Actualmente la radiación térmica se mide a través de m.todos indirectos con dos tipos de sensores, los térmicos y los fotónicos, que cubren la totalidad de sensores empleados para este fin.
En los sensores térmicos la red cristalina que conforma el sensor presenta un cambio en la temperatura que se traduce en la radiación medida lo que les permite cubrir amplios espectros a temperatura ambiente sin los requerimientos de sistemas costosos de refrigeración, pero con una respuesta lenta y de menor sensibilidad y resolución con relación a los sensores fotónicos. Para aumentar su sensibilidad es común emplear un recubrimiento absorbente.
Los sensores más usados de este tipo son los de efecto piezoelectrico y los bolómetros. La piroelectricidad es un desplazamiento de cargas eléctricas que ocurre en ciertos materiales cuando son calentados ocasionando su polarización, que se puede medir en forma de voltaje o de corriente.
Los bolómetros son de construcción sencilla lo que permite su manufactura en pequeñas estructuras denominadas microbolómetros usados frecuentemente en cámaras termográficas. Se fundamentan en la propiedad de los conductores de variar su resistencia cuando se someten a cambios de temperatura lo que les permite operar cerca de la temperatura ambiente sin dispositivos de refrigeración, siendo útiles en aplicaciones de temperaturas bajas y externas. Su naturaleza térmica disminuye su velocidad de respuesta y sensibilidad, sin embargo, experimentalmente se están desarrollando nuevos arreglos con materiales superconductores para mejorar sus deficiencias con el inconveniente de requerir sistemas de refrigeración adicionales.
Los sensores fotónicos reciben los fotones emitidos particulares para excitar los electrones del material utilizado como sensor, originando un flujo de corriente o un cambio en la resistencia.
Dado que la longitud de onda de transmisión del fotón es inversamente proporcional a su energía, para detectar una longitud de onda larga, se requiere que con la mínima energía conducida se logre la excitación. Tal situación obliga a que estos sistemas tengan incorporado un sistema costoso de refrigeración permanente porque de lo contrario cualquier energía adicional presente en la zona de la medición, ocasionará una medida falsa.
A continuación se presentan algunas características constructivas de las cámaras con sensores fotónicos1, que le permiten al usuario conocer el funcionamiento de los equipos y le dan algunos elementos de juicio adicionales para realizar una buena elección de acuerdo con la aplicación.
1. Detector FPA: (Arreglo Focal Plano)2
Un detector de arreglo focal plano es un detector que tiene m.s de una fila de detectores. Por ejemplo, el más pequeño detector FPA tiene una configuración de 2 x 2 detectores (dos filas y dos columnas). Esta configuración es descrita por el término arreglo. El FPA de un sistema óptico se localiza en la zona donde la imagen es enfocada. Los sistemas comunes infrarrojos FPA tienen un arreglo de 256 x 256 detectores o más.
Los detectores FPA tienen alta resolución de imagen infrarroja y por su arreglo compacto suelen ser incluso cámaras más pequeñas, ligeras y eficientes que las cámaras para otras aplicaciones. En el detector no todas las superficies son sensitivas a la energía infrarroja, porque alrededor de las filas y columnas de los detectores individuales del arreglo hay una región inactiva que se utiliza para enviar las señales electrónicas.
La relación entre el material sensitivo y los bordes de las filas y columnas inactivas se denomina “factor de llenado”. Un detector ideal deber. tener un alto factor de llenado que representa un gran porcentaje de su área dedicada a recolectar fotones IR y una muy pequeña a la detección de segregación.
En la actualidad los mejores detectores FPA ofrecen factores de llenado tan altos como del 90%, lo que representa mayor sensibilidad y calidad total de la imagen.
Por lo general los detectores con alto factor ofrecen mejor eficiencia de enfriamiento, reduciendo la potencia requerida para tal fin.
2. Tipos de detectores FPA (Arreglo Focal Plano)3
Existen dos tipos de detectores: los monolíticos y los híbridos. Los monolíticos tienen material sensitivo y los sistemas de transmisión de señal sobre la misma capa. Son más fáciles de fabricar y más baratos que los híbridos porque requieren menos etapas de fabricación. Recíprocamente tienen más bajo desempeño que los híbridos por sus características constructivas presentando un factor de llenado inferior al 55%.
La diferencia entre los dos sistemas se manifiesta en la pobreza de la calidad de imagen, particularmente notable a bajas temperaturas o cuando se requiere estimar diferencias peque.as de temperatura. En estos sistemas no se pueden conseguir características avanzadas como por ejemplo el tiempo de integración variable.
El arreglo híbrido tiene el material sensitivo a la radiación infrarroja sobre una capa y los sistemas de transmisión de señal y circuito de procesamiento en otra. Las dos capas se unen por pequeños filamentos de indio, que transmiten la señal de cada elemento detector a su respectiva transmisión en la parte inferior sobre un elemento denominado multiplexor4.
Aunque el proceso de fabricación es mas detallado y resulta mas costoso, tales detectores presentan un mas alto factor de llenado (75% – 90%) y por tanto una alta sensibilidad que es su principal beneficio. Algunas cámaras híbridas suministran sensibilidad por debajo de los 0.02.C lo que permite su uso en ensayos no destructivos, inspección aérea y diagnóstico de edificaciones.
3. Dispositivos de lectura5
Existen dos dispositivos básicos de lectura para tomar la señal de cada detector y conducirla al procesador de señal de la cámara: un instrumento detector acoplado de carga (CCD) y un semiconductor complementario metal-oxido (CMOS). El detector CCD opera de tal forma que la señal de cada detector es determinada por la transferencia de sus electrones desde un detector al inmediatamente inferior de la misma columna hasta alcanzar el final de la columna, donde es leído. El proceso de transferencia CCD no es perfecto porque en el recorrido por cada columna la carga puede disminuir. Además cuando una celda del detector está saturada con fotones de la fuente de calor, los fotones pueden sobrefluir dentro de la celda de señal adyacente. Los CCD requieren más potencia y por tanto mayor refrigeración.
