее распространённый вариант — микроболометрические матрицы. Такая технология позволяет создавать относительно компактные и энергоэффективные приборы, поэтому широко применяется в ручных тепловизорах, диагностическом оборудовании и наблюдательных устройствах.

Охлаждаемые тепловизоры оснащаются системой, поддерживающей необходимую пониженную температуру детектора. Снижение собственных тепловых шумов позволяет получить характеристики, необходимые для ряда специализированных задач, например научных исследований, регистрации быстропротекающих процессов или дальнего наблюдения.

Различия между этими технологиями значительно шире, чем само наличие системы охлаждения, поэтому подробнее устройство, преимущества и особенности обоих типов рассмотрим ниже.

Измерительные и наблюдательные тепловизоры

Измерительные тепловизоры не только формируют тепловое изображение, но и позволяют определять температуру выбранных точек или областей. Такие приборы применяют при обследовании зданий, диагностике электрооборудования, промышленном контроле и исследованиях. К ним относятся радиометрические тепловизоры. В зависимости от модели они могут поддерживать настройку коэффициента излучения, поиск наиболее горячих и холодных участков, измерение температуры в выбранной области и сохранение радиометрических термограмм для последующего анализа.

Для профессиональной диагностики возможность измерения температуры принципиальна: обнаружить более горячий участок недостаточно, если необходимо оценить величину перегрева или сравнить результаты нескольких обследований.

При этом измерительные тепловизоры могут заметно различаться по характеристикам детектора. Например, Verdo Ti3101 оснащён матрицей 96×96 пикселей, а Verdo Ti3105 — 256×192 пикселей. Поэтому принадлежность к измерительному типу сама по себе ещё не определяет детализацию получаемой термограммы: характеристики конкретной модели нужно рассматривать отдельно

Наблюдательные тепловизоры предназначены прежде всего для обнаружения и распознавания объектов по тепловому изображению. Определение точной температуры для них не является основной функцией и может вообще не поддерживаться. К этой группе относится значительная часть тепловизионных монокуляров, охотничьих приборов, охранных систем и другого оборудования для наблюдения.

Тепловизоры по спектральному диапазону

Инфракрасный спектр включает несколько областей, поэтому тепловизионные системы могут работать в разных диапазонах длин волн. Для тепловизоров особенно распространено разделение на средневолновые и длинноволновые системы.

Длинноволновые тепловизоры (LWIR) работают в длинноволновой области инфракрасного спектра. К этому классу относится большое количество современных приборов с неохлаждаемыми микроболометрическими матрицами. Такие системы широко используются для строительной и промышленной диагностики, контроля электрооборудования, наблюдения и других задач.

Средневолновые тепловизоры (MWIR) работают в средневолновой области инфракрасного спектра. В этом диапазоне распространены системы с охлаждаемыми фотонными детекторами. Их применяют, в частности, в научных исследованиях, специализированной промышленной диагностике и системах наблюдения.

Бытовые и профессиональные тепловизоры

По уровню применения тепловизоры можно условно разделить на бытовые и профессиональные. Граница между этими категориями определяется не только стоимостью или внешним видом прибора, но прежде всего его возможностями и задачами, для которых он предназначен.

Бытовые тепловизоры подходят для относительно простых проверок, при которых не требуется полноценный профессиональный тепловизионный контроль. С их помощью можно, например, обнаружить выраженные температурные аномалии, проверить отопительные приборы или предварительно оценить распределение температуры на поверхности. В эту группу могут входить компактные ручные устройства и некоторые тепловизоры для смартфонов.

Профессиональные тепловизоры предназначены для измерительных и диагностических задач, где требуется получать не только наглядное тепловое изображение, но и данные, пригодные для анализа. Такие приборы применяются при строительном контроле, диагностике электрооборудования, обследовании инженерных систем и промышленного оборудования.

Пример такого прибора — Verdo Ti3105 с матрицей 256×192 пикселей и функцией измерения температуры. При этом принадлежность тепловизора к профессиональному классу не означает, что одного разрешения матрицы достаточно для оценки его возможностей.

При выборе профессиональной модели одного разрешения матрицы недостаточно. Необходимо также учитывать тепловую чувствительность, температурный диапазон, пространственное разрешение, характеристики оптики, точность и доступные измерительные функции. Поэтому два профессиональных тепловизора могут быть рассчитаны на разные условия и задачи.

