Las tecnologías de IR de la nueva generación resuelven desafíos de pruebas de automoción a alta velocidad

Las cámaras de infrarrojos de una velocidad más alta pueden mejorar las pruebas en la fase de diseño

La investigación y el desarrollo de productos en motores de combustión interna, rotores de frenos y neumáticos, y airbags a alta velocidad son algunas de las áreas que se benefician realmente de las pruebas de caracterización térmica de alta velocidad y alta sensibilidad. Lamentablemente, las formas tradicionales de medición de la temperatura con contacto, como los termopares, no son prácticos para montarlos sobre objetos móviles, y las formas de medición de la temperatura sin contacto, como las pistolas puntuales (e incluso las cámaras de infrarrojos actuales) no son lo bastante rápidas para detener el movimiento en esos objetivos a alta velocidad para tomar mediciones de la temperatura precisas.

Sin las herramientas adecuadas para realizar correctamente mediciones y pruebas térmicas, los ingenieros de diseño de automoción pueden perder tiempo y eficiencia, y arriesgarse a pasar por alto defectos que pueden provocar que los productos sean peligrosos o que haya que realizar costosas retiradas de productos. Por ejemplo, los fabricantes de automóviles de EE. UU. retiraron millones de turismos, SUV y camionetas debido a airbags defectuosos, con problemas que iban desde microgrietas en los sistemas de activación del lado del pasajero a infladores defectuosos. Estos sistemas defectuosos no solo son peligrosos para los conductores, sino que también son perjudiciales para el resultado final de los fabricantes, que se enfrentan a demandas judiciales, sanciones y pérdida de la confianza del público.

Las tecnologías de cámaras de infrarrojos de nueva generación pueden ofrecer una solución a los ingenieros. Estas cámaras incorporan detectores de alta resolución de 640 x 512 píxeles que pueden capturar imágenes a una velocidad de 1000 fotogramas por segundo (fps). Además, los materiales de los detectores más recientes, como una superred de capas tensionadas (SLS por sus siglas en inglés), ofrecen amplios rangos de temperatura con una combinación de gran uniformidad y eficiencia cuántica más allá de los materiales anteriores de MCT y QWIP. Estas nuevas tecnologías, además de la capacidad de sincronización y activación remotas, brindan a ingenieros y técnicos las herramientas que necesitan para abordar las dificultados de pruebas de automoción a alta velocidad.

Complicaciones de la alta velocidad

Medir la temperatura de objetos que se mueven deprisa es complicado. Las formas tradicionales de medición de la temperatura como los termopares no son prácticos para sistemas en movimiento. Las formas de medición de la temperatura sin contacto como los pirómetros puntuales carecen de la velocidad de respuesta rápida necesaria para tomar lecturas precisas en objetos en rápido movimiento o para caracterizar térmicamente un objetivo a alta velocidad con precisión.

Las cámaras de infrarrojos con detector microbolómetro no refrigerado tampoco son capaces de medir la temperatura con precisión a velocidades altísimas. Estas cámaras tienen tiempos de exposición prolongados que provocan que la imagen térmica quede borrosa. Para visualizar y tomar lecturas de temperatura precisas de temperatura en objetivos que se mueven muy deprisa, necesita una cámara térmica refrigerada con un tiempo de exposición corto y una frecuencia de imagen rápida. Exploremos ambos tipos de detector para entender mejor las ventajas y los inconvenientes de cada uno en lo que se refiere a la medición térmica a alta velocidad.

