LƯỢC SỬ CÔNG NGHỆ ẢNH NHIỆT

pho-dien-tu-chup-anh-nhiet

Camera nhiệt hoạt động trên nguyên tắc nhiệt hồng ngoại. Camera nhiệt được sử dụng như công cụ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và cực kỳ hữu hiệu cho việc troubleshooting, bảo trì và khảo sát các hệ thống điện, hệ thống cơ và các ứng dụng kiểm tra trong tòa nhà.

 Công nghệ ảnh nhiệt

Công nghệ ảnh nhiệt là khoa học sử dụng thiết bị quang điện tử để phát hiện và đo các bức xạ và tương quan giữa chúng với nhiệt độ bề mặt. Bức xạ là chuyển động của nhiệt xảy ra khi năng lượng bức xạ (sóng điện từ) di chuyển. Công nghệ ảnh nhiệt hiện đại được thực hiện với thiết bị quang điện tử để phát hiện và đo các bức xạ và tương quan của chúng đến nhiệt độ bề mặt của thiết bị được kiểm tra, khảo sát.

Về lý thuyết, con người cũng có thể phát hiện bức xạ hồng ngoại. Các đầu dây thần kinh trong da người có thể đáp ứng cảm nhận sự chênh lệch nhiệt độ ít nhất là ±0.009oC (tương ứng 0.005oF). Mặc dù rất nhạy về sự chênh lệch nhiệt độ, tạo hóa  của các đầu dây thần kinh người có thiết kế kém trong việc kiểm tra không phá hủy bằng nhiệt độ.

Ví dụ, kể cả khi con người có khả năng của động vật, tìm được con mồi máu nóng trong bóng tối thì vẫn cần có công cụ phát hiện nhiệt tốt hơn bởi vì con người có những hạn chế về thể chất trong việc phát hiện nhiệt do đó các thiết bị cơ khí- điện tử đã được phát triển và ngày càng hoàn thiện hơn. Các thiết bị này đạt các tiêu chuẩn để kiểm tra nhiệt cũng như vô số các ứng dụng hữu ích khác.

Lịch sử công nghệ ảnh nhiệt

Nguồn gốc từ “hồng ngoại” ám chỉ “màu đỏ”, đề cập vị trí bước sóng này trong phổ bức xạ điện từ. Thuật ngữ “Thermography” xuất phát từ từ gốc nghĩ là “bức tranh nhiệt độ – temperature picture”. Nguồn gốc công nghệ ảnh nhiệt “thermography” được ghi nhận từ các thí nghiệm với ánh sáng mặt trời của Nhà thiên văn học người Đức Sir William Herschel vào năm 1800.

pho-dien-tu-chup-anh-nhiet

Hình 1- Phổ điện từ (Electromagnetic spectrum)

Herschel đã phát hiện bức xạ hồng ngoại bằng cách cho tia sáng mặt trời đi qua lăng kính và giữ một thiết bị đo nhiệt độ thủy ngân độ nhạy cao để đo từng vùng màu sắc khác nhau. Một phát hiện thú vị là nhiệt độ tăng lên khi dịch chuyển vùng ánh sáng đỏ vào khu vực vùng nhiệt tối mà được gọi là “dark heat”. “Dark heat” là vùng phổ điện từ hiện được biết đến như nhiệt hồng ngoại và được ghi nhận như “bức xạ điện từ”.

Hai mươi năm sau, nhà vật lý người Đức Thomas Seebeck đã phát hiện ra hiệu ứng nhiệt điện. Điều này dẫn đến việc phát minh ra thiết bị đo nhiệt đa kênh – tiền thân của cặp nhiệt điện TC, được phát minh bởi nhà vật lý người Ý Leopoldo Nobili năm 1829. Thiết bị tiếp xúc đơn giản này dựa trên sự chênh lệch điện áp giữa 02 kim loại khác nhau thay đổi theo nhiệt độ. Sau đó, Macedonio Melloni tiếp tục cải tiến thành 01 bộ đo nhiệt và tập trung vào bức xạ nhiệt hồng ngoại cho phép phát hiện nhiệt độ cơ thể ở khoảng cách 9.1 mét.

Hình 2- Ảnh nhiệt dư truyền từ bàn tay đến bề mặt một bức tường dễ dàng được phát hiện bởi thiết bị chụp ảnh nhiệt

Vào năm 1880, nhà thiên văn học người Mỹ – Samuel Langley đã sử dụng một bolometer để phát hiện nhiệt vật thể cách xa khoảng 304 mét. Một bolometer đo sự thay đổi điện trở theo sự thay đổi nhiệt độ. Con trai của Sir William Herschel’s, Sir John Herschel sử dụng thiết bị gọi là “máy hơi”, đã tạo ra hình ảnh hồng ngoại đầu tiên vào năm 1840. Hình ảnh nhiệt trong thí nghiệm này là kết quả của sự bay hơi vi sai của một màng dầu mỏng và được ánh sáng phản chiếu từ màng dầu.

Máy ảnh nhiệt là một thiết bị phát hiện các mẫu nhiệt (heat pattern) trong phổ bước sóng hồng ngoại mà không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị cần đo. Phiên bản đầu tiên của máy ảnh nhiệt được biết đến như “máy phát hiện hình ảnh dẫn – photo conducting detector”. Từ năm 1916 đến 1918, nhà phát minh người Mỹ – Theodore Case đã thực nghiệm với thiết bị phát hiện hình ảnh dẫn – photo conducting detector để sinh ra tín hiệu thông qua tương tác trực tiếp với photon thay vì thông qua việc sưởi nóng như truyền thống. Kết quả nhanh hơn và nhạy hơn. Trong những thập niên 1940s và 1950s, công nghệ ảnh nhiệt được mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng với các ứng dụng trong quân sự. Các nhà khoa học Đức đã phát hiện ra rằng việc làm mát cảm biến máy ảnh nhiệt làm tăng rõ rệt hiệu suất tổng thể.