Son usados frecuentemente en aplicaciones de imagen porque las pérdidas encontradas por los fenómenos de pérdida y de saturación de fotones no son relevantes cuando no se realizan mediciones, pero si es utilizado para medición infrarroja el equipo debe compensar los errores.
Un detector CMOS est. fabricado con una conexión de metal, oxido y silicona que tiene acceso directo a la se.al de cada detector. Lo que significa que la señal de cada detector es le.da por aparte, columna por columna, fila por fila hasta que cada detector se diseccione individualmente y su valor exacto se entregue a la señal del procesador. Los circuitos CMOS son ideales para aplicaciones de baja potencia.
La disipación de calor en un circuito de lectura es crítica por lo cual se debe enfriar junto con el detector hasta aproximadamente 200oC. Aú con una alta eficiencia de enfriamiento, cada milivatio de calor disipado por la lectura, requiere 25 mW de potencia de batería para el enfriamiento. La vida óptima de la batería se alcanza usando un multiplexor CMOS y un enfriador Stirling rotario de alta eficiencia. Los detectores CMOS generalmente entregan mejor exactitud para las lecturas como resultado de su capacidad de lectura directa, beneficiando a los usuarios con requerimientos de alta exactitud en la medición y una larga vida en la batería.
4. Eficiencia cuántica
Se puede entender como una eficiencia de recolección. La mayor.a de detectores IR son contadores de fotones, es decir, cuentan los fotones o cuantos infrarrojos durante periodos cortos de tiempo. La eficiencia cuántica se refiere a la eficiencia relativa en la cual los fotones infrarrojos son recolectados y convertidos en cargas eléctricas. Una alta eficiencia cuántica hace el procesamiento de señal más fácil ofreciendo una mejor sensibilidad y desempeño en bajas temperaturas. Sin embargo el silicato de platino, detector infrarrojo popular en los detectores FPA, tiene una muy baja eficiencia cuántica, menor a 1%.
5. Materiales detectores6
Aunque hay una variedad de materiales que pueden ser usados por los fabricantes, los materiales para la transmisión de la radiación más populares son los materiales amorfos como el germanio, el silicio, el zinc y el zafiro. Cada material detector exhibe diferente sensibilidad frente al espectro electromagnético. Para el espectro cercano a la región visible y cerca al espectro IR, los sensores CCD y CMOS son usados a base de silicón. Frente a un amplio espectro los sistemas se fundamentan en microbolómetros.
El silicato de platino opera en la regi.n de longitud de onda corta (1-5 μm), posee buena sensibilidad y tiene una excelente estabilidad. Es un material muy usado porque se fabrica con las mismas técnicas de producción de semiconductores resultando a costos razonables, es un material altamente estable que responde muy bien en el tiempo y su correlación con la temperatura. Su desventaja es la baja eficiencia cuántica (1%), sin embargo, modernas técnicas de procesamiento de señal acopladas con construcciones híbridas y lecturas CMOS han hecho del silicato de platino un material para usar en mantenimiento preventivo y en ambientes científicos IR.
El antimónico de indio es un material detector que fue muy com.n en detectores simples en el pasado. Ofrecía altas sensibilidades como resultado de su alta eficiencia cuántica (80% – 90%), sin embargo la alta eficiencia no es el factor más importante. Los detectores de InSb se saturan muy rápido de fotones y requieren correcciones no uniformes periódicas, lo que representa refrigeradores termoeléctricos y electrónica adicional en la cámara. De manera que dicha complejidad solamente se utiliza donde se requiere sensibilidad extrema, v.g industria militar.
El AMTIR es un material vidrioso con una alta homogeneidad que transmite en el rango de 0.75-14-μm, contiene germanio, arsénico y selenio, y se usa en ventanas infrarrojas, lentes y prismas. El AMTIR 1 es especialmente útil para construir lentes en el rango de 8-12-μm, porque en ese rango sus propiedades de absorción y dispersión son las más bajas.
6. Integración variable del tiempo VIT
La integración del tiempo es el intervalo del tiempo que el detector FPA permite la recolección de fotones IR. Usualmente un FPA corre en un tiempo máximo de integración de 16ms, lo cual es una estructura completa. Los arreglos con integración variable en el tiempo VIT, pueden capturar fotones sobre cortos períodos de tiempo, reduciendo la acumulación de energía que el detector captura a una temperatura dada.
El uso principal de la integración variable del tiempo es la obtención de im.genes de altas temperaturas sin necesidad de utilizar filtros y sin problemas de saturación. Algunos detectores FPA operan por encima de los 450oC simplemente usando VIT. Una cámara sin el sistema de integración variable requeriría varios filtros para cubrir un intervalo de -10oC hasta 1500oC.
7. Lentes
Existen dos tipos de lentes diseñados corrientemente en uso con sistemas FPA:
lentes con reimagen y lentes sin reimagen. Un lente con reimagen enfoca la imagen en dos puntos de la trayectoria óptica. Un punto está sobre el detector (al igual que todos los lentes), y el segundo en la mitad de los lentes en un punto llamado plano focal intermedio, utilizado para enfocar otras fuentes de radiación que no se tienen en cuenta al realizar la medición de un punto particular.
En contraste, los lentes sin reimagen enfocan la imagen IR solamente en un punto de la trayectoria óptica. Este punto de enfoque está sobre el detector y el diseño del lente no tiene ningún elemento para absorