A integração de dispositivos de imagem térmica na vigilância de segurança, uma conquista importante na tecnologia de vigilância, depende profundamente da precisão dos seus processos de fabricação e usinagem. Este exame detalhado investiga o complexo mundo dos componentes de imagem personalizados e destaca o papel central da usinagem na produção de dispositivos de imagem térmica infravermelha. Desde os invólucros das lentes habilmente usinados até os detectores infravermelhos personalizados, a fabricação de cada componente é fundamental para melhorar as medidas de segurança.
Este artigo não apenas analisa a complexa composição do sistema e os mecanismos operacionais dos dispositivos de imagem, mas também destaca as principais considerações e desafios de design envolvidos na fabricação desses sofisticados componentes de imagem.
Composição do sistema de câmeras de segurança com imagens térmicas
As câmeras de imagem térmica são fundamentais para a vigilância de segurança moderna e consistem em vários componentes importantes de imagem térmica que aprimoram a funcionalidade.
1. Lente e óptica
A lente de uma câmera de imagem térmica pode focar energia infravermelha no sensor. O design e o material da lente determinam o campo de visão (FOV) e a extensão da cena capturada pela câmera. Levando em consideração fatores como diâmetro da lente, distância focal e roscas de montagem, os conjuntos de lentes do dispositivo de imagem devem ser personalizados para acomodar tamanhos e formatos específicos de lentes.
A usinagem torno-fresadora é o principal processo de fabricação de componentes de dispositivos de imagem, garantindo não apenas a precisão, mas também o alinhamento adequado dentro do dispositivo de imagem. A personalização do alojamento da lente sublinha a importância de cada componente individual na produção de dispositivos de imagem térmica.
2. O detector
O detector infravermelho é o principal componente das câmeras termográficas infravermelhas e é o principal responsável pela detecção de energia infravermelha. A resolução do detector, determinada pela sua configuração de pixels, afeta diretamente o nível de detalhe e precisão da imagem térmica.
Além disso, a sensibilidade térmica do detector, ou diferença de temperatura equivalente a ruído (NETD), é uma especificação importante que reflete a capacidade da câmera de detectar diferenças mínimas de temperatura. Esta configuração permite a detecção de pequenas diferenças de temperatura tão pequenas quanto 0,01°C, exibidas usando diferentes paletas de cores.
Outro aspecto importante é a faixa espectral. A maioria das câmeras termográficas operam na faixa espectral de ondas longas de 8 a 14 µm e, portanto, são adequadas para inúmeras aplicações, desde inspeção elétrica até combate a incêndios.
3. Processamento e análise de imagens
O componente final é o processamento e análise dos dados infravermelhos capturados. Os modernos dispositivos de imagem térmica possuem tecnologias para corrigir irregularidades de imagem, reduzir ruídos e melhorar pseudocores. Essas técnicas de processamento refinam os dados térmicos brutos e melhoram a qualidade e a legibilidade da imagem.
Algoritmos sofisticados são usados para interpretar os dados térmicos, permitindo que a câmera distinga entre objetos e fundos e detecte anomalias ou assinaturas térmicas específicas. As câmeras térmicas que usam esse princípio podem funcionar na escuridão total ou em ambientes com fumaça porque dependem de assinaturas de calor em vez de luz visível. Esses dados processados são essenciais para a tomada de decisões informadas no monitoramento de segurança e em outras aplicações.
Considerações ao projetar dispositivos de imagem térmica
Ao projetar dispositivos de imagem térmica, é necessária atenção cuidadosa na seleção de materiais, acabamento superficial e montagem de peças usinadas. Esta seção explora esses aspectos com mais detalhes, destacando os detalhes técnicos e a precisão necessários para um desempenho ideal.
Seleção de materiais para fabricação de dispositivos de imagem térmica
Ao fabricar dispositivos de imagem térmica, deve-se levar em consideração a durabilidade, a construção leve e a resistência ao impacto ao escolher os materiais para os invólucros e componentes.
- Alumínio: Comumente usado no processamento de equipamentos de imagem porque é leve, possui excelentes propriedades de dissipação de calor e durabilidade. O alumínio é ideal para usinagem de componentes de imagem porque pode minimizar o peso e ao mesmo tempo manter a estabilidade térmica.
