La integración de dispositivos de imágenes térmicas en la vigilancia de seguridad, un logro importante en la tecnología de vigilancia, depende en gran medida de la precisión de sus procesos de fabricación y mecanizado. Esta mirada en profundidad profundiza en el complejo mundo de los componentes de imágenes personalizados y destaca el papel central del mecanizado en la producción de dispositivos de imágenes térmicas infrarrojas. Desde las carcasas de lentes maquinadas por expertos hasta los detectores de infrarrojos personalizados, la fabricación de cada componente es fundamental para mejorar las medidas de seguridad.
Este artículo no solo analiza la compleja composición del sistema y los mecanismos operativos de los dispositivos de imágenes, sino que también destaca las consideraciones de diseño clave y los desafíos involucrados en la fabricación de estos sofisticados componentes de imágenes.
Composición del sistema de cámaras de seguridad con imagen térmica.
Las cámaras termográficas son fundamentales para la vigilancia de seguridad moderna y constan de varios componentes termográficos importantes que mejoran la funcionalidad.
1. Lente y óptica
La lente de una cámara termográfica puede enfocar energía infrarroja en el sensor. El diseño y el material de la lente determinan el campo de visión (FOV) y la extensión de la escena capturada por la cámara. Teniendo en cuenta factores como el diámetro de la lente, la distancia focal y las roscas de montaje, los conjuntos de lentes de los dispositivos de imágenes deben personalizarse para adaptarse a tamaños y formas de lentes específicos.
El mecanizado de torno-fresa es el proceso de fabricación principal de los componentes del dispositivo de imágenes, lo que garantiza no solo la precisión sino también la alineación adecuada dentro del dispositivo de imágenes. La personalización de la carcasa de la lente resalta la importancia de cada componente individual en la producción de dispositivos de imágenes térmicas.
2. El detector
El detector de infrarrojos es el componente principal de las cámaras térmicas infrarrojas y es el principal responsable de detectar la energía infrarroja. La resolución del detector, determinada por su configuración de píxeles, afecta directamente al nivel de detalle y precisión de la imagen térmica.
Además, la sensibilidad térmica del detector, o diferencia de temperatura equivalente al ruido (NETD), es una especificación importante que refleja la capacidad de la cámara para detectar diferencias mínimas de temperatura. Esta configuración permite la detección de pequeñas diferencias de temperatura tan pequeñas como 0,01°C, mostradas usando diferentes paletas de colores.
Otro aspecto importante es el rango espectral. La mayoría de las cámaras térmicas funcionan en el rango espectral de onda larga de 8 a 14 µm y, por tanto, son adecuadas para numerosas aplicaciones, desde inspección eléctrica hasta extinción de incendios.
3. Procesamiento y análisis de imágenes.
El componente final es el procesamiento y análisis de los datos infrarrojos capturados. Los dispositivos termográficos modernos cuentan con tecnologías para corregir las irregularidades de la imagen, reducir el ruido y mejorar los pseudocolores. Estas técnicas de procesamiento refinan los datos térmicos sin procesar y mejoran la calidad y legibilidad de la imagen.
Se utilizan algoritmos sofisticados para interpretar datos térmicos, lo que permite a la cámara distinguir entre objetos y fondos y detectar anomalías o firmas térmicas específicas. Las cámaras térmicas que utilizan este principio pueden funcionar en oscuridad total o en entornos llenos de humo porque dependen de firmas de calor en lugar de luz visible. Estos datos procesados son esenciales para tomar decisiones informadas en el monitoreo de seguridad y otras aplicaciones.
Consideraciones al diseñar dispositivos de imágenes térmicas
Al diseñar dispositivos de imágenes térmicas, se requiere atención cuidadosa en la selección de materiales, acabado superficial y ensamblaje de piezas mecanizadas. Esta sección explora estos aspectos con más detalle, destacando los detalles técnicos y la precisión necesarios para un rendimiento óptimo.
Selección de materiales para la fabricación de dispositivos termográficos.
Al fabricar dispositivos de imágenes térmicas, se debe tener en cuenta la durabilidad, la construcción liviana y la resistencia al impacto al elegir materiales para carcasas y componentes.
- Aluminio: comúnmente utilizado en equipos de procesamiento de imágenes porque es liviano, tiene excelentes propiedades de disipación de calor y durabilidad. El aluminio es ideal para mecanizar componentes de imágenes porque puede minimizar el peso manteniendo la estabilidad térmica.
