Tecnologias de IV da Próxima Geração Solucionam Desafios de Teste Automotivo a Alta Velocidade

Câmeras de Infravermelho de Maior Velocidade Podem Melhorar os Testes na Fase de Design

Pesquisa de produtos e desenvolvimento de motores de combustão interna, rotores de freio e pneus, e airbags de alta velocidade são apenas algumas das áreas que se beneficiam totalmente de testes de caracterização térmica de alta velocidade e alta sensibilidade. Infelizmente, as formas tradicionais de medição de temperatura com contato, como termopares, não são práticas para montar em objetos em movimento, e formas sem contato de medição de temperatura, como pistolas de ponto – e até mesmo as câmeras de infravermelho atuais – simplesmente não são rápidas o suficiente para parar o movimento desses alvos em alta velocidade a fim de obter medições de temperatura precisas.

Sem as ferramentas corretas para medições termográficas e testes adequados, os engenheiros de design automotivo podem perder tempo e eficiência, e arriscar não perceber defeitos que levem a produtos perigosos e recalls dispendiosos. Por exemplo, as montadoras automotivas dos EUA recentemente efetuaram o recall de milhões de automóveis, SUVs e caminhões devido a airbags com defeito, variando de microrrachaduras nos sistemas de ativação de passageiros a infladores com defeito. Esses sistemas defeituosos são não apenas perigosos para os condutores, mas também danosos para os lucros dos fabricantes, que enfrentam processos judiciais, multas e perda de confiança do público.

As tecnologias de câmeras de infravermelho da próxima geração podem oferecer uma solução aos engenheiros. Estas câmeras incorporam detectores de alta resolução de 640 x 512 pixels que podem capturar imagens a uma taxa de 1.000 quadros por segundo. Além disso, materiais de detectores mais recentes, como o Strained Layer Superlattice (SLS), oferecem faixas de temperatura mais amplas com uma combinação de grande uniformidade e eficiência quântica superiores às dos materiais detectores MCT e QWIP anteriores. Estas novas tecnologias, além da capacidade de sincronizar e disparar remotamente, oferecem aos engenheiros e técnicos as ferramentas de que precisam para lidar com as dificuldades dos testes automotivos a alta velocidade.

Desafio de Alta Velocidade

Medir a temperatura de objetos que estão se movendo rapidamente é desafiador. As formas tradicionais de medição de temperatura, como termopares, não são práticas para sistemas em movimento. Formas de medição de temperatura sem contato, como pirômetros de ponto, carecem das taxas de resposta rápidas necessárias para efetuar leituras precisas em objetos em rápida movimentação ou para caracterizar termicamente um alvo a alta velocidade com precisão.

Câmeras de infravermelho com detectores de microbolômetro não refrigerado também são incapazes de medir temperaturas com precisão a velocidades muito rápidas. Essas câmeras apresentam tempos de exposição longos, o que provoca borrões na imagem térmica. Para visualizar e efetuar leituras de temperatura precisas em alvos movendo-se de forma extremamente rápida, é preciso uma câmera termográfica refrigerada com um tempo de exposição curto e taxa de quadros rápida. Vamos explorar ambos os tipos de detectores para compreender melhor os benefícios e desvantagens de cada um deles no que diz respeito à medição termográfica a alta velocidade.

Detectores Térmicos vs. Quânticos

A diferença entre detectores térmicos e quânticos está no modo como o sensor converte radiação infravermelha em dados. Detectores térmicos, como microbolômetros não refrigerados, reagem à energia radiante incidente. A radiação infravermelha aquece os pixels e cria uma mudança de temperatura que é refletida como uma mudança na resistência. Entre as vantagens das câmeras de microbolômetro não refrigerado inclui-se a durabilidade, portabilidade e baixo preço. Porém, as desvantagens incluem taxas de quadros lentas – cerca de 60 quadros por segundo – e tempos de resposta lentos (constante de tempo). Devido a isso, os microbolômetros não refrigerados não podem produzir uma imagem nítida, em stop motion, de um objeto em movimento rápido. Em vez disso, a taxa de quadros e o tempo de resposta lentos levam a borrar a imagem e, por fim, a leituras de temperatura imprecisas. Taxas de quadros lentas também impedem essas câmeras de caracterizar com precisão objetos que aquecem rapidamente.

Em comparação, os detectores quânticos de Antimoneto de Índio (InSb), Arseneto de Índio e Gálio (InGaAs) ou SLS são fotovoltaicos. As estruturas cristalinas dos detectores absorvem fótons que elevam seus elétrons a um estado energético mais alto; isso muda a condutividade do material. Resfriar esses detectores torna-os muito sensíveis à radiação infravermelha, sendo que alguns são capazes de detectar diferenças de temperatura inferiores a 18 mK, ou 0,018 °C. Os detectores quânticos também reagem rapidamente a mudanças de temperatura, com uma constante de tempo na escala de microssegundos, em vez de vários milissegundos. Essa combinação de tempos de exposição curtos e altas taxas de quadros torna os detectores quânticos ideais para parar o movimento de alvos a alta velocidade de modo a realizar uma medição de temperatura precisa, bem como uma caracterização correta de como as temperaturas térmicas aumentam ao longo do tempo em alvos que aquecem rapidamente. Essas câmeras geralmente são mais caras e maiores que as câmeras de microbolômetro não refrigerado: fatores que algumas equipes de pesquisa podem precisar levar em conta.

Taxas de Quadros Rápidas não são Suficientes

Como mencionado brevemente anteriormente, a capacidade de registrar centenas ou milhares de quadros por segundo é apenas parte do que é requerido para parar o movimento. Outro elemento da equação é o tempo de integração, ou por quanto tempo a câmera coleta dados para cada um desses quadros.