- Liga de magnésio: Devido à sua alta relação resistência/peso, eles são escolhidos para peças usinadas de componentes de imagem. As ligas de magnésio apresentam excelente condutividade térmica e propriedades mecânicas e atendem aos requisitos de dispositivos de imagem personalizados.
- Plásticos e polímeros de engenharia: Polímeros de alta qualidade são utilizados devido à sua construção leve, bom isolamento térmico e resistência a choques, produtos químicos e influências ambientais. Esses materiais proporcionam durabilidade e proteção adicionais contra influências externas, garantindo a longevidade e confiabilidade do dispositivo.
- Liga de titânio:As ligas de titânio são valorizadas por sua excepcional resistência, resistência à corrosão e leveza. Eles são ideais para aplicações que exigem durabilidade e peso mínimo, aumentando a robustez geral dos dispositivos de imagem.
Para atender às rigorosas especificações dimensionais na fabricação de dispositivos de imagem, são usados EDM e usinagem de 5 eixos. Técnicas como marcação e corte a laser são sempre usadas para requisitos de projeto complicados e fabricação precisa.
A seleção de materiais desempenha um papel importante na produção de dispositivos de imagem térmica individuais. Combinados com modernas técnicas de usinagem, esses materiais são transformados em componentes que melhoram a funcionalidade e durabilidade dos dispositivos de imagem térmica.
Acabamento de superfície para componentes de imagem usinados
Ao usinar dispositivos de imagem, a qualidade superficial de alta qualidade no estado de usinagem garante o desempenho ideal do dispositivo, como montagens de lentes ou invólucros estruturais.
A anodização ou os revestimentos de filmes químicos podem não apenas melhorar a resistência à corrosão, mas também aumentar a emissividade do calor, o que é crucial para componentes em dispositivos de imagem expostos à radiação infravermelha.
A oxidação dura melhora a dureza da superfície do alumínio e a resistência ao desgaste, tornando-o adequado para ambientes agressivos. Este processo também melhora a resistência à corrosão e as propriedades de isolamento térmico do material, que são essenciais para a estabilidade e longevidade dos dispositivos de imagem térmica.
Em aplicações militares, a durabilidade destes componentes pode ser aumentada ainda mais com tinta spray de nível militar, garantindo resiliência em condições extremas.
Teste de montagem de peças de equipamentos de imagem
Qualquer desalinhamento ou defeito na montagem pode afetar a precisão e a sensibilidade.
Um aspecto crítico dos testes de montagem é garantir o aperto e o ajuste dos componentes. A vedação adequada é essencial para a proteção IP67. A classificação IP67 significa que o dispositivo está totalmente protegido contra a entrada de poeira e pode suportar imersão temporária em água, tornando-o adequado para diversas condições ambientais exigentes.
Os testes de resistência à vibração e absorção de choque garantem a confiabilidade do sensor em ambientes com fortes vibrações e possíveis choques.
As tabelas e gráficos mostrados nesta figura ilustram testes realizados em sensores de temperatura flexíveis para avaliar sua resistência a choques e vibrações. O teste de vibração expôs o sensor a frequências de 10 Hz a 2.000 Hz e monitorou a saída sob diversas condições. O teste de impacto avaliou a capacidade do sensor de suportar uma força de 100g, simulando um impacto repentino. Os resultados, incluindo saída do sensor em tempo real e estabilidade de temperatura (129°C-130°C), demonstraram a robustez do sensor a tensões mecânicas.
Finalmente, os dispositivos de imagem térmica são frequentemente submetidos a vários testes ambientais onde são expostos a diferentes temperaturas, humidade e outros factores ambientais para garantir que funcionam eficazmente sob diferentes condições.
Como são feitos os dispositivos de imagem térmica?
O Multisensor Driver Visibility Enhancement System é um sistema de imagem multibanda que pode ser montado em veículos terrestres, marítimos e aéreos, permitindo inspeções mais eficientes e frequentes de locais e equipamentos para grandes infraestruturas críticas e locais industriais pesados. Normalmente combina sensores digitais para fornecer consciência situacional adequada na escuridão, fumaça, poluição atmosférica, neblina e outros distúrbios atmosféricos que normalmente são invisíveis a olho nu. Este dispositivo de imagem multissensor montado em drones industriais permite observações visuais e térmicas de curto alcance, minimizando riscos operacionais e de segurança.
