IR-Technologien der nächsten Generation lösen Herausforderungen im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Automobilprüfung

Hochgeschwindigkeits-Infrarotkameras ermöglichen eine bessere Prüfung in der Entwurfsphase

Die Produktforschung und Produktentwicklung für Verbrennungsmotoren, Bremsscheiben und Reifen sowie Hochgeschwindigkeits-Airbags sind nur einige der Bereiche, die tatsächlich von den Prüfungen zur thermischen Charakterisierung mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit profitieren. Leider sind herkömmliche Methoden der berührenden Temperaturmessung wie Thermoelemente nicht geeignet, um an sich bewegenden Objekten angebracht zu werden. Berührungslose Methoden der Temperaturmessung wie Punktpistolen – und sogar aktuelle Infrarotkameras – sind einfach nicht schnell genug, um eine Stop-Motion-Aufnahme bei diesen Hochgeschwindigkeitszielen durchzuführen und somit genaue Temperaturmessungen zu ermöglichen.

Ohne die entsprechenden Werkzeuge für eine angemessene Temperaturmessung und -prüfung geht den Konstrukteuren im Automobilbau wertvolle Zeit verloren und die Gefahr bestehende Mängel nicht zu erkennen, die zu gefährlichen Produkten und kostspieligen Rückrufaktionen führen können, steigt. So riefen beispielsweise US-amerikanische Automobilhersteller kürzlich Millionen von Autos, SUVs und Lastwagen wegen fehlerhafter Airbags zurück, bei denen die Defekte von Mikrorissen in Passagieraktivierungssystemen bis hin zu defekten Inflatoren reichten. Diese fehlerhaften Systeme sind nicht nur gefährlich für die Fahrer, sondern auch schädlich für die Hersteller, die mit Klagen, Geldbußen und dem Verlust des öffentlichen Vertrauens konfrontiert werden.

Die nächste Generation der Infrarotkamera-Technologien bietet den Ingenieuren eine Lösung. Diese Kameras verfügen über hochauflösende Detektoren mit einer Auflösung von 640 x 512 Pixeln, die Bilder mit einer Geschwindigkeit von 1000 Bildern pro Sekunde aufnehmen können. Darüber hinaus bieten neuere Detektormaterialien, wie Materialien mit verspannter Schicht (SLS), große Temperaturbereiche mit einer Kombination aus großer Gleichmäßigkeit und Quanteneffizienz, die über die früheren MCT- und QWIP-Detektormaterialien hinausgeht. Diese neuartigen Technologien sowie die Möglichkeit zur Synchronisierung und Fernauslösung ermöglichen es Ingenieuren und Technikern, die Herausforderungen im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Automobilprüfung zu meistern.

Hochgeschwindigkeits-Herausforderung

Die Temperaturmessung an sich schnell bewegenden Objekten ist eine wahre Herausforderung. Traditionelle Methoden der Temperaturmessung wie etwa Thermoelemente sind bei sich bewegenden Systemen nicht praktikabel. Die berührungslosen Methoden der Temperaturmessung, wie z. B. Punkt-Pyrometer, verfügen nicht über die erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeiten, um genaue Messungen an sich schnell bewegenden Objekten durchzuführen oder ein Hochgeschwindigkeitsziel thermisch genau zu charakterisieren.

Infrarotkameras mit ungekühlten Mikrobolometer-Detektoren sind auch bei extrem hohen Geschwindigkeiten nicht in der Lage, die Temperatur exakt zu messen. Diese Kameras haben lange Belichtungszeiten, die zu Unschärfen im Wärmebild führen. Um genaue Temperaturmessungen bei sich extrem schnell bewegenden Objekten zu visualisieren und durchzuführen, benötigen Sie eine gekühlte Wärmebildkamera mit kurzer Belichtungszeit und hoher Bildrate. Lassen Sie uns beide Detektortypen untersuchen, um die Vor- und Nachteile eines jeden Detektors in Bezug auf die thermische Hochgeschwindigkeitsmessung besser zu verstehen.

Thermische Detektoren gegenüber Quantendetektoren

Der Unterschied zwischen thermischen Detektoren und Quantendetektoren besteht in der Art und Weise, wie der Sensor Infrarotstrahlung in Daten umwandelt. Thermische Detektoren wie ungekühlte Mikrobolometer reagieren auf einfallende Strahlungsenergie. Infrarotstrahlung erwärmt die Pixel und erzeugt eine Temperaturänderung, die in einer Widerstandsänderung reflektiert wird. Die Vorteile von ungekühlten Mikrobolometer-Kameras sind Haltbarkeit, Portabilität und niedriger Preis. Die Nachteile sind jedoch langsame Bildraten – etwa 60 Bilder pro Sekunde – und langsame Reaktionszeiten (Zeitkonstante). Aus diesem Grund können ungekühlte Mikrobolometer kein scharfes Stop-Motion-Bild eines sich schnell bewegenden Objekts erzeugen. Stattdessen führen die langsame Bildrate und Reaktionszeit zu Unschärfen im Bild und letztlich zu ungenauen Temperaturmessungen. Langsame Bildraten verhindern zudem, dass diese Kameras Objekte, die sich schnell erwärmen, genau charakterisieren können.