Detectores térmicos frente a detectores cuánticos

La diferencia entre detectores térmicos y cuánticos estriba en cómo traduce el sensor la radiación de infrarrojos a datos. Los detectores térmicos como los microbolómetros no refrigerados reaccionan a la energía radiante incidental. La radiación de infrarrojos calienta los píxeles y crea un cambio en la temperatura que se refleja en un cambio en la resistencia. Las cámaras de microbolómetro no refrigerado ofrecen ventajas como durabilidad, portabilidad y bajo precio. Sin embargo, hay inconvenientes como baja frecuencia de imagen (unos 60 fotogramas por segundo) y bajos tiempos de respuesta (constante de tiempo). Por esto, los microbolómetros no refrigerados no son capaces de producir una imagen nítida de imagen detenida de un objeto en movimiento rápido. En su lugar, la baja frecuencia de imagen y el bajo tiempo de respuesta producían imágenes borrosas y lecturas de temperatura que al final eran imprecisas. La baja frecuencia de imagen también evita que estas cámaras caractericen con precisión objetos que se calientan rápidamente.

Por otro lado, los detectores cuánticos elaborados con antimoniuro de indio (InSb), arseniuro de galio-indio (InGaAs) o SLS son fotovoltaicos. Las estructuras cristalinas de los detectores absorben fotones que elevan sus electrones a un estado de energía más alto. Esto cambia la conductividad del material. Refrigerar estos detectores hace que sean muy sensibles a la radiación de infrarrojos, ya que algunos son capaces de detectar diferencias de temperatura de tan solo 18 mK o 0,018 °C. Los detectores cuánticos también reacciones rápidamente a cambios de temperatura, con una constante de tiempo en la escala de tiempo de microsegundos, en lugar de múltiples milisegundos. Esta combinación de tiempos de exposición cortos y frecuencia de imagen alta hace que los detectores cuánticos resulten ideales para detener la imagen de objetivos de alta velocidad para conseguir una medición de la temperatura precisa, así como una caracterización adecuada de cómo se elevan las temperaturas térmicas con el tiempo en objetivos de rápido calentamiento. Estas cámaras suelen ser más caras y grandes que las cámaras de microbolómetro no refrigerado: factores que convendría que algunos equipos de investigación tuvieran en consideración.

Las frecuencias de imágenes rápidas no bastan

Como se ha mencionado brevemente, la capacidad de grabar cientos de miles de fotogramas por segundo solo es parte de lo que se necesita para detener el movimiento. Otro elemento de la ecuación es el tiempo de integración, o durante cuánto tiempo recopila datos la cámara para cada uno de esos fotogramas.

El tiempo de integración es parecido a la velocidad del obturador de una cámara digital. Si el obturador permanece abierto demasiado tempo, cualquier movimiento de la imagen que capture se verá borroso. Del mismo modo, las cámaras de IR con tiempos de integración prolongados grabarán un movimiento borroso. Una pelota botando, por ejemplo, parecerá un cometa: con una estela de movimiento detrás de ella.

También son importantes el número de conversores de analógico a digital, o canales, que tiene una cámara, más la capacidad de procesar píxeles a alta velocidad. Las cámaras de IR de alta velocidad suelen tener un mínimo de 16 canales y tienen velocidades de procesamiento (o frecuencia de reloj de píxeles) de al menos de 200 MP/s. La mayoría de cámaras de bajo rendimiento tienen cuatro canales y funcionan con frecuencias de reloj de píxeles de menos de 50 MP/s.

La temperatura de su objetivo puede afectar a la velocidad de integración y, finalmente, al recuento digital. La cámara convierte los recuentos digitales en niveles de radiancia utilizados para las lecturas de temperatura del objetivo. Los objetivos más calientes emiten más energía de infrarrojos radiante, por tanto más fotones, mientras que los objetivos más fríos emiten menos fotones. El desafío consiste en cómo medir con precisión la temperatura en objetivos más fríos a frecuencias de imagen rápidas, porque las frecuencias de imagen rápidas requieren tiempos de integración más rápidos.

Para complicar la situación, los detectores más antiguos (con circuitos integrados de lectura (ROIC por sus siglas en inglés) anteriores) eran no lineales con bajos rellenos de pozos. Esto hacía que fallase la corrección de no uniformidad, lo que producía imágenes de poca calidad y una precisión cuestionable en la medición de la temperatura. Ahora, con los diseños de ROIC de nueva generación, los detectores ofrecen linealidad para rellenos de pozos, lo que permite mediciones precisas a altas velocidades (tiempos de integración cortos) en objetivos más fríos. Por este motivo es fundamental que la cámara de infrarrojos de alta velocidad tenga ROIC de nueva generación con respuesta lineal a bajos rellenos de pozos.