Este dispositivo de imagem multissensor é composto principalmente por um sistema de sensor, um sistema de análise de dados, uma estrutura metálica principal e um revestimento externo. O sistema de sensores detecta e coleta sinais característicos do ambiente externo por meio de componentes sensores com propriedades diferentes. O sistema de análise de dados é responsável por combinar, analisar e gerar as informações coletadas pelo sistema de sensores. A estrutura metálica desempenha um papel na fixação e proteção dos componentes do sistema de sensores e do sistema de análise de dados. O invólucro externo atua como armadura para todo o sistema, isolando os componentes internos do ambiente externo através de uma vedação entre as peças, minimizando assim o impacto do ambiente externo no sistema de detecção e no sistema de análise de dados.
Nesta seção, apresentamos um estudo de caso de adaptação da estrutura metálica principal de um sistema de visão multisensor para instalações industriais pesadas.
1. Requisitos de material para processar a estrutura metálica principal
O sistema de visão do motorista aprimorado com vários sensores é comumente montado em veículos terrestres, marítimos e aéreos. Ele pode ser exposto a ambientes extremos, como calor extremo, frio extremo, umidade, secura, gases oxidativos e corrosivos e debaixo d'água, bem como cenários de uso de alta intensidade, como vibração e choque. Isto impõe altas exigências à resistência, dureza, resistência à corrosão e densidade aparente dos materiais.
Sob tais requisitos, a liga de alumínio 6061-T6 é uma das melhores opções. Ele não apenas atende bem aos requisitos dos cenários de aplicação acima, mas também apresenta vantagens de custo em relação às ligas de magnésio e ligas de titânio em termos de custos de material e processamento.
2. Análise de projeto e seleção de processo de usinagem
Antes de selecionar a tecnologia de processamento, devemos analisar cuidadosamente os desenhos do produto e a estrutura de montagem das peças.
A estrutura da estrutura mostrada na figura consiste em 6 partes: placa de suporte frontal da PCB, placa de suporte traseira da PCB, suporte superior da PCB, suporte inferior da PCB, suporte do detector TI e suporte EO.
- Evitando deformação ao processar placas e suportes de PCB
Primeiro, vamos dar uma olhada nas placas transportadoras e nos suportes de PCB. Como podemos ver na imagem, as áreas vermelhas são as superfícies de montagem, e as superfícies das peças destinam-se ao alinhamento entre si, que são então apertadas com parafusos. Portanto, encontramos um requisito de tolerância posicional de paralelismo de 0,01 para essas quatro peças nas posições correspondentes dos desenhos.
A deformação é o problema mais comum na usinagem de peças finas e planas. Como as propriedades estruturais dos materiais mudam durante o processo de usinagem, o equilíbrio de tensão entre as moléculas do material também é perturbado, o que significa que os perfis podem facilmente deformar-se e deformar-se.
Geralmente existem duas maneiras de resolver esse problema:
O primeiro método é adicionar um processo de estabilização por tratamento térmico antes do acabamento final. Este método é geralmente usado em peças estruturais complexas que exigem precisão extremamente alta.
O segundo método é reduzir a taxa de avanço para cada usinagem e aumentar os tempos de usinagem. Desta forma, a tensão no material pode ser reduzida gradual e lentamente. Este método é aplicável a peças com estrutura relativamente simples.
Neste caso específico, essas quatro peças podem ser usinadas usando a lógica do segundo método, e os requisitos de precisão das peças podem ser atendidos enquanto se controla o custo de usinagem para o cliente.
- Suporte do sensor
O suporte do detector TI e o suporte EO são para as peças do sensor. As peças do sensor detectam e coletam sinais característicos do ambiente externo. O desvio do ângulo de instalação e da posição dos componentes do sensor pode afetar a precisão dos dados de entrada. Para garantir a instalação precisa das peças, requisitos elevados devem ser impostos à precisão da posição de instalação das peças.
- O processamento do titular EO
O suporte EO é a caixa do CMOS Low Lux. A precisão da posição de montagem é crítica para sistemas de imagem. Como podemos ver no desenho, a precisão posicional da posição de montagem do sensor EO roxo é definida pela superfície amarela A e pela superfície vermelha B, e um requisito de precisão de 0,01 mm é proposto. A precisão do diâmetro da área roxa é de +0,02 a +0,05, o que não apenas permite uma montagem suave, mas também limita efetivamente a vibração do sensor na posição de montagem.