O tempo de integração é análogo à velocidade do obturador em uma câmera digital. Se o obturador permanecer aberto por muito tempo, qualquer movimento na imagem capturada irá parecer borrado. Da mesma forma, câmeras de IV com tempos de integração longos registrarão movimentos borrados. Uma bola saltando, por exemplo, parecerá com um cometa – com uma cauda em movimento atrás dela.

O número de conversores de analógico para digital, ou canais, que uma câmera apresenta, além da capacidade de processar pixels a alta velocidade, também são importantes. As câmeras de IV de alta velocidade normalmente têm um mínimo de 16 canais e apresentam velocidades de processamento – ou taxas de clock de pixel – de ao menos 200 MP/s. A maior parte das câmeras de baixo desempenho conta com quatro canais e opera a taxas de clock de pixel abaixo de 50 MP/s.

A temperatura do alvo pode ter um impacto na velocidade de integração e, finalmente, na contagem digital. A câmera converte contagens digitais em valores de radiância utilizados para as leituras de temperatura no alvo. Alvos mais quentes emitem mais energia infravermelha radiante e, portanto, mais fótons; alvos mais frios emitem menos fótons. O desafio passa a ser como medir com precisão a temperatura de alvos mais frios a taxas de quadros rápidas, uma vez que as taxas de quadros rápidas requerem tempos de integração mais curtos.

Para complicar a situação, os detectores mais antigos – com ROIC (Read Out Integrating Circuits) de gerações anteriores – eram não lineares a preenchimento de poços de nível baixo. Isso provocava o colapso da Correção de Não Uniformidade, resultando em imagens ruins e precisão questionável da medição de temperatura. Agora, com os designs ROIC da próxima geração, os detectores oferecem linearidade ao preenchimento de poços de nível baixo, permitindo medições precisas a altas velocidades (tempos de integração curtos) em alvos mais frios. É por isso que é essencial que as câmeras de infravermelho de alta velocidade tenham um ROIC da próxima geração com uma resposta linear a preenchimento de poços de nível baixo.

Obtenção da Sincronização Correta

Outro fator a levar em conta é a capacidade da câmera sincronizar e disparar face a eventos externos, como sincronizar perante um disco de freio em rotação ou a ignição de um motor de combustão. Quando um sistema de câmera opera a um clock interno, o ponto inicial de integração do detector e a saída de dados são definidos pelo clock. É possível perder parte ou todo o evento se o mesmo não corresponder exatamente ao período de integração. Um sistema de disparo separado pode ajudar a sincronizar melhor as gravações por meio de controlar rigorosamente o tempo inicial de integração e a taxa de quadros. Câmeras com detector de microbolômetro não refrigerado não oferecem essa capacidade porque têm elementos resistivos térmicos que não podem ser controlados externamente. Esse é outro motivo pelo qual uma câmera com detector de contagem de fótons é essencial para testes térmicos a alta velocidade.

Alta Sensibilidade é Essencial

Uma vantagem significativa das câmeras de IV refrigeradas é a sensibilidade. As câmeras refrigeradas podem detectar mudanças de temperatura sutis, de até 0,02 °C. Normalmente, as câmeras não refrigeradas têm uma sensibilidade de cerca de 0,03 °C. Embora uma diferença de 0,01 °C possa parecer pequena, representa uma melhoria de 30% na sensibilidade. A câmera refrigerada produz menos ruído digital e a imagem gerada por ela apresenta detalhes mais precisos. A capacidade de detectar tais mudanças de temperatura sutis ajuda a detectar melhor pontos quentes pequenos.

Vantagens do IV de Ondas Longas

A única vantagem das câmeras de microbolômetro não refrigerado é que detectam infravermelho de ondas longas na faixa espectral de 7,5 - 14 μm. Mais fótons passam através da faixa de ondas longas do que nas faixas de ondas curtas ou ondas médias, o que significa que levaria menos tempo para um detector quântico coletar fótons suficientes para criar uma carga. Especificamente, um corpo negro a 30 °C emite cerca de 10 vezes mais fótons na faixa de 8-9 μm que na faixa de ondas médias de 4-5 μm. Normalmente, os detectores quânticos operam no infravermelho de ondas curtas a médias. Porém, os detectores de SLS (Strained Layer Superlattice) detectam infravermelho de ondas longas na faixa espectral de 7,5- 9,5 μm. Uma vez que há mais fótons a serem detectados, os detectores de SLS têm tempos de integração extremamente curtos, até 12 vezes mais rápidos que os detectores InSb.

São mais eficientes que outros detectores quânticos na conversão de fótons para elétrons e oferecem mais contraste térmico ao gerar imagens de alvos frios. As vantagens dos detectores de SLS LWIR são faixas de temperaturas muito mais amplas e tempos de exposição muito mais curtos, o que pode ajudar caso o alvo aqueça ao longo de uma ampla faixa de temperaturas ou mova-se muito rapidamente no espaço.

Sucesso Equivale a Segurança

Ao incluir imagens térmicas durante as fases de design e teste da engenharia automotiva, as equipes de pesquisa e desenvolvimento podem identificar mais prontamente pontos fracos e melhorar o desempenho e a segurança gerais do produto. Porém, o tipo de câmera e seus recursos podem ter impacto sobre o sucesso das imagens térmicas. Escolher uma câmera termográfica refrigerada com a maior velocidade, sensibilidade e tempos de integração disponíveis permitirá aos pesquisadores monitorarem com precisão mudanças de temperatura ao longo do tempo em aplicações de alta velocidade. Essas câmeras também fornecerão quadros nítidos e detalhados de stop motion, para que os pesquisadores possam medir com precisão a temperatura e caracterizar termicamente seus produtos para identificar o momento exato em que um problema começa.