- Aleación de magnesio: debido a su alta relación resistencia-peso, se eligen para piezas mecanizadas de componentes de imágenes. Las aleaciones de magnesio exhiben una excelente conductividad térmica y propiedades mecánicas y cumplen con los requisitos de los dispositivos de imágenes personalizados.
- Plásticos técnicos y polímeros: se utilizan polímeros de alta calidad debido a su construcción ligera, buen aislamiento térmico y resistencia a golpes, productos químicos e influencias ambientales. Estos materiales brindan durabilidad y protección adicionales contra influencias externas, asegurando la longevidad y confiabilidad del dispositivo.
- Aleación de titanio: las aleaciones de titanio se valoran por su excepcional resistencia, resistencia a la corrosión y peso ligero. Son ideales para aplicaciones que requieren durabilidad y peso mínimo, aumentando la robustez general de los dispositivos de imágenes.
Para cumplir con estrictas especificaciones dimensionales en la fabricación de dispositivos de imágenes, se utiliza electroerosión y mecanizado de 5 ejes. Técnicas como el marcado y el corte por láser siempre se utilizan para requisitos de diseño complicados y una fabricación precisa.
La selección del material juega un papel importante en la producción de dispositivos termográficos individuales. Combinados con técnicas modernas de mecanizado, estos materiales se transforman en componentes que mejoran la funcionalidad y durabilidad de los dispositivos de imágenes térmicas.
Acabado superficial para componentes de imágenes mecanizados
Al mecanizar dispositivos de imágenes, la calidad de la superficie de alta calidad en el estado de mecanizado garantiza un rendimiento óptimo del dispositivo, como conjuntos de lentes o carcasas estructurales.
Los recubrimientos anodizados o de película química no solo pueden mejorar la resistencia a la corrosión sino también aumentar la emisividad térmica, lo cual es crucial para los componentes de los dispositivos de imágenes expuestos a la radiación infrarroja.
La oxidación dura mejora la dureza de la superficie del aluminio y la resistencia al desgaste, lo que lo hace adecuado para entornos hostiles. Este proceso también mejora la resistencia a la corrosión y las propiedades de aislamiento térmico del material, que son esenciales para la estabilidad y longevidad de los dispositivos de imágenes térmicas.
En aplicaciones militares, la durabilidad de estos componentes se puede aumentar aún más con pintura en aerosol de grado militar, lo que garantiza resistencia en condiciones extremas.
Prueba de montaje de piezas de equipos de imágenes.
Cualquier desalineación o defecto de ensamblaje puede afectar la precisión y la sensibilidad.
Un aspecto crítico de las pruebas de ensamblaje es garantizar la estanqueidad y el ajuste de los componentes. Un sellado adecuado es esencial para la protección IP67. La clasificación IP67 significa que el dispositivo está totalmente protegido contra la entrada de polvo y puede soportar la inmersión temporal en agua, lo que lo hace adecuado para una variedad de condiciones ambientales exigentes.
Las pruebas de resistencia a las vibraciones y absorción de impactos garantizan la confiabilidad del sensor en entornos con fuertes vibraciones y posibles impactos.
Las tablas y gráficos que se muestran en esta figura ilustran las pruebas realizadas en sensores de temperatura flexibles para evaluar su resistencia a golpes y vibraciones. Las pruebas de vibración expusieron el sensor a frecuencias de 10 Hz a 2000 Hz y monitorearon la salida en diversas condiciones. La prueba de impacto evaluó la capacidad del sensor para soportar una fuerza de 100 g, simulando un impacto repentino. Los resultados, incluida la salida del sensor en tiempo real y la estabilidad de la temperatura (129 °C-130 °C), demostraron la robustez del sensor ante la tensión mecánica.
Por último, los dispositivos de imágenes térmicas suelen estar sujetos a diversas pruebas ambientales en las que se exponen a diferentes temperaturas, humedad y otros factores ambientales para garantizar que funcionen eficazmente en diferentes condiciones.
¿Cómo se fabrican los dispositivos de imágenes térmicas?
El sistema multisensor de mejora de la visibilidad del conductor es un sistema de imágenes multibanda que se puede montar en vehículos terrestres, marítimos y aéreos, lo que permite inspecciones más eficientes y frecuentes de sitios y equipos para grandes infraestructuras críticas y sitios industriales pesados. Por lo general, combina sensores digitales para brindar un conocimiento adecuado de la situación en la oscuridad, el humo, el smog, la niebla y otras perturbaciones atmosféricas que normalmente son invisibles a simple vista. Este dispositivo de imágenes multisensor montado en drones industriales permite observaciones visuales y térmicas de corto alcance, minimizando los riesgos operativos y de seguridad.
Este dispositivo de imágenes multisensor se compone principalmente de un sistema de sensores, un sistema de análisis de datos, una estructura metálica principal y una carcasa exterior. El sistema de sensores detecta y recopila señales características del entorno externo mediante componentes sensores con diferentes propiedades. El sistema de análisis de datos se encarga de combinar, analizar y generar la información recopilada por el sistema de sensores. La estructura metálica desempeña un papel en la seguridad y protección de los componentes del sistema de sensores y del sistema de análisis de datos. La carcasa externa actúa como armadura para todo el sistema, aislando los componentes internos del ambiente externo a través de un sello entre las partes, minimizando así el impacto del ambiente externo en el sistema de detección y el sistema de análisis de datos.
En este apartado presentamos un caso de estudio de adaptación de la estructura metálica principal de un sistema de visión multisensor para instalaciones industriales pesadas.
1. Requisitos de materiales para procesar la estructura metálica principal.
El sistema de visión mejorada del conductor con múltiples sensores se monta comúnmente en vehículos terrestres, marítimos y aéreos. Puede estar expuesto a entornos extremos, como calor extremo, frío extremo, humedad, sequedad, gases oxidativos y corrosivos, y bajo el agua, así como a escenarios de uso de alta intensidad, como vibraciones y golpes. Esto impone altas exigencias en cuanto a resistencia, dureza, resistencia a la corrosión y densidad aparente de los materiales.
Bajo tales requisitos, la aleación de aluminio 6061-T6 es una de las mejores opciones. No solo cumple bien con los requisitos de los escenarios de aplicación anteriores, sino que también tiene ventajas de costos sobre las aleaciones de magnesio y titanio en términos de costos de material y procesamiento.
2. Análisis de diseño y selección del proceso de mecanizado.
Antes de seleccionar la tecnología de procesamiento, debemos analizar cuidadosamente los dibujos del producto y la estructura de ensamblaje de las piezas.
La estructura del marco que se muestra en la figura consta de 6 partes: placa de soporte de PCB frontal, placa de soporte de PCB trasera, soporte de PCB superior, soporte de PCB inferior, soporte de detector TI y soporte de EO.
- Prevención de deformaciones al procesar placas y soportes de PCB
Primero, echemos un vistazo a las placas portadoras y los soportes de PCB. Como podemos ver en la imagen, las zonas rojas son las superficies de montaje, y las superficies de las piezas están destinadas a alinearse entre sí, que luego se aprietan con tornillos. Por lo tanto, encontramos un requisito de tolerancia posicional de paralelismo de 0,01 para estas cuatro partes en las posiciones correspondientes de los dibujos.
La deformación es el problema más común al mecanizar piezas planas y delgadas. A medida que las propiedades estructurales de los materiales cambian durante el proceso de mecanizado, el equilibrio de tensión entre las moléculas del material también se altera, lo que significa que los perfiles pueden deformarse y deformarse fácilmente.
Generalmente hay dos formas de resolver este problema:
El primer método consiste en añadir un proceso de estabilización por tratamiento térmico antes del acabado final. Este método se utiliza generalmente en piezas estructurales complejas que requieren una precisión extremadamente alta.
El segundo método consiste en reducir la velocidad de avance para cada mecanizado y aumentar los tiempos de mecanizado. De esta forma, la tensión en el material se puede reducir de forma gradual y lenta. Este método es aplicable a piezas con una estructura relativamente simple.
En este caso específico, estas cuatro piezas se pueden mecanizar utilizando la lógica del segundo método, y se pueden cumplir los requisitos de precisión de las piezas controlando al mismo tiempo el coste de mecanizado para el cliente.
- Soporte de sensores
El soporte del detector TI y el soporte EO son para piezas del sensor. Las piezas del sensor detectan y recopilan señales características del entorno externo. La desviación del ángulo de instalación y la posición de los componentes del sensor puede afectar la precisión de los datos de entrada. Para garantizar una instalación precisa de las piezas, se deben imponer altos requisitos a la precisión de la posición de instalación de las piezas.
- Procesamiento del titular de EO
El soporte EO es la caja CMOS Low Lux. La precisión de la posición de montaje es fundamental para los sistemas de imágenes. Como podemos ver en el dibujo, la precisión posicional de la posición de montaje del sensor EO violeta está definida por la superficie amarilla A y la superficie roja B, y se propone un requisito de precisión de 0,01 mm. La precisión del diámetro del área violeta es de +0,02 a +0,05, lo que no sólo permite un montaje suave, sino que también limita eficazmente la vibración del sensor en la posición de montaje.