Phải đến những năm 1960, ảnh nhiệt mới được sử dụng cho các ứng dụng phi quân sự. Mặt dù các hệ thống ảnh nhiệt ban đầu khá cồng kềnh, thu thập dữ liệu chậm và độ phân giải kém, chúng vẫn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như kiểm tra các hệ thống truyền tải và phân phối điện lớn. Những tiến bộ liên tục trong những năm 1970 cho các ứng dụng quân sự là tiền đề cho các hệ thống di động đầu tiên ứng dụng trong chẩn đoán công trình xây dựng và thử nghiệm phi cấu trúc vật liệu.

Hình 3- Thiết bị ảnh nhiệt giúp phát hiện hình ảnh phổ nhiệt trong phổ sóng hồng ngoại mà không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị

Các hệ thống chụp ảnh nhiệt vào thập niên 1970s khá bền và tin cậy, tuy nhiên chất lượng hình ảnh kém hơn so với các thiết bị chụp ảnh nhiệt hiện đại. Vào đầu những năm 1980, hình ảnh nhiệt đã được sử dụng rộng rãi cho mục đích y tế, các ngành công nghiệp và kiểm tra tòa nhà. Các hệ thống hình ảnh nhiệt đã được hiệu chỉnh để cho hình ảnh bức xạ hoàn toàn, nghĩa là có thể đo và biết nhiệt độ tại bất cứ điểm nào trên bức ảnh nhiệt. Ảnh bức xạ là hình ảnh nhiệt chứa các tính toán nhiệt độ cho các điểm khác nhau trong hình ảnh nhiệt.

Bộ phận làm mát của máy ảnh nhiệt đã được tinh chỉnh để thay thế khí nén hoặc khí hóa lỏng được sử dụng để làm mát máy ảnh nhiệt. Các hệ thống hình ảnh nhiệt PEV (Vidicon pyroelectric) dạng ống, kinh tế hơn được phát triển và sử dụng rộng rãi. Mặt dù không phải bức xạ, hệ thống ảnh nhiệt PEV nhẹ, di động và hoạt động mà không cần làm mát.

Vào cuối những năm 1980, một thiết bị mới được biết đến như “Mảng mặt phẳng tiêu điểm- Focal plane array” (FPA) được đưa từ quân đội ra thị trường thương mại hóa. FPA là một thiết bị cảm biến hình ảnh bao gồm một mảng (vùng) thường là hình chữ nhật của máy dò hồng ngoại ở mặt phẳng tiêu cự của ống kính. Đây là cải tiến đáng kể so với máy quét ban đầu giúp tăng chất lượng hình ảnh và độ phân giải không gian. Các mảng hay độ phân giải của máy ảnh nhiệt hiện đại thường dao động từ 16×16 pixels, 640×480 pixels. Một pixel, là phần tử độc lập nhỏ nhất của mảng có thể phát hiện năng lượng hồng ngoại. Với các ứng dụng đặc biệt, độ phân giải pixel có thể lên đến 1000×1000 pixel. Ví dụ, một mảng 160×120 pixel có tổng cộng là 19.200 pixel (160 pixel chiều dọc và 120 pixel chiều ngang).

Hình 4 – Thiết bị ảnh nhiệt giúp phát hiện hình ảnh phổ nhiệt trong phổ sóng hồng ngoại mà không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị

Sự phát triển của công nghệ FPA sử dụng các máy dò khác nhau đã tăng lên đáng kể từ năm 2000.
Camera ảnh nhiệt bước sóng dài (long-wave) giúp phát hiện năng lượng hồng ngoại ở bước sóng giữa vùng 8µm đến 15 µm. Micron (µm) là đơn vị đo bước sóng bằng một phần một ngàn militmeter (0.001 mm).
Camera ảnh nhiệt bước sóng trung (mid-wave) là thiết bị giúp phát hiện năng lượng hồng ngoại ở dải bước sóng giữa vùng 2.5µm đến 6µm. Hệ thống ảnh nhiệt dạng long-wave hoặc mid-wave thường là phiên bản ảnh bức xạ hoàn toàn, nó đi kèm chức năng hình ảnh tổng hơp – IR Fusion (ảnh với độ phần trăm hồng ngoại và ảnh trong ảnh) và độ nhạy nhiệt là 0.05oC (0.09oF) hoặc thấp hơn.

Chi phí trong hệ thống giảm đi gần 10 lần trong hơn thập kỷ qua và chất lượng tăng đáng kể. Hơn nữa, việc sử dụng phần mềm để xử lý hình ảnh đã phát triển rất nhiều. Gần như các hệ thống hồng ngoại hiện đại, có sẵn trên trị trường đều sử dụng phần mềm để tạo điều kiện phân tích và làm báo cáo chuyên nghiệp. Các báo cáo có thể nhanh chóng được tạo và gửi đi thông qua Internet hoặc được bảo quản ở định dạng phổ biến, chẳng hạn như pdf và được ghi lại trên các thiết bị lưu trữ kỹ thuật số khác.

Quân Lê – Chuyên Viên Chụp Nhiệt Lv.1

Link nguồn :https://rcmi.com.vn/luoc-su-cong-nghe-anh-nhiet/

Liên Hệ