Elección de la sincronización idónea

Otro factor que hay que considerar es la capacidad de la cámara de sincronizarse y activarse para eventos externos, como la sincronización con un disco de freno que gira o el encendido de un motor de combustión. Cuando hay un sistema de cámara que funciona con un reloj interno, el punto de inicio de la integración del detector y la salida de datos los los configura el reloj. Podría pasar por alto algunos de los eventos completos si no se corresponden exactamente con el periodo de integración. Un sistema de activación aparte puede ayudarle a sincronizar mejor las grabaciones controlando estrictamente el momento de inicio de integración y la frecuencia de imagen. Las cámaras con detector microbolómetro no refrigerado no ofrecen esta capacidad porque tienen elementos de resistencia térmica que no pueden controlarse externamente. Es otro motivo por el que la cámara con detector con recuento de fotones es esencial para las pruebas térmicas de alta velocidad.

La alta sensibilidad es clave

Una ventaja significativa de las cámaras de IR refrigeradas en la sensibilidad. Las cámaras refrigeradas pueden detectar cambios sutiles de temperatura, de tan solo 0,02 °C. Típicamente, las cámaras sin refrigeración tienen una sensibilidad de alrededor de 0,03 °C. Aunque una diferencia de 0,01 °C puede parecer poca, representa una mejora del 30 % en la sensibilidad. La cámara refrigerada no solo produce menos ruido digital, sino que la imagen que produce tiene un detalle más fino. La capacidad de detectar unos cambios de temperatura tan sutiles le ayuda a detectar mejor puntos calientes pequeños.

Ventajas de los IR de onda larga

La ventaja de las cámaras de microbolómetro no refrigerado es que detectan infrarrojos de onda larga es el rango espectral 7,5 - 14 μm. Se transfieren más fotones por la banda de onda larga que por las de onda corta u onda media, lo que significa que un detector cuántico tarda menos en recopilar fotones suficientes para crear una carga. Específicamente, un cuerpo negro a 30 °C emite casi 10 veces más fotones en el rango 8-9 μm en el el rango 4-5 μm de la onda media. Típicamente, los detectores cuánticos funcionan con infrarrojos de onda corta a media. Sin embargo, los detectores elaborados con superred de capas tensionadas (SLS por sus siglas en inglés) detectan infrarrojos de onda larga del rango espectral 7,5 - 9,5 μm. Como hay más fotones que detectar, los detectores de SLS tienen tiempos de integración cortísimos, hasta 12 veces más rápidos que los detectores de InSb.

Son más eficientes que otros detectores cuánticos al convertir fotones en electrones y ofrecen más contraste térmico al generar imágenes de objetivos fríos. Las ventajas de los detectores LWIR SLS son rangos de temperatura mucho más amplios y tiempos de exposición mucho más cortos, lo que puede ayudar si el objetivo se calienta en una banda amplia de temperaturas o se mueve muy rápido en el espacio.

El éxito significa seguridad

Al incluir la termografía durante las fases de diseño y pruebas de ingeniería de automoción, los equipos de investigación y desarrollo pueden identificar más fácilmente los puntos débiles y mejorar el rendimiento y la seguridad globales de los productos. Pero el tipo de cámara y sus características pueden afectar al éxito en la generación de imágenes. Elegir una cámara térmica refrigerada con los niveles más altos disponibles de velocidad, sensibilidad y tiempo de integración permitirá a los investigadores realizar un seguimiento preciso de las variaciones de temperatura en el tiempo en aplicaciones a alta velocidad. Estas cámaras también proporcionarán fotogramas de movimiento detenido detallados y nítidos, para que los investigadores puedan medir la temperatura con precisión y caracterizar térmicamente sus productos para identificar el momento exacto en que comienza un problema.