El procesamiento del titular de EO se lleva a cabo en tres etapas:
- Primero, procese rápidamente la superficie rugosa de las piezas para ahorrar tiempo de mecanizado de precisión en los pasos posteriores.
- En el segundo proceso de sujeción, las áreas amarilla, roja y violeta se procesan en una sola pasada mediante el proceso combinado de torneado y fresado, de modo que estas tres características de posición puedan cumplir con los requisitos de exactitud de posición y precisión en el dibujo.
- Finalmente, las características estructurales restantes se procesan en la tercera ronda. Es necesario diseñar dispositivos adecuados para evitar la deformación de las piezas.
- Proceso de mecanizado del soporte del detector TI
El soporte del detector TI es la carcasa de la cámara termográfica o cámara SWIR. En el dibujo podemos ver que se proporcionan cuatro orificios para la fijación de las piezas principales. En este caso particular la distancia entre los centros del círculo es muy importante, debemos mantener una tolerancia de ±0,01 mm. Para cumplir con estos requisitos de precisión, debemos utilizar dispositivos de sujeción adecuados para garantizar que la pieza de trabajo quede colocada plana y vertical.
Además, los dos agujeros rojos son círculos concéntricos y los dos agujeros morados son círculos concéntricos. Los círculos concéntricos deben mecanizarse en una sola pasada para garantizar la concentricidad.
3. Consideraciones sobre el acabado superficial
El tratamiento de la superficie es un paso importante que no se puede ignorar una vez completado el procesamiento de la pieza. Las piezas comunes se tratan con anodizado normal para el tratamiento de superficies. Sin embargo, para productos expuestos a ambientes extremos, el anodizado duro de grado militar III es la mejor opción.
La capa de óxido del anodizado duro de tres etapas es más gruesa, hasta 50 μm por encima de m, la textura es más densa y tiene mejor resistencia al rayado y a la corrosión.
Además de los aspectos operativos habituales que hay que tener en cuenta al anodizar, hay otras dos cosas a las que debemos prestar atención debido a las propiedades de las seis partes de la carcasa.
- Elija una presión de aire adecuada para el pulido con chorro de arena
Antes del tratamiento de oxidación, es necesario arenar la superficie de las piezas para cubrir las líneas de cuchilla creadas durante el mecanizado CNC, de modo que la superficie tenga una textura más uniforme y perfecta. El pulido con chorro de arena implica rociar perlas de vidrio sobre la superficie de una pieza utilizando un flujo de aire a alta presión, cubriendo así las marcas originales en la superficie de la pieza con marcas de pila de perlas de vidrio. Un impacto excesivo puede causar que las piezas se deformen. Por lo tanto, debemos prestar atención para ajustar la presión del flujo de aire de acuerdo con el material, la estructura y los requisitos de precisión de las piezas.
En nuestro caso concreto, estas 6 piezas se deforman con facilidad, por lo que no debemos poner la presión del aire demasiado alta.
- Retire con cuidado los residuos de metal de los agujeros ciegos.
Si los residuos de metal en el agujero ciego no se tratan a fondo, después del tratamiento de oxidación, formarán un bloque duro compacto que es difícil de quitar en el fondo del agujero ciego, lo que afectará la profundidad efectiva del agujero ciego y la rosca y afectar el ensamblaje del producto.
En nuestro caso específico, el soporte de PCB inferior y el soporte de PCB superior tienen cada uno 6 hilos no penetrantes, que son estructuras de orificio ciego. El soporte EO tiene 4 roscas no penetrantes y es una estructura de orificio ciego. Si está bloqueado por restos de metal, lo que resulta en una profundidad de rosca efectiva insuficiente, afectará seriamente el ensamblaje de las piezas.
Concluyendo
La producción y procesamiento de dispositivos termográficos, especialmente para vigilancia de seguridad, se caracteriza por una combinación armoniosa de materiales avanzados, tecnología de precisión y procesamiento de imágenes innovador. Los componentes de imágenes personalizados, desde carcasas de lentes elaboradas intrincadamente hasta algoritmos de análisis de imágenes detallados, representan lo último en tecnología de vigilancia.
Su amplia gama de usos en ámbitos que van desde la vigilancia de incendios forestales hasta la seguridad industrial destacan su versatilidad y fiabilidad. Los procesos de diseño y prueba específicos utilizados en la fabricación de estos dispositivos personalizados garantizan que cumplan con los altos estándares necesarios para soluciones de vigilancia y seguridad efectivas y confiables.
