High-Speed-Prüfung mit SLS-Infrarotkameras beim Autotest

| Autor / Redakteur: Thomas Jung * / Kristin Rinortner

IR-Kameras: Kameras mit SLS-Detektoren können Bilder mit einer Geschwindigkeit von 1000 Bildern pro Sekunde aufnehmen. Die High-Speed IR-Prüfung wird damit sicherer. Im Bild zu sehen ist eine Aufnahme eines Dieselmotors während der Zündung.
IR-Kameras: Kameras mit SLS-Detektoren können Bilder mit einer Geschwindigkeit von 1000 Bildern pro Sekunde aufnehmen. Die High-Speed IR-Prüfung wird damit sicherer. Im Bild zu sehen ist eine Aufnahme eines Dieselmotors während der Zündung. (Bilder: Flir)

Der Artikel gibt eine Übersicht zu den gängigen IR-Kameras und ihren Vor- und Nachteilen sowie Grenzen in der High-Speed-Prüfung bewegter und sich schnell erwärmender Objekte.

Die Temperaturmessung an sich schnell bewegenden Objekten ist eine wahre Herausforderung. Traditionelle Methoden der Temperaturmessung wie etwa Thermoelemente sind hier nicht praktikabel. Die berührungslosen Methoden der Temperaturmessung, wie z. B. Punkt-Pyrometer, reagieren für genaue Messungen zu langsam.

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. Für eine genaue Temperaturmessung bei sich extrem schnell bewegenden Objekten ist eine gekühlte Wärmebildkamera mit kurzer Belichtungszeit und hoher Bildrate notwendig. Nachfolgend werden verschieden Detektortypen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen diskutiert.

Thermischer Detektor versus Quantendetektor

Der Unterschied zwischen thermischen Detektoren und Quantendetektoren besteht in der Art, 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 sich in einer Widerstandsänderung äußert. Vorteilhaft bei ungekühlten Mikrobolometer-Kameras sind Haltbarkeit, Portabilität und niedriger Preis.

Nachteilig sind langsame Bildraten – etwa 60 Bilder pro Sekunde – und langsame Reaktionszeiten (Zeitkonstante). Aus diesem Grund können ungekühlte Mikrobolometer kein scharfes Bild eines sich schnell bewegenden Objekts erzeugen. Stattdessen führen die langsame Bildrate und Reaktionszeit zu Unschärfen im Bild und letztlich zu ungenauen Temperaturmessungen. Kleine Bildraten verhindern zudem, dass Kameras Objekte, die sich schnell erwärmen, genau charakterisieren können.

Im Vergleich dazu basieren Quantendetektoren, die aus Indium-Antimonid (InSb), Indium-Gallium-Arsenid
(InGaAs) oder SLS (Strained Layer Superlattice) bestehen, auf dem Fotoeffekt. Durch die Kühlung sind diese Detektoren sehr empfindlich gegenüber Infrarotstrahlung. Einige detektieren Temperaturunterschiede von weniger als 18 mK oder 0,018 °C. Darüber hinaus reagieren Quantendetektoren innerhalb von µs auf Temperaturschwankungen anstatt innerhalb von mehreren Millisekunden.

Aufgrund der Kombination aus kurzen Belichtungszeiten und hohen Bildraten sind Quantendetektoren ideal für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur genauen Temperaturmessung sowie zur Charakterisierung des zeitlichen Temperaturanstiegs bei sich schnell aufheizenden Objekten geeignet. In der Regel sind diese Kameras allerdings teurer und größer als ungekühlte Mikrobolometer-Kameras.

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 Bilder erforderlich ist. Ein weiteres Kriterium ist die Integrationszeit, d.h., wie lange die Kamera benötigt, um die Daten für jedes dieser Bilder zu erfassen.

Die Integrationszeit kann analog zur Verschlusszeit einer Digitalkamera betrachtet werden. 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 A/D-Wandler (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/s. Die meisten Kameras mit geringer Leistung verfügen über vier Kanäle und arbeiten mit Pixeltaktfrequenzen unter 50 MP/s.

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 Strahlung, 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 alten Read Out Integrating Circuits (ROIC) – bei niedrigen Füllmengen nichtlinear arbeiten. Dies verursachte eine Farbungleichförmigkeit, was eine schlechte Bildqualität und fragwürdige Genauigkeiten bei der Temperaturmessung zur Folge hatte. Dank des ROIC-Designs der nächsten Generation bieten die Detektoren eine Linearität bis zu niedrigen Füllmengen und ermöglichen präzise Messungen bei hohen Geschwindigkeiten (kurze Integrationszeiten) bei kälteren Messobjekten. Aus diesem Grund müssen moderne Hochgeschwindigkeits-Infrarotkameras mit aktuellen ROIC ausgestattet sein.

Das richtige Timing und die richtige Empfindlichkeit

Ein weiterer Faktor ist die Fähigkeit der Kamera, sich mit externen Ereignissen zu synchronisieren und auszulösen, z. B. bei der Synchronisation mit einer rotierenden Bremsscheibe oder dem Zünden eines Verbrennungsmotors. Wenn ein Kamerasystem über eine interne Uhr betrieben wird, werden der Integrationsstartpunkt des Detektors und die Datenausgabe über diese Uhr eingestellt. Stimmt das System nicht exakt mit der Integrationszeit überein, verpasst man einen Teil oder sogar das gesamte Ereignis.

Mit seperatem Triggern lassen sich die Aufnahmen besser synchronisieren, da Startzeit und die Bildrate sehr genau überwacht werden. Kameras mit ungekühltem Mikrobolometer-Detektor bieten diese Möglichkeit nicht, da sie über thermische Widerstände verfügen, die nicht extern gesteuert werden können. Dies ist ein weiterer Grund, warum ein Photonen zählender Detektor für Hochgeschwindigkeits-Temperaturprüfungen unerlässlich ist.

Ein wesentlicher Vorteil gekühlter IR-Kameras ist die Empfindlichkeit. Die gekühlten Kameras detektieren kleine Temperaturschwankungen von 0,02 °C. In der Regel haben ungekühlte Kameras eine Empfindlichkeit von ca. 0,03 °C. Auch wenn 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. So lassen sich kleine Hot Spots besser identifizieren.

Vorteile der langwelligen IR-Technologie

Der Vorteil von ungekühlten Mikrobolometern ist, dass sie langwellige Infrarot-Strahlung 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 Ladungserzeugung zu sammeln.

Das bedeutet, 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. SLS-Detektoren erfassen langwellige IR-Strahlung im Spektralbereich von 7,5 bis 9,5 μm. Da mehr Photonen erfasst werden, haben SLS-Detektoren extrem kurze Integrationszeiten, die bis zu 12 mal schneller als bei InSb-Detektoren sind, die im Mittelwellenband arbeiten.

SLS-Detektoren wandeln also Photonen in Elektronen wesentlich effizienter um als andere Quantendetektoren und bieten einen höheren Wärmekontrast bei der Abbildung kalter Objekte. Die Vorzüge der SLS-Detektoren sind wesentlich größere Temperaturmessbereiche und bedeutend kürzere Belichtungszeiten. Das bietet Vorteile, wenn sich das Messobjekt über einen großen Temperaturbereich aufheizt oder sich sehr schnell bewegt.

Wärmebildtechnik in Konstruktion und Test

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 Bilder, damit Forscher die Temperatur genau messen und ihre Produkte thermisch charakterisieren können.

* Thomas Jung ist Vertriebsdirektor Mittel- und Osteuropa bei Flir in Frankfurt.

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