La nouvelle génération de technologies infrarouges résout les défis relatifs aux essais automobiles grande vitesse

Les caméras infrarouges à grande vitesse peuvent améliorer les essais de conception

La recherche et le développement de produits sur les moteurs à combustion interne, disques de frein, pneus et airbags à grande vitesse ne sont que quelques-uns des domaines qui tirent un avantage certain des essais de détermination thermique grande vitesse et haute sensibilité. Malheureusement, les formes traditionnelles de mesure de température par contact, comme les thermocouples, ne sont pas pratiques à monter sur les objets en mouvement, et les formes de mesure de température sans contact comme les pistolets à température ponctuelle (et mêmes les caméras infrarouges actuelles) ne sont tout simplement pas assez rapides pour obtenir un arrêt sur image de ces cibles à grande vitesse et effectuer des mesures de température précises.

Sans les outils adaptés aux mesures et tests thermiques adaptés, les ingénieurs automobiles peuvent perdre du temps et subir une baisse d'efficacité, et risquent de passer à côté de défauts qui peuvent entraîner la conception de produits dangereux et de rappels onéreux. Par exemple, des fabricants américains ont récemment rappelé des millions de voitures, SUV et camions en raison d'airbags défaillants avec des problèmes allant de micro-fêlures dans les systèmes d'activation des airbags passagers à des systèmes de gonflage défectueux. Ces systèmes imparfaits ne sont pas seulement dangereux pour les conducteurs, mais également néfastes pour les bénéfices des fabricants, qui doivent faire face à des procès, des amendes et à la perte de confiance du public.

La nouvelle génération de technologies de caméras infrarouges peut offrir une solution aux ingénieurs. Ces caméras intègrent des détecteurs à haute résolution de 640 x 512 pixels qui peuvent capturer des images à une fréquence de 1 000 images par seconde. De plus, les derniers matériaux composant les détecteurs, comme la SLS (hétérostructure à couches contraintes), offrent des plages de température étendues et associent une uniformité et une efficacité élevées supérieures à celles des matériaux composant les détecteurs MCT et QWIP précédents. Ces nouvelles technologies, en plus de la capacité à se synchroniser et à se déclencher à distance, donnent aux ingénieurs et aux techniciens les outils dont ils ont besoin pour répondre aux difficultés des essais automobiles à grande vitesse.

Le défi de la grande vitesse

Mesurer la température sur des objets qui se déplacent rapidement est compliqué. Les formes traditionnelles de mesure de température, comme les thermocouples, ne sont pas pratiques pour les systèmes en mouvement. Les formes de mesure de température sans contact, comme les pyromètres, n'ont pas la rapidité de réponse nécessaire pour effectuer des mesures précises sur les objets à mouvements rapides ou pour déterminer les caractéristiques thermiques d'une cible à grande vitesse.

Les caméras infrarouges avec des détecteurs microbolomètres non refroidis ne sont pas non plus capables de mesurer précisément la température à des vitesses extrêmement élevées. Ces caméras ont des temps d'exposition élevés ce qui entraîne des images thermiques floues. Afin de visualiser et de prendre des mesures de température précises sur des cibles à déplacement ultra-rapide, il vous faut une caméra thermique refroidie avec un temps d'exposition court et une fréquence d'images élevée. Explorons deux types de détecteurs pour mieux comprendre les avantages et les inconvénients de chacun d'eux et la façon dont cela influe sur les mesures thermiques à grande vitesse.

Détecteurs thermiques ou quantiques

La différence entre des détecteurs thermiques et quantiques provient uniquement de la façon dont le capteur traduit le rayonnement infrarouge en données. Les détecteurs thermiques, tels que les microbolomètres non refroidis, réagissent à l’énergie électromagnétique incidente. Le rayonnement infrarouge chauffe les pixels et occasionne ainsi un changement de température, qui à son tour se reflète dans un changement de résistance. Les avantages des caméras à microbolomètre non refroidi comprennent la durabilité, la portabilité et un prix accessible. Cependant, les inconvénients incluent des fréquences d'images lentes (autour de 60 images par seconde) et des temps de réponse (constante de temps) lents. Pour ces raisons, les microbolomètres non refroidis ne peuvent pas produire d'arrêt sur image net sur un objet à déplacement rapide. Au lieu de cela, la fréquence d'images et le temps de réponse lents génèrent des images floues et par extension, des mesures de température inexactes. Les fréquences d'images lentes empêchent également les caméras de caractériser précisément les objets qui chauffent rapidement.

