Termografia de alta velocidade combina dados espaciais dinâmicos 3D e dados térmicos

Pesquisadores na Alemanha desenvolveram um sistema de câmera para detecção 3D de objetos

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Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF) em Jena desenvolveram um sistema de câmeras para a detecção tridimensional de objetos com duas câmeras monocromáticas de alta velocidade e alta resolução e um projetor GOBO. As mudanças de temperatura afetam aplicações dinâmicas típicas, como testes de colisão ou implantação de airbag, além de processos espaciais rápidos. Recentemente, a equipe de pesquisa em Jena atualizou seu sistema com uma câmera termográfica de alto desempenho refrigerada da FLIR como parte de um projeto de medição para criar um verdadeiro sistema de imagens térmicas 3D com capacidade de gravação de até 1.000 quadros por segundo.

Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF) — soluções com luz

O Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF) (www.iof.fraunhofer.de) em Jena realiza pesquisas voltadas a aplicações no campo da fotônica e desenvolve sistemas ópticos inovadores para controlar a luz, desde a geração e a manipulação até as aplicações. O espectro de serviço do instituto abrange toda a
cadeia de processos fotônicos, desde o projeto de sistemas optomecânicos e optoeletrônicos até a produção de soluções e protótipos específicos do cliente. Desde 2019, a cadeia inclui um sistema de termografia 3D de alta velocidade com uma câmera científica da FLIR.

Sistema de termografia 3D

A equipe do IOF desenvolveu um sistema de câmera 3D de alta velocidade em 2016. Ele consiste em duas câmeras preto e branco de alta velocidade em arranjo estéreo e um projetor GOBO desenvolvido pela equipe para iluminação ativa. Os pesquisadores agora adicionaram uma câmera termográfica ao sistema. Eles usam uma câmera termográfica FLIR X6900sc SLS LWIR, que opera a taxas de quadros de até 1.000 Hz a uma resolução de 640 × 512 pixels.

Áreas de aplicação e objetivos

O objetivo do sistema é combinar dados espaciais 3D e térmicos altamente dinâmicos. Processos extremamente rápidos, como atletas em movimento, testes de colisão ou ativações de airbags, não apenas mostram mudanças rápidas na forma da superfície, mas também mudanças na temperatura local. Antigamente, não era possível capturar essas alterações simultaneamente. Isso foi feito pela primeira vez com o ’novo sistema de medição termográfica 3D de alta velocidade do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF).

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Como o sistema funciona

O sistema é baseado em duas câmeras monocromáticas sensíveis na faixa espectral visual (VIS). Elas operam em taxas de quadros de mais de 12.000 Hz e uma resolução de 1 megapixel, embora seja possível obter taxas de quadros mais altas com resolução mais baixa. No entanto, as duas câmeras ainda não produzem dados 3D significativos na qualidade desejada. Além disso, um sistema de iluminação sofisticado é necessário para projetar uma sequência ultrarrápida de padrões de listras. Esses padrões são semelhantes às listras sinusoidais convencionais, mas as larguras das listras variam de maneira não periódica.

Para alcançar o efeito desejado, um painel de vidro foi revestido a vapor com listras metálicas de cromo. Esse painel gira em um projetor na frente da unidade óptica, fornecendo o padrão de faixa necessário para a atribuição específica de pixels de ambas as câmeras. O princípio é chamado de projeção GOBO (GOes Before Optics).

A combinação entre os dados 3D reconstruídos e os dados 2D da câmera termográfica de alta velocidade FLIR X6900sc SLS—cria—imagens térmicas tridimensionais de alta velocidade.

A FLIR X6900sc SLS opera no alcance infravermelho de onda longa; portanto, não é sensível no alcance visível nem perto da faixa do comprimento de onda infravermelho onde a lâmpada do projetor GOBO emite radiação. Como o aquecimento do objeto pelos padrões sinusoidais aperiódicos projetados também é insignificante, o projetor GOBO não tem influência sobre as imagens térmicas.

Medição e cálculo de dados

As três câmeras gravam dados de imagem simultaneamente durante a medição. Junto com a projeção não periódica de listras do projetor GOBO, os dados das câmeras em preto e branco produzem a imagem 3D real; geralmente, sequências de 10 pares de imagens são calculadas para formar uma imagem 3D. Essa “reconstrução 3D” gera uma forma espacial que é sobreposta por dados de imagem térmica da câmera FLIR LWIR para atribuição de valores de temperatura às coordenadas espaciais em um processo de mapeamento.

Calibração

Obviamente, o sistema que consiste em câmeras VIS e uma câmera LWIR deve ser calibrado antes da medição. Sendo assim, a equipe do IOF usa uma placa de calibração com grade regular de círculos abertos e preenchidos. Para garantir que essas estruturas possam ser detectadas em VIS e LWIR, mesmo com distribuição de temperatura homogênea, materiais com graus de reflexão (VIS) e emissividade (LWIR) muito diferentes foram selecionados para os círculos e o fundo. Os pesquisadores em Jena encontraram uma solução para esse problema usando placas de circuito impresso. Eles desenvolveram uma placa de circuito muito incomum com rede regular de círculos abertos e preenchidos, em vez de conexões elétricas entre componentes elétricos.

Resultados da medição: airbag e basquete

O sistema foi testado em várias situações, incluindo um jogador de basquete driblando com uma bola (que não apenas deforma a bola, mas também causa aquecimento térmico). Outra aplicação possível é a medição do desenvolvimento da temperatura e a representação espacial quando um airbag é acionado. O sistema registrou o processo de alta velocidade a uma distância de 3 metros por meio segundo. Ao combinar os dados tridimensionais com informações de imagens térmicas, ficou claro não apenas o quanto o airbag ficou quente como resultado da implantação, mas também em que momento e exatamente em quais coordenadas espaciais. Essas informações podem ajudar a reduzir e evitar o risco de ferimentos aos motoristas quando os airbags são acionados.

Conclusão e perspectiva

Martin Landmann, da equipe de pesquisa do IOF, afirma: As possíveis aplicações para uma combinação de dados 3D de alta resolução e imagens termográficas rápidas são diversas. “Informações benéficas podem ser obtidas, por exemplo, observando testes de colisão, investigando processos de deformação e fricção ou eventos extremamente rápidos e termicamente relevantes, como explosões quando um airbag é acionado ou em um gabinete de chaves”, explica Martin Landmann. Ele enfatiza que o sistema está sendo continuamente desenvolvido e otimizado. Portanto, esperamos resultados de pesquisa mais inovadores da equipe do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF).

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(Créditos de imagem: Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão [IOF], FLIR)