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Caméras thermiques – Comprendre leur fonctionnement et la technologie du bolomètre

Comme une caméra ordinaire, une caméra thermique utilise des ondes thermiques infrarouges pour affecter un matériau (silicium amorphe ou oxyde de vanadium), modifiant ainsi sa résistance. Cependant, contrairement à une caméra ordinaire, qui utilise une matrice CMOS pour détecter les photons qui ont traversé l’effet de focalisation d’un objectif. Sur ce point, même une caméra thermique petit budget utilise une configuration différente.

L’imageur d’une caméra thermique est appelé bolomètre.

Comme les bolomètres contiennent souvent des pixels très grands par rapport à une caméra visuelle, la résolution d’une caméra thermique peut atteindre 640 x 480, ce qui est une résolution relativement faible pour une caméra visuelle. Il est important de garder à l’esprit que, dans le domaine de l’énergie thermique, la chaleur est transportée sur une variété de spectres électromagnétiques, mais qu’un seul de ces spectres – le spectre infrarouge – est échantillonné pour l’imagerie thermique.

Dans ce spectre, l’énergie thermique se comporte de manière similaire à l’énergie de la lumière visible, en ce sens qu’elle peut parcourir de grandes distances et peut être focalisée sur le bolomètre avec une lentille non en verre. De plus, comme la lumière visible, ce rayonnement infrarouge peut se réfléchir sur des miroirs.

La première chose que vous devez comprendre lorsque vous utilisez une caméra thermique est que la chaleur a une forte dépendance temporelle sur l’image. Dans le spectre visible, la lumière est soit présente, soit absente. Dans un environnement thermique, la température d’un objet se transmet constamment aux autres objets de l’image.

Deux images du même objet prises à intervalles rapprochés ont pour effet de montrer une variation perceptible. Le simple fait de poser et de retirer la main de la table laisse une empreinte de main qui peut mettre plusieurs secondes à refroidir jusqu’à la température ambiante.

Par conséquent, avec une caméra thermique, le moment de la capture est crucial, tout comme le contrôle de la température globale de la scène. En fonction de l’épaisseur du matériau thermoscellé, la température peut être de 180F au moment du thermoscellage, de 150F deux secondes plus tard, et proche de la température ambiante en seulement 10 secondes, ce qui rend essentiel le nombre de secondes entre l’opération de thermoscellage et l’inspection.

Afin d’acquérir des informations précieuses, il est nécessaire de programmer précisément l’examen d’une image thermique en fonction de l’événement thermique. De plus, le contenu du sac peut rapidement faire baisser la température de thermoscellage.

Caméras thermiques en matière de réflectivité et d’opacité thermique

La réflectivité et l’opacité thermique constituent le prochain problème d’ingénierie thermique. Dans les films d’Hollywood, une caméra thermique est présentée comme ayant la capacité de voir à travers les barrières. Comme le verre transparent et la surface d’une flaque d’eau sont thermiquement opaques, une caméra thermique ne peut même pas mesurer à travers eux dans le monde réel.

De plus, comme l’eau présente dans l’air a une température qui transmet dans le spectre infrarouge, cachant la signature thermique derrière la molécule d’eau, les caméras thermiques ne peuvent pas voire efficacement dans un environnement particulièrement humide. La vapeur ou le brouillard se situent à mi-chemin entre la translucidité et l’opacité thermiques, alors que l’air sec ordinaire est thermiquement transparent.

Cela rend l’imagerie thermique difficile dans un environnement humide ou arrosé. La signature thermique des objets qui se trouvent dans son chemin optique, plutôt que la signature thermique du métal lui-même, est reflétée par une pièce de métal brillante, qui est souvent thermiquement réfléchissante. De façon inattendue, c’est la raison pour laquelle le papier d’aluminium donne de bons résultats dans le four ; il divise l’environnement thermique en deux, permettant uniquement la convection/conduction de l’énergie thermique tout en rejetant le rayonnement IR.

Par conséquent, l’imagerie thermique et l’imagerie visuelle sont très différentes, mais elles ont quelques similitudes. La réflectivité de la surface, le temps, l’humidité et la résolution sont autant de facteurs qui affectent l’imagerie thermique. Un ingénieur a déjà beaucoup à faire, mais ce n’est pas tout.

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Bolomètres

Quel bolomètre devriez-vous utiliser – un bolomètre non refroidi moins cher ou un bolomètre refroidi plus cher ? Quelle est la différence ?

Un bolomètre refroidi produit une image extrêmement exempte de bruit par rapport à un bolomètre non refroidi (tiré de la documentation de Teledyne FLIR). Chaque pixel de vos données contient du bruit, qui est une variation aléatoire. D’après mon expérience, le bruit d’un bolomètre non refroidi typique est généralement inférieur à 5 degrés.

Un appareil non refroidi est très utile et fonctionnera probablement parfaitement si vous prenez des décisions dans la région des dix degrés ou plus, qui se situe généralement au milieu de la plage de détection des capteurs. En outre, si votre objet se déplace rapidement, un bolomètre refroidi sera la meilleure option. Un pneu est montré en rotation à 20 mph avec un bolomètre non refroidi (à gauche) et refroidi (à droite) (littérature Teledyne FLIR).

La roue semble être immobile sur l’image de gauche parce que la brève exposition du bolomètre refroidi rend difficile pour le bolomètre non refroidi de discerner la position de la jante.

Le fait que l’imagerie thermique ne nécessite pas d' »éclairage » ou d’énergie supplémentaire est un avantage, mais vous pouvez améliorer vos photographies thermiques en intégrant une source de rayonnement de corps noir quelque part dans l’image. La signature thermique de ces appareils étant si précise et fiable, vous pouvez tenir compte de la dérive thermique de votre capteur, ce qui est crucial lorsque vous essayez d’obtenir une précision d’un degré ou moins en utilisant un bolomètre refroidi.

N’oubliez pas que l’image n’est qu’une image en niveaux de gris après son acquisition, les objets plus chauds apparaissant plus blancs et les objets plus glacières plus sombres.

À l’exception de la possibilité de calculer quantitativement la température en degrés pour n’importe quel pixel de l’image, tous vos outils de vision, y compris la correspondance des formes, les transitions entre la lumière et l’obscurité, et même l’analyse des gouttes, fonctionnent exactement comme dans un système de vision classique. En raison de la faible résolution globale de l’image, le traitement d’une image thermique est généralement assez rapide.

Elle est comparable à une image de caméra de 640480 ou 320240, ce qui signifie qu’un bon ordinateur peut généralement obtenir une réponse complète à chaque image à la fréquence d’images la plus élevée de la caméra. Nous avons découvert qu’en utilisant une caméra en mode de capture d’image libre et un système de vision pour déterminer l’image à utiliser en fonction de la présence d’un repère, nous pouvons fréquemment déclencher le système en douceur.

Cela permet non seulement de résoudre un problème important dans l’industrie alimentaire, où la synchronisation de la capture d’image est difficile en raison de l’exigence de propreté, mais aussi d’améliorer les systèmes utilisés dans des environnements dangereux. En outre, elle permet de voyager dans le temps et de mesurer directement les caractéristiques de perte thermique de votre matériau. En outre, l’imagerie de choc thermique peut révéler des défauts du matériau qui sont difficiles à voir par d’autres moyens.

Il existe des similitudes et des différences entre les caméras de vision standard et les caméras thermiques.

En résumé, une caméra thermique est à la fois semblable et différente d’une caméra de vision standard.  En comprenant ces différences et en utilisant les capacités uniques de la caméra et du spectre énergétique tout en atténuant les limitations, on peut obtenir des fonctionnalités qui ne peuvent pas être facilement reproduites à l’aide d’autres méthodes plus traditionnelles. Le recours à un intégrateur de systèmes qualifié, qui possède une expérience spécifique de l’intégration thermique, peut réellement vous aider à exploiter les avantages de l’imagerie thermique pour votre processus sans tomber dans les pièges d’une mise en œuvre par vous-même.

Yohann G.