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Cámaras térmicas: comprensión de cómo funcionan y la tecnología del bolómetro

Al igual que una cámara normal, una cámara térmica utiliza ondas térmicas infrarrojas para afectar un material (silicio amorfo u óxido de vanadio), cambiando así su resistencia. Sin embargo, a diferencia de una cámara normal, que utiliza una matriz CMOS para detectar fotones que han pasado por el efecto de enfoque de una lente. En este punto, incluso una cámara térmica de bajo presupuesto utiliza una configuración diferente.

La cámara termográfica de una cámara térmica se llama bolómetro.

Como los bolómetros suelen contener píxeles muy grandes en comparación con una cámara visual, la resolución de una cámara térmica puede llegar a 640 x 480, que es una resolución relativamente baja para una cámara visual. Es importante tener en cuenta que en la energía térmica, el calor se transporta a través de una variedad de espectros electromagnéticos, pero sólo uno de estos espectros, el espectro infrarrojo, se toma como muestra para obtener imágenes térmicas.

En este espectro, la energía térmica se comporta de manera similar a la energía de la luz visible, en el sentido de que puede viajar grandes distancias y puede enfocarse en el bolómetro con una lente que no sea de vidrio. Además, al igual que la luz visible, esta radiación infrarroja puede reflejarse en los espejos.

Lo primero que debe comprender al utilizar una cámara térmica es que el calor depende en gran medida del tiempo de la imagen. En el espectro visible, la luz está presente o ausente. En un entorno térmico, la temperatura de un objeto se transmite constantemente a otros objetos de la imagen.

Dos imágenes del mismo objeto tomadas a intervalos cercanos tienen el efecto de mostrar una variación perceptible. Simplemente colocar la mano dentro y fuera de la mesa deja una huella que puede tardar varios segundos en enfriarse a temperatura ambiente.

Por lo tanto, con una cámara térmica, el momento de la captura es crucial, al igual que el control de la temperatura general de la escena. Dependiendo del espesor del material termosellado, la temperatura puede ser de 180F en el momento del termosellado, 150F dos segundos después y cerca de la temperatura ambiente en solo 10 segundos, lo que hace que la cantidad de segundos entre los termosellados sea crítica. operación de sellado e inspección.

Para adquirir información valiosa, es necesario programar con precisión el examen de una imagen térmica según el evento térmico. Además, el contenido de la bolsa puede reducir rápidamente la temperatura de termosellado.

Cámaras térmicas en términos de reflectividad y opacidad térmica.

La reflectividad y la opacidad térmicas son el próximo problema de la ingeniería térmica. En las películas de Hollywood se presenta una cámara térmica con la capacidad de ver a través de barreras. Debido a que el vidrio transparente y la superficie de un charco son térmicamente opacos, una cámara térmica ni siquiera puede medir a través de ellos en el mundo real.

Además, debido a que el agua en el aire tiene una temperatura que se transmite en el espectro infrarrojo, ocultando la firma térmica detrás de la molécula de agua, las cámaras térmicas no pueden funcionar eficazmente en un ambiente particularmente húmedo. El vapor o la niebla están a medio camino entre la translucidez y la opacidad térmicas, mientras que el aire seco ordinario es térmicamente transparente.

Esto dificulta la obtención de imágenes térmicas en un ambiente húmedo o mojado. La firma térmica de los objetos que se encuentran en su camino óptico, en lugar de la firma térmica del metal en sí, se refleja en una pieza de metal brillante, que a menudo es térmicamente reflectante. Inesperadamente, esta es la razón por la que el papel de aluminio funciona bien en el horno; divide el ambiente térmico en dos, permitiendo solo la convección/conducción de energía térmica mientras rechaza la radiación IR.

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Por lo tanto, la imagen térmica y la imagen visual son muy diferentes, pero tienen algunas similitudes. La reflectividad de la superficie, el clima, la humedad y la resolución son factores que afectan la imagen térmica. Un ingeniero ya tiene mucho que hacer, pero eso no es todo.

bolómetros

¿Qué bolómetro debería utilizar: un bolómetro no refrigerado más barato o un bolómetro refrigerado más caro? Cual es la diferencia ?

Un bolómetro enfriado produce una imagen extremadamente libre de ruido en comparación con un bolómetro no enfriado (de la documentación de Teledyne FLIR). Cada píxel de sus datos contiene ruido, que es una variación aleatoria. En mi experiencia, el ruido de un bolómetro típico no refrigerado suele ser inferior a 5 grados.

Un dispositivo no refrigerado es muy útil y probablemente funcionará bien si toma decisiones en la región de diez grados o más, que generalmente está en el medio del rango de detección de los sensores. Además, si su objeto se mueve rápidamente, un bolómetro enfriado será la mejor opción. Se muestra una llanta girando a 20 mph con un bolómetro no enfriado (izquierda) y enfriado (derecha) (literatura de Teledyne FLIR).

La rueda parece estar estacionaria en la imagen de la izquierda porque la breve exposición del bolómetro enfriado dificulta que el bolómetro no enfriado discierna la posición de la llanta.

El hecho de que las imágenes térmicas no requieran «iluminación» o energía adicional es una ventaja, pero puedes mejorar tus fotografías térmicas incorporando una fuente de radiación de cuerpo negro en algún lugar de la imagen. Debido a que la firma térmica de estos dispositivos es tan precisa y confiable, puede tener en cuenta la deriva térmica de su sensor, lo cual es crucial cuando se intenta lograr una precisión de un grado o menos usando un bolómetro enfriado.

Recuerde que la imagen es solo una imagen en escala de grises después de la adquisición, donde los objetos más cálidos aparecen más blancos y los objetos más fríos, más oscuros.

Excepto por la capacidad de calcular cuantitativamente la temperatura en grados para cualquier píxel de la imagen, todas sus herramientas de visión, incluida la coincidencia de formas, las transiciones entre luz y oscuridad e incluso el análisis de gotas, funcionan exactamente como en un sistema de visión clásico. Debido a la baja resolución general de la imagen, el procesamiento de una imagen térmica suele ser bastante rápido.

Es comparable al fotograma de una cámara 640480 o 320240, lo que significa que una buena computadora normalmente puede obtener una respuesta completa en cada fotograma a la velocidad de fotogramas más alta de la cámara. Hemos descubierto que al usar una cámara en modo de captura de fotograma libre y un sistema de visión para determinar qué imagen usar en función de la presencia de una señal, con frecuencia podemos activar el sistema sin problemas.

Esto no sólo resuelve un problema importante en la industria alimentaria, donde la sincronización de la captura de imágenes es difícil debido a los requisitos de limpieza, sino que también mejora los sistemas utilizados en entornos peligrosos. Además, te permite viajar en el tiempo y medir directamente las características de pérdida térmica de tu material. Además, las imágenes de choque térmico pueden revelar defectos en el material que son difíciles de ver por otros medios.

Existen similitudes y diferencias entre las cámaras de visión estándar y las cámaras térmicas.

En resumen, una cámara térmica es similar y diferente a una cámara de visión estándar. Al comprender estas diferencias y utilizar las capacidades únicas de la cámara y el espectro de energía mientras se mitigan las limitaciones, se puede lograr una funcionalidad que no se puede replicar fácilmente utilizando otros métodos más tradicionales. Utilizar un integrador de sistemas calificado, que tenga experiencia específica en integración térmica, realmente puede ayudarlo a aprovechar los beneficios de las imágenes térmicas para su proceso sin caer en los riesgos de implementarlas usted mismo.