Im Vergleich dazu sind Quantendetektoren, die aus Indium-Antimonid (InSb), Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) oder SLS bestehen, photovoltaisch. Die kristallinen Strukturen der Detektoren absorbieren Photonen, die ihre Elektronen in einen höheren Energiezustand bringen. Dies führt zu einer Veränderung der Leitfähigkeit des Materials. Die Kühlung dieser Detektoren macht sie sehr empfindlich gegenüber Infrarotstrahlung, wobei einige in der Lage sind, Temperaturunterschiede von weniger als 18 mK oder 0,018 °C zu erkennen. Darüber hinaus reagieren Quantendetektoren innerhalb von Mikrosekunden auf Temperaturschwankungen statt innerhalb von mehreren Millisekunden. Aufgrund dieser Kombination aus kurzen Belichtungszeiten und hohen Bildraten sind Quantendetektoren ideal für Stop-Motion-Aufnahmen bei Hochgeschwindigkeitszielen zur genauen Temperaturmessung sowie zur korrekten Charakterisierung des zeitlichen Temperaturanstiegs bei schnell aufheizenden Zielen geeignet. In der Regel sind diese Kameras teurer und typischerweise größer als ungekühlte Mikrobolometer-Kameras: Faktoren, die einige Forschungsteams möglicherweise berücksichtigen müssen.

Hohe Bildraten alleine reichen nicht aus

Wie bereits erwähnt, ist die Fähigkeit, Hunderte oder Tausende von Bildern pro Sekunde aufzunehmen, nur ein Teil dessen, was für Stop-Motion-Aufnahmen erforderlich ist. Ein weiteres Kriterium ist die Integrationszeit oder anders ausgedrückt, wie lange die Kamera benötigt, um Daten für jedes dieser Bilder zu erfassen.

Die Integrationszeit ist analog zur Verschlusszeit einer Digitalkamera. Wenn der Verschluss zu lange geöffnet bleibt, erscheint jede Bewegung im aufgenommenen Bild unscharf und verschwommen. Auch bei IR-Kameras mit langen Integrationszeiten werden unscharfe Bewegungen aufgezeichnet. Ein hüpfender Ball sieht zum Beispiel aus wie ein Komet – er zieht eine Bewegungsspur hinter sich her.

Die Anzahl der Analog-Digital-Wandler oder Kanäle einer Kamera sowie die Fähigkeit, Pixel mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten, sind ebenfalls wichtig. Hochgeschwindigkeits-IR-Kameras haben in der Regel mindestens 16 Kanäle und eine Verarbeitungsgeschwindigkeit – oder Pixeltaktfrequenz – von mindestens 200 MP/Sek. Die meisten Kameras mit geringer Leistung verfügen über vier Kanäle und arbeiten mit Pixeltaktfrequenzen unter 50 MP/Sek.

Die Temperatur des Messobjektes kann sich auf die Integrationsgeschwindigkeit und letztlich auf die digitale Zählung auswirken. Die Kamera wandelt digitale Zählwerte in Strahlungswerte um, die für die Temperaturmessungen des Zielobjekts verwendet werden. Heißere Messobjekte emittieren mehr Strahlungsenergie, also mehr Photonen, während kältere Messobjekte weniger Photonen emittieren. Die Herausforderung besteht darin, die Temperatur auf kälteren Messobjekten bei hohen Bildraten genau zu messen, da schnelle Bildraten kürzere Integrationszeiten erfordern.

Erschwerend kommt hinzu, dass ältere Detektoren – mit Read Out Integrating Circuits (ROIC) der vorherigen Generation – bei niedrigen Füllmengen nichtlinear waren. Dies führte zum Versagen der Farbungleichförmigkeitskorrektur, was eine schlechte Bildqualität und fragwürdige Temperaturmessgenauigkeit zur Folge hatte. Dank des ROIC-Designs der nächsten Generation bieten die Detektoren eine Linearität bis zur niedrigen Füllmenge und ermöglichen präzise Messungen bei hohen Geschwindigkeiten (kurze Integrationszeiten) bei kälteren Messobjekten. Aus diesem Grund ist es für eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera von entscheidender Bedeutung, eine ROIC der nächsten Generation mit linearem Ansprechverhalten bei niedriger Füllmenge zu besitzen.