Поколения тепловизоров: как развивались технологии

Помимо деления по назначению, конструкции, технологии детектора и другим признакам, при описании тепловизионной техники встречается понятие поколения тепловизоров. Оно характеризует прежде всего этап развития технологий, а не отдельный тип прибора.

Единой классификации поколений, одинаковой для всех тепловизоров, не существует. В разных системах учитывают технологию детектора, способ формирования изображения, конструкцию приёмника и другие особенности. Поэтому первое, второе и третье поколения ниже рассматриваются как условные этапы технологического развития, а не как универсальные категории качества. 

• Первое поколение. Механическое сканирование и сравнительно небольшое количество чувствительных элементов.
• Второе поколение. Развитие многоэлементных детекторов и совершенствование обработки сигналов.
• Третье поколение. Дальнейшее развитие матричных детекторов и более сложных технологий регистрации излучения.
• Современные системы. Развитая цифровая обработка, усовершенствованная оптика и дополнительные аналитические функции.

Первое поколение тепловизоров

Ранние тепловизионные системы использовали сравнительно небольшое количество чувствительных элементов и механическое сканирование.  Оптическая система последовательно направляла инфракрасное излучение от разных участков наблюдаемой сцены на детекторы. Полученные сигналы объединялись электроникой для формирования изображения.

Для первого поколения были характерны:

• механическое сканирование;
• сравнительно небольшое количество чувствительных элементов;
• значительные размеры и масса оборудования;
• зависимость скорости формирования изображения от сканирующей системы;
• необходимость охлаждения детектора во многих системах.

Несмотря на конструктивную сложность, эти системы позволили получать изображения объектов по их инфракрасному излучению независимо от видимого освещения.

Второе поколение тепловизоров

Дальнейшее развитие тепловизионных технологий было связано с совершенствованием многоэлементных детекторов и электронных систем обработки сигналов. В зависимости от классификации ко второму поколению могут относить системы с линейными многоэлементными приёмниками или двумерными матрицами.

По сравнению с ранними системами происходили следующие изменения:

• увеличивалось количество чувствительных элементов;
• повышалась детализация изображения;
• совершенствовались обработка и коррекция сигналов;
• уменьшалась роль механического сканирования.

При этом переход происходил постепенно: в одних системах механическое сканирование сохранялось, тогда как другие технические решения позволяли уменьшить его роль или полностью от него отказаться.

Третье поколение тепловизоров

Понятие третьего поколения встречается в разных технологических классификациях и не имеет единственного универсального определения. В одних случаях его связывают с развитием матричных инфракрасных детекторов, в других — с более сложными технологиями регистрации излучения.

К основным направлениям развития относят:

• совершенствование двумерных матричных детекторов;
• повышение чувствительности и детализации;
• увеличение быстродействия;
• развитие многоспектральных решений;
• совершенствование охлаждаемых матриц.

При этом наличие двумерной матрицы само по себе не означает, что конкретный тепловизор следует однозначно относить именно к третьему поколению.

Современные тепловизионные системы

Развитие тепловизоров не ограничивается увеличением количества чувствительных элементов. Совершенствуются детекторы, оптические системы, электроника и программная обработка изображений.

Для современных тепловизионных систем характерны:

• развитые матричные детекторы;
• цифровая обработка и коррекция изображения;
• температурная компенсация и коррекция неоднородности матрицы;
• совершенствование оптики;
• программный анализ термограмм в измерительных приборах;
• цифровое улучшение изображения в наблюдательных системах;
• объединение данных нескольких сенсоров в специализированном оборудовании.

Конкретный набор возможностей зависит от назначения прибора. Например, измерительные тепловизоры могут определять температуру в выбранных точках и областях и сохранять радиометрические данные, тогда как для наблюдательных систем на первый план выходят обнаружение объектов и качество получаемого изображения.

Иногда производители используют обозначения четвёртого и последующих поколений. Однако такие названия не всегда соответствуют единой общепринятой классификации.

Сравнение тепловизоров разных поколений

Поскольку границы между поколениями условны, таблица показывает общую эволюцию тепловизионных технологий, а не строгий набор признаков каждого поколения.