En comparaison, les détecteurs quantiques refroidis constitués d’antimoniure d’indium (InSb), d’arséniure de gallium d’indium (InGaAs) ou d’une hétérostructure à couches contraintes sont photovoltaïques. Les structures cristallines des détecteurs absorbent les photons qui font passer leurs électrons à un état énergétique supérieur ; cela change la conductivité du matériau. Refroidir ces détecteurs les rend particulièrement sensibles au rayonnement infrarouge, et certains sont capables de détecter des écarts de température de moins de 18 mK ou 0,018°C. Les détecteurs quantiques réagissent également rapidement aux changements de température, avec une constante de temps à l'échelle de la microseconde, plutôt que plusieurs millisecondes. Cette association de temps d'exposition raccourcis et de fréquence d'images élevée fait des détecteurs quantiques les appareils idéaux pour l'arrêt sur image sur des cibles à grande vitesse et permet d'effectuer des mesures de température rigoureuses et de déterminer précisément la façon dont les températures thermiques s'élèvent graduellement sur les cibles à réchauffement rapide. Ces caméras sont généralement plus chères et plus grosses que les caméras à microbolomètre non refroidi : des facteurs dont les équipes de recherche pourraient avoir à tenir compte.

Insuffisance des fréquences d'images rapides

Comme mentionné brièvement auparavant, la capacité d'enregistrer des centaines ou des milliers d'images par seconde ne représente qu'une partie de ce qui est nécessaire pour effectuer des arrêts sur image. Un autre élément de l'équation est le temps d'intégration, ou la durée pendant laquelle la caméra recueille des données pour chacune de ces images.

Le temps d'intégration est semblable à la vitesse d'obturation d'une caméra numérique. Si l'obturateur reste ouvert trop longtemps, tout mouvement de l'image qu'il capture sera flou. De la même façon, les caméras infrarouges avec des temps d'intégration longs enregistrement des mouvements flous. Une balle rebondissante, par exemple, ressemblera à une comète, avec une traînée de mouvement derrière elle.

Le nombre de convertisseurs analogiques-numériques, ou canaux, qu'une caméra contient, en plus de la capacité à traiter les pixels à grande vitesse, sont également importants. Les caméras infrarouges à grande vitesse ont généralement un minimum de 16 canaux et ont des vitesses de traitement (ou fréquence d'horloge pixels) d'au moins 200 MP/sec. La majorité des caméras de moindres performances ont 4 canaux et ont des fréquences d'horloge de pixel sous les 50 MP/sec.

La température de votre cible peut avoir un impact sur la vitesse d'intégration, et, au final, sur le comptage numérique. La caméra convertit les comptages numériques en valeurs de radiance utilisées pour les mesures de température sur votre cible. Les cibles chaudes émettent plus d'énergie infrarouge de rayonnement et par conséquent, plus de photons, alors que les cibles plus froides émettent moins de photons. La difficulté consiste à mesurer précisément la température sur des cibles froides à des fréquences d'image élevées, car les fréquences d'images rapides nécessitent des temps d'intégration plus courts.

Pour compliquer ce problème, les anciens détecteurs, avec ROIC (circuits de lecture intégrés), étaient non linéaires lors de faible remplissage du puits. Cela diminuait la précision de la correction de la non-uniformité ce qui engendrait des images de mauvaise qualité et des mesures de température inexactes. Désormais, avec la nouvelle génération de modèles ROIC, les détecteurs offrent une réponse linaire au faible remplissage du puits, ce qui permet des mesures exactes à des vitesses élevées (temps d'intégration courts) sur les cibles froides. C'est pourquoi il est essentiel pour la caméra infrarouge grande vitesse d'être équipée d'un ROIC nouvelle génération avec réponse linéaire au faible remplissage du puits.

Avoir le bon timing

Un autre facteur à prendre en compte est la capacité de la caméra à se synchroniser et à se déclencher en fonction d'événements externes, comme la synchronisation sur un disque de frein en mouvement ou l'allumage d'un moteur à combustion. Lorsqu'un système de caméra s'exécute en fonction d'une horloge interne, le point de départ d'intégration du détecteur et la sortie des données sont définis par l'horloge. Vous pouvez manquer une partie de l'événement ou l'événement tout entier si ces données ne correspondent pas exactement à la période d'intégration. Un système de déclenchement distinct peut vous aider à mieux synchroniser les enregistrements en contrôlant strictement l'heure de début d'intégration et la fréquence d'images. Les caméras à détecteur microbolomètre non refroidi n'offrent pas cette fonctionnalité car elles sont équipées d'éléments résistants à la chaleur qui ne peuvent pas être contrôlés en externe. C'est une autre raison pour laquelle une caméra à détecteur à comptage de photons est critique pour les essais thermiques à grande vitesse.

Le secret, c'est la haute sensibilité

Un avantage important des caméras infrarouges refroidies est la sensibilité. Les caméras refroidies peuvent détecter de subtils changements de température, aussi faibles que 0,02°C. Généralement, les caméras non refroidies ont une sensibilité autour de 0,03°C. Alors qu'une différence de 0,01°C peut sembler minime, elle représente une amélioration de 30 % de la sensibilité. La caméra refroidie produit non seulement moins de bruit numérique mais l'image qu'elle génère est plus détaillée. La capacité à détecter ce genre de changements de température subtils vous permet de mieux détecter les petits points chauds.

Avantages de l'infrarouge ondes longues

L'avantage des caméras à microbolomètre non refroidi est qu'elles détectent l'infrarouge ondes longues dans la gamme spectrale 7,5 à 14 μm. Un nombre plus important de photons traverse la bande à ondes longues que la bande à moyennes ou courtes ondes, ce qui signifie qu'il faut moins de temps pour qu'un détecteur quantique recueille assez d'informations pour créer une charge. Plus précisément, un corps noir à 30°C émet près de 10 fois plus de photons dans la gamme de 8 à 9 μm que dans la gamme de 4 à 5 μm à ondes moyennes. Généralement, les détecteurs quantiques fonctionnent dans une gamme infrarouge à ondes courtes à moyennes. Cependant, les détecteurs fabriqués avec une hétérostructure à couches contraintes (SLS) détectent l'infrarouge ondes longues dans la gamme spectrale 7,5 à 9,5 μm. Parce qu'il y a plus de photons à détecter, les détecteurs SLS ont des temps d'intégration extrêmement courts, jusqu'à 12 fois plus rapides que les détecteurs InSb.

Ils sont plus efficaces que les autres détecteurs quantiques pour convertir les photons en électrons et offrent un meilleur contraste thermique pour réaliser des images de cibles froides. Les avantages des détecteurs SLS LWIR sont des plages de température beaucoup plus étendues et des temps d'exposition réduits, ce qui peut être utile si votre cible chauffe dans une bande de températures étendue ou si elle se déplace très rapidement dans l'espace.

Des images réussies pour plus de sécurité

En incluant l'imagerie thermique aux phases de conception et aux essais d'ingénierie automobile, les équipes de recherche et de développement peuvent plus rapidement identifier les points faibles et améliorer les performances et la sécurité du produit en général. Mais le type de caméra et ses fonctionnalités peuvent avoir un impact sur la réussite des images. Choisir une caméra thermique refroidie avec la vitesse, la sensibilité et le temps d'intégration les plus élevés sur le marché permettra aux chercheurs de suivre avec précision les changements de température sur le long terme sur des applications à grande vitesse. Ces caméras fourniront également des arrêts sur image détaillés et nets, afin que les chercheurs puissent mesurer avec précision la température et déterminer les caractéristiques thermiques de leurs produits afin d'identifier le moment exact où le problème commence.