La termografia ad alta velocità combina dati termici con dati spaziali 3D dinamici

La termografia ad alta velocità combina dati termici con dati spaziali 3D dinamici

Questo video non è disponibile a causa delle impostazioni dei cookie.

---

I ricercatori del Fraunhofer IOF di Jena hanno sviluppato un sistema di telecamere per il rilevamento tridimensionale di oggetti composto da due telecamere monocromatiche ad alta velocità e ad alta risoluzione e un proiettore GOBO. I cambiamenti di temperatura possono influenzare i risultati nelle tipiche applicazioni dinamiche, come i crash test o l'attivazione degli airbag, ed anche nei processi spaziali ad alta velocità. Il team di ricerca di Jena ha recentemente aggiornato il suo sistema con una termocamera raffreddata FLIR ad alte prestazioni nell'ambito di un progetto congiunto di misurazione, con l'obiettivo di creare un vero e proprio sistema di imaging termico 3D in grado di registrare a velocità fino a 1000 fotogrammi al secondo.

Fraunhofer IOF - soluzioni con la luce

L'istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e l'ingegneria di precisione (IOF, www.iof.fraunhofer.de) di Jena si occupa di ricerca applicata nel campo della fotonica e sviluppa sistemi ottici innovativi per il controllo della luce, dalla generazione e manipolazione alle applicazioni. La gamma di servizi offerti dall'istituto copre tutte le fasi del processo fotonico, dalla progettazione di sistemi opto-meccanici e opto-elettronici alla produzione di soluzioni e prototipi su specifiche del cliente. Dal 2019, l'istituto si è dotato di un sistema di termografia 3D ad alta velocità con una termocamera scientifica FLIR.

Sistema di termografia 3D

Il team IOF aveva già sviluppato un sistema di telecamere 3D ad alta velocità nel 2016. Questo sistema è composto da due telecamere monocromatiche ad alta velocità in configurazione stereo e da un proiettore GOBO, sviluppato internamente, per l'illuminazione attiva. Ora il sistema è stato completato con l'aggiunta di una termocamera. I ricercatori hanno scelto la termocamera FLIR X6900sc SLS LWIR, che opera con frame rate fino a 1000 Hz ad una risoluzione di 640 × 512 pixel.

La guida definitiva all'infrarosso per i professionisti della ricerca e sviluppoL

Aree di applicazione ed obiettivi

Lo scopo del sistema è combinare dati spaziali 3D altamente dinamici con i dati termici. I processi estremamente veloci, come un atleta in movimento, un crash test o l'attivazione di un airbag non solo presentano rapidi cambiamenti nella geometria della superficie, ma anche cambiamenti nella temperatura locale. In passato non era possibile catturare questi cambiamenti contemporaneamente. L'acquisizione di entrambi i cambiamenti è stata possibile per la prima volta con il nuovo sistema di misurazione termografica 3D ad alta velocità del Fraunhofer IOF.

Come funziona il sistema

Il sistema si basa su due telecamere monocromatiche sensibili nella banda spettrale della luce visibile (VIS). Le telecamere operano con frame rate di oltre 12.000 Hz e una risoluzione di un megapixel, anche se consentono frame rate più elevati ma a risoluzione inferiore. L'uso di due telecamere non consente, tuttavia, di produrre dati 3D significativi nella qualità desiderata. Inoltre, è necessario un sofisticato sistema di illuminazione che proietti una sequenza ultraveloce di pattern a bande. Questi pattern sono simili alle convenzionali bande sinusoidali, ma con larghezza che varia aperiodicamente.

Per ottenere l'effetto desiderato, è stata utilizzata una lastra di vetro rivestita con bande metalliche di cromo mediante deposizione da vapore. Questo pannello viene poi ruotato all'interno di un proiettore davanti all'unità ottica, fornendo così il pattern di bande necessario per l'assegnazione specifica dei pixel di entrambe le telecamere. Questo principio è chiamato proiezione GOBO (GOes Before Optics).