Таблица отражает общую технологическую эволюцию. Конкретный прибор может не полностью соответствовать характеристикам, приведённым для определённого этапа.

Главное

У тепловизоров нет одной классификации, которая полностью описывала бы каждый прибор. Одна модель может одновременно быть ручной, профессиональной, измерительной, неохлаждаемой и длинноволновой. Поэтому назначение, конструкцию, технологию детектора и функциональные возможности правильнее рассматривать в совокупности.

Понятие поколения описывает другую сторону тепловизионной техники — развитие технологий. Переход от ранних сканирующих систем к многоэлементным и матричным детекторам сопровождался совершенствованием электроники, оптики и цифровой обработки. При этом единой универсальной шкалы поколений нет, поэтому номер поколения сам по себе не говорит о возможностях конкретного современного прибора.

Для практического сравнения тепловизоров информативнее учитывать характеристики конкретной модели: тип и разрешение детектора, тепловую чувствительность, спектральный и температурный диапазоны, оптику, точность и измерительные функции. Именно сочетание этих параметров определяет возможности прибора и задачи, для которых он подходит.

Частые вопросы

Почему тепловизор показывает неправильную температуру?

Причина может быть связана с неверно установленным коэффициентом излучения, отражениями от поверхности, расстоянием до объекта или условиями окружающей среды. Особенно сложно измерять температуру блестящих металлических поверхностей: они могут отражать инфракрасное излучение других объектов. Перед измерением необходимо учитывать свойства материала и рекомендации производителя прибора.

Можно ли тепловизором обнаружить скрытую проводку?

Иногда расположение проводки можно определить косвенно, если работающий провод нагревает поверхность стены и создаёт заметный температурный контраст. Однако тепловизор не видит сам провод сквозь стену. Если проводка не создаёт различимой температурной аномалии, обнаружить её таким способом не получится. Для поиска скрытой проводки используют специализированные детекторы.

Почему на тепловизоре человек может выглядеть холодным?

Тепловизор регистрирует излучение наблюдаемой поверхности. Если человек одет в плотную одежду, прибор показывает преимущественно температуру её наружного слоя, а не температуру кожи. На изображение также влияют температура окружающей среды, влажность одежды и выбранная цветовая палитра. Поэтому отсутствие яркого участка на термограмме не означает, что объект не выделяет тепло.

Можно ли использовать тепловизор под дождём или в тумане?

Возможность работы под дождём зависит от степени защиты корпуса конкретного прибора. Дождь и туман также влияют на распространение инфракрасного излучения. Капли воды поглощают и рассеивают его, поэтому дальность наблюдения и качество изображения могут снижаться. При измерениях необходимо дополнительно учитывать изменение температуры мокрых поверхностей.

Почему тепловизор иногда щёлкает и на секунду останавливает изображение?

Во многих неохлаждаемых тепловизорах периодически выполняется коррекция неоднородности матрицы. Во время такой процедуры может срабатывать внутренняя шторка, из-за чего слышен щелчок, а изображение ненадолго замирает. Это штатная особенность работы многих приборов, а не обязательно признак неисправности.

Можно ли обнаружить утечку воды с помощью тепловизора?

Тепловизор может помочь обнаружить участки с температурными аномалиями, связанными с влагой или протечкой. Например, влажная область иногда отличается по температуре от сухой поверхности из-за испарения и изменения теплопередачи.
Однако прибор не определяет наличие воды напрямую. Для подтверждения протечки могут потребоваться влагомер и другие методы обследования.

Нужно ли прогревать тепловизор перед измерениями?

Это зависит от модели и требований к точности измерений. После включения некоторым приборам требуется время для температурной стабилизации. Особенно это важно при переходе из холодного помещения в тёплое или наоборот. Рекомендуемое время подготовки следует уточнять в руководстве по эксплуатации конкретного тепловизора.

Можно ли измерять температуру человека обычным тепловизором?

Тепловизор технически может регистрировать температуру поверхности кожи, однако бытовые и промышленные модели не предназначены для диагностики заболеваний. Медицинская термография требует соответствующего оборудования и методики исследования, поэтому обычный тепловизор нельзя рассматривать как замену медицинскому диагностическому устройству.