Das richtige Timing

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Fähigkeit der Kamera, sich mit externen Ereignissen zu synchronisieren und auszulösen, z. B. bei der Synchronisation mit einer rotierenden Bremsscheibe oder der Zündung eines Verbrennungsmotors. Wenn ein Kamerasystem über eine interne Uhr betrieben wird, werden der Integrationsstartpunkt des Detektors und die Datenausgabe über die Uhr eingestellt. Wenn das System nicht exakt mit der Integrationszeit übereinstimmt, könnte man einen Teil oder sogar das gesamte Ereignis verpassen. Ein separater Auslösemechanismus kann Ihnen bei der Synchronisation von Aufnahmen helfen, indem er die Integrationsstartzeit und die Bildrate sehr genau überwacht. Kameras mit ungekühltem Mikrobolometer-Detektor bieten diese Möglichkeit nicht, da sie über thermisch resistive Elemente verfügen, die nicht extern gesteuert werden können. Dies ist ein weiterer Grund, warum eine Photonenzähl-Detektorkamera für Hochgeschwindigkeits-Temperaturprüfungen unerlässlich ist.

Eine hohe Empfindlichkeit ist entscheidend

Ein wesentlicher Vorteil gekühlter IR-Kameras ist die Empfindlichkeit. Die gekühlten Kameras können subtile Temperaturschwankungen von nur 0,02 °C erkennen. Typischerweise haben ungekühlte Kameras eine Empfindlichkeit von ca. 0,03 °C. Obwohl der Unterschied von 0,01 °C nur gering erscheinen mag, stellt er eine Verbesserung der Empfindlichkeit um 30 % dar. Die gekühlte Kamera erzeugt nicht nur weniger digitales Rauschen, sondern auch ein feineres Bild. Die Fähigkeit, derartige subtile Temperaturschwankungen zu erkennen, hilft Ihnen, kleine Hot Spots besser zu identifizieren.

Vorteile der langwelligen IR-Technologie

Der einzige Vorteil von ungekühlten Mikrobolometer-Kameras ist, dass sie langwelliges Infrarot im Spektralbereich von 7,5 bis 14 μm erfassen können. Durch das Langwellenband strömen mehr Photonen als durch das Kurzwellen- oder Mittelwellenband, was bedeutet, dass ein Quantendetektor weniger Zeit benötigt, um genügend Photonen zur Erzeugung einer Ladung zu erfassen. Konkret bedeutet das, dass ein Schwarzkörper bei 30 °C beinahe das 10-fache an Photonen im Bereich von 8 bis 9 μm emittiert als im Bereich von 4 bis 5 μm. Typischerweise arbeiten Quantendetektoren im kurz- bis mittelwelligen Infrarotbereich. Detektoren aus Materialien mit verspannter Schicht (SLS) erfassen jedoch langwelliges Infrarot im Spektralbereich von 7,5 bis 9,5 μm. Da mehr Photonen erfasst werden können, verfügen SLS-Detektoren über extrem kurze Integrationszeiten – bis zu 12 mal schneller als InSb-Detektoren.

Sie sind bei der Umwandlung von Photonen in Elektronen wesentlich effizienter als andere Quantendetektoren und bieten einen höheren Wärmekontrast bei der Abbildung kalter Objekte. Die Vorteile der LWIR SLS-Detektoren sind wesentlich größere Temperaturmessbereiche und bedeutend kürzere Belichtungszeiten, die Ihnen helfen können, wenn sich Ihr Messobjekt über einen weiten Temperaturbereich aufheizt oder sich räumlich sehr schnell bewegt.

Erfolg bedeutet Sicherheit

Durch die Einbeziehung der Wärmebildtechnik in die Konstruktions- und Prüfphasen des Automobilbaus können Forschungs- und Entwicklungsteams Schwachstellen leichter erkennen und die Produktleistung und Produktsicherheit allgemein verbessern. Allerdings können die Art der Kamera und ihre Eigenschaften einen Einfluss auf den Bildgebungserfolg haben. Die Wahl einer gekühlten Wärmebildkamera mit der höchsten verfügbaren Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Integrationszeit ermöglicht es Forschern, Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen genau zu verfolgen. Diese Kameras liefern darüber hinaus gestochen scharfe, detaillierte Stop-Motion-Bilder, damit Forscher die Temperatur genau messen und ihre Produkte thermisch charakterisieren können. So lässt sich der genaue Zeitpunkt des Auftretens eines Problems ermitteln.