La combinazione dei dati 3D ricostruiti con i dati 2D della termocamera ad alta velocità FLIR X6900sc SLS consente, in pratica, di ottenere immagini termiche tridimensionali ad alta velocità.

La FLIR X6900sc SLS opera nella banda dell'infrarosso a onde lunghe e quindi non è sensibile nella banda delle lunghezze d'onda del visibile e dell'infrarosso vicino, in cui la lampada del proiettore GOBO emette radiazione. Poiché anche il riscaldamento dell'oggetto causato dai pattern sinusoidali aperiodici proiettati è insignificante, il proiettore GOBO non ha alcuna influenza sull'immagine termica.

Misurazioni e calcolo dei dati

Le due telecamere e la termocamera registrano i dati delle immagini
simultaneamente durante la misurazione. I dati acquisiti dalle telecamere monocromatiche, combinati con la proiezione di bande aperiodiche del proiettore GOBO, producono l'immagine 3D REALE, per la quale vengono normalmente calcolate sequenze di 10 coppie di immagini per formare un'immagine 3D. Questa "ricostruzione 3D" si traduce in una geometria spaziale, a cui vengono sovrapposti i dati delle immagini termiche acquisiti dalla termocamera FLIR LWIR per assegnare valori di temperatura alle coordinate spaziali nel processo di mappatura.

Calibrazione

Naturalmente, il sistema composto da telecamere VIS e da una termocamera LWIR deve essere calibrato prima della misurazione. A questo scopo, il team IOF utilizza una scheda di calibrazione con una griglia regolare di cerchi vuoti e pieni. Per garantire che queste strutture possano essere rilevate sia nel VIS che nel LWIR anche con una distribuzione omogenea della temperatura, per i cerchi e lo sfondo sono stati selezionati materiali con gradi di riflessione (VIS) ed emissività (LWIR) molto diversi tra di loro. I ricercatori di Jena hanno trovato una soluzione a questo problema con l'uso di circuiti stampati. Così facendo, hanno sviluppato un circuito stampato molto insolito, costituito da una griglia regolare di cerchi vuoti e pieni al posto delle piste tra i componenti elettrici.

Risultati della misurazione airbag e basket

Il sistema è stato collaudato in vari scenari. Uno scenario consisteva in un giocatore di basket che dribblava una palla (azione che non solo deforma la palla, ma provoca anche un innalzamento termico).

Un'altra possibile applicazione è la misurazione dello sviluppo della temperatura e la rappresentazione spaziale dell’attivazione di un airbag. Il sistema ha registrato il processo ad alta velocità a una distanza di 3 m per mezzo secondo. Combinando i dati tridimensionali con le informazioni di imaging termico, è emerso chiaramente non solo quanto l'airbag si è surriscaldato in seguito alla sua attivazione, ma anche in quale preciso momento e con quali coordinate spaziali. Tali informazioni possono contribuire a ridurre e prevenire il rischio di lesioni per i conducenti causate dall'attivazione dell'airbag.

Conculsioni e prospettive

Martin Landmann del team di ricerca dell'IOF è certo che sono molteplici le applicazioni della combinazione di dati 3D ad alta risoluzione e immagini termografiche ad alta velocità. "Possono, ad esempio, e essere ottenute informazioni utili osservando i crash test, indagando sui processi di deformazione e di attrito, o su eventi estremamente veloci e rilevanti dal punto di vista termico, come l'esplosione in caso di attivazione di un airbag o in quadro elettrico", spiega Martin Landmann. Egli sottolinea che il sistema è in costante sviluppo e ottimizzazione. Pertanto, possiamo aspettarci di vedere in futuro ulteriori e innovativi risultati di ricerca da parte del team della Fraunhofer IOF.

La guida definitiva all'infrarosso per i professionisti della ricerca e sviluppoL