Що таке інфрачервоне випромінювання? Ми дізналися, що теплові промені були відкриті Гершелем в 1800 році. Щоб розібратися в природі теплового (інфрачервоного) випромінювання і його взаємодії з оточуючими нас об'єктами доведеться трохи поглибиться в теорію. Почнемо з визначення.
Інфрачервоне випромінювання - це електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (від λ = 0,74 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (до λ = 1 мм).
Електромагнітне випромінювання з різними довжинами хвиль оточує нас повсюдно і постійно. Видиме світло - це теж електромагнітні хвилі, які відчуває людське око за інтенсивністю і спектрального складу (кольором). Для сприйняття всіх інших електромагнітних хвиль нам потрібні технічні засоби. З їх допомогою ми слухаємо радіо, дивимося телевізор, робимо рентген. І тільки інфрачервоне випромінювання від нагрітих предметів може сприймається шкірою людини як відчуття тепла. Тому ІК-випромінювання іноді називають «тепловим» випромінюванням.
Найпотужнішим інфрачервоним випромінювачем, безумовно, є Сонце. Близько 50% випромінювання Сонця лежить в інфрачервоній області. Значна частка (від 70 до 80%) енергії випромінювання ламп розжарювання з вольфрамовою ниткою доводиться на інфрачервоний спектр.
Інфрачервоне випромінювання ділять на умовні діапазони. Найменування і межі цих діапазонів пов'язані з технічними пристроями і завданнями, які розв'язуються ними. Тому можна знайти кілька варіантів розподілу. Наведу найбільш поширений в сфері тепловізійного контролю:
- ближня область (Near-infrared, NIR): λ = 0,74 - 1,4 мкм;
- короткохвильова область (Short-wave, SW): λ = 1,4 - 3 мкм;
- середньохвильова область (Mid-wave, MW): λ = 3 - 5 мкм;
- довгохвильова область (Long-wave, LW): λ = 8 - 14 мкм;
- далека область (Far infrared, FIR): λ = 14 - 1000 мкм.
Діапазони NIR і SW іноді називають «reflected infrared», так як в цих діапазонах при звичайних температурах реєструється не власне, а тільки відбите від об'єкта ІК-випромінювання. Основні робочі в тепловидения діапазони MW і LW іноді називають «thermal infrared», так як в них реєструється власне теплове випромінювання об'єктів, пов'язане з їх температурою.
Межі цих робочих тепловізійних діапазонів визначені вікнами прозорості атмосфери. Справа в тому, що проходячи через земну атмосферу, інфрачервоне випромінювання ослабляється в результаті розсіяння і поглинання. Азот і кисень повітря послаблюють ик-випромінювання в результаті розсіювання, яке значно менше, ніж для видимого світла. Особливо сильно поглинають ик-випромінювання пари води і вуглекислий газ. До додаткового ослаблення інфрачервоного випромінювання призводить наявність в атмосфері зважених часток: диму, пилу, дрібних крапель води (серпанок, туман), а також опади (сніг, дощ).
Промениста енергія виникає за рахунок енергії інших видів в результаті складних молекулярних і внутрішньоатомних процесів. Природа всіх променів однакова, вони представляють собою поширюються в просторі електромагнітні хвилі. Джерелом теплового випромінювання є внутрішня енергія нагрітого тіла, кількість променевої енергії в основному залежить від фізичних властивостей і температури випромінюючого тіла. Таким чином, всі тіла, температура яких відрізняється від абсолютного нуля, безперервно випромінюють енергію. При цьому довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури: чим вища температура, тим коротше довжина хвилі і вище інтенсивність випромінювання.
При температурах нижче 500 ° С випромінювання тіла майже цілком розташоване в інфрачервоної області, таке тіло можна побачити оком тільки при освітленні, саме воно не світиться. При підвищенні температури спектр випромінювання зміщується у видиму область (частка випромінювання у видимій області збільшується) і тіло починає саме світитися. Спочатку темно-червоним, потім червоним, жовтим вже при дуже високих температурах воно здається білим (гартування). При цьому зростає як повна енергія випромінювання, так і енергія інфрачервоного випромінювання.
- формула Планка (розподіл енергії теплового випромінювання по довжинах хвиль в залежності від температури),
- закон Стефана-Больцмана (залежність потужності випромінювання тіла від його температури),
- закон зміщення Віна (довжина хвилі, на яку припадає максимум випромінювання при заданій температурі).
Зв'язок потужності інфрачервоного випромінювання з температурою поверхні використовується для безконтактного вимірювання температури в інфрачервоних пірометрах і тепловізорах.
Хоча інфрачервоне випромінювання підкоряється законам оптики і має ту ж природу, що і видиме світло, взаємодія ик-випромінювання з об'єктами має свої особливості. Це пов'язано з тим, що оптичні властивості речовин (прозорість, коефіцієнт віддзеркалення, коефіцієнт заломлення) в інфрачервоній області спектра, як правило, значно відрізняються від оптичних властивостей у видимій області.
Багато речовин, прозорих у видимій області, виявляються непрозорими в інфрачервоних областях і навпаки. Наприклад, невеликий шар води непрозорий для ик-випромінювання. Пластинки германію і кремнію, непрозорі у видимій області, прозорі в інфрачервоній (з цих матеріалів виготовляють лінзові об'єктиви тепловізорів). Чорний папір прозорий в далекої інфрачервоної області. У робочому діапазоні довгохвильових тепловізорів шибки непрозорі, а поліетилен напівпрозорий.
Коефіцієнт випромінювання (і пов'язаний з ним коефіцієнт відображення) - найважливіша характеристика поверхні об'єкта в інфрачервоному контролі, також сильно відрізняється від характеристик у видимому діапазоні. У більшості металів в ик-області відбивна здатність значно більше, ніж для видимого світла. Залежно від стану поверхні коефіцієнт відображення може досягати 98%. У цьому розділі ви знайдете окрему статтю про практичні вимірах і важливості коефіцієнта випромінювання в тепловізійних вимірах.
Вимірювання температури об'єктів з низьким коефіцієнтом випромінювання (великим ступенем відображення) проблематично, так як в вихідному від них інфрачервоному випромінюванні частка власного випромінювання мала (саме по ньому розраховується температура поверхні), а частка відображення навколишніх об'єктів висока.
Використано матеріали: Вікіпедія; вікіпедія; Планк М. «Теорія теплового випромінювання»; Леконт Ж. «Інфрачервоне випромінювання»; Дерібере М. «Практичні застосування інфрачервоних променів»; Козелкин В. В. Усольцев І. Ф. «Основи інфрачервоної техніки», Госсорг Ж. «Інфрачервона термографія».