O processamento do titular do EO ocorre em três etapas:
- Primeiro, processe rapidamente a superfície áspera das peças para economizar tempo na usinagem de precisão nas etapas subsequentes.
- No segundo processo de fixação, as áreas amarela, vermelha e roxa são processadas em uma passagem através do processo combinado de torneamento e fresamento, para que essas três características de posição possam atender aos requisitos de exatidão e precisão de posição no desenho.
- Finalmente, as demais características estruturais são processadas na terceira rodada. É necessário projetar dispositivos adequados para evitar a deformação das peças.
- Processo de usinagem do suporte do detector TI
O suporte do detector TI é o alojamento da câmera termográfica ou câmera SWIR. No desenho podemos ver que são fornecidos quatro furos para fixação das peças principais. Neste caso particular a distância entre os centros do círculo é muito importante, devemos manter uma tolerância de ±0,01 mm. Para atender a esses requisitos de precisão, devemos usar dispositivos de fixação apropriados para garantir que a peça de trabalho seja colocada de forma plana e vertical.
Além disso, os dois buracos vermelhos são círculos concêntricos e os dois buracos roxos são círculos concêntricos. Os círculos concêntricos devem ser usinados em uma única passagem para garantir a concentricidade.
3. Considerações sobre acabamento de superfície
O tratamento de superfície é uma etapa importante que não pode ser ignorada após a conclusão do processamento da peça. As peças comuns são tratadas com anodização normal para tratamento de superfície. No entanto, para produtos expostos a ambientes extremos, a anodização dura de Grau Militar III é a melhor escolha.
A camada de óxido da anodização dura de três estágios é mais espessa, até 50 μm acima de m, a textura é mais densa e tem melhor resistência a arranhões e corrosão.
Além dos aspectos operacionais usuais que precisam ser levados em consideração na anodização, há duas outras coisas que precisamos prestar atenção devido às propriedades das seis partes da carcaça.
- Escolha uma pressão de ar adequada para jato de areia
Antes do tratamento de oxidação, é necessário jatear a superfície das peças para cobrir as linhas de faca criadas durante a usinagem CNC, para que a superfície tenha uma textura mais uniforme e perfeita. O jateamento de areia envolve a pulverização de esferas de vidro na superfície de uma peça usando um fluxo de ar de alta pressão, cobrindo assim as marcações originais na superfície da peça com marcações de pilha de esferas de vidro. O impacto excessivo pode causar a deformação das peças. Portanto, devemos prestar atenção para ajustar a pressão do fluxo de ar de acordo com os requisitos de material, estrutura e precisão das peças.
No nosso caso específico, estas 6 peças deformam-se facilmente, por isso não devemos definir a pressão do ar demasiado alta.
- Remova cuidadosamente os resíduos de metal dos furos cegos.
Se os resíduos de metal no furo cego não forem tratados minuciosamente, após o tratamento de oxidação, eles formarão um bloco duro compacto e difícil de remover no fundo do furo cego, o que afetará a profundidade efetiva do furo cego e da rosca e afetar a montagem do produto.
No nosso caso específico, o suporte inferior da placa de circuito impresso e o suporte superior da placa de circuito impresso possuem, cada um, 6 roscas não penetrantes, que são estruturas de furo cego. O suporte EO possui 4 roscas não penetrantes e é uma estrutura de furo cego. Se for bloqueado por detritos de metal, resultando em profundidade efetiva insuficiente da rosca, isso afetará seriamente a montagem das peças.
Concluindo
A produção e processamento de dispositivos de imagem térmica, especialmente para vigilância de segurança, apresentam uma combinação harmoniosa de materiais avançados, tecnologia de precisão e processamento de imagem inovador. Os componentes de imagem personalizados, desde caixas de lentes elaboradas de forma complexa até algoritmos detalhados de análise de imagens, representam o que há de mais moderno em tecnologia de vigilância.
A sua ampla gama de utilizações em áreas que vão desde a monitorização de incêndios florestais até à segurança industrial sublinham a sua versatilidade e fiabilidade. Os processos de design e teste direcionados usados na fabricação desses dispositivos personalizados garantem que eles atendam aos altos padrões exigidos para soluções de segurança e vigilância eficazes e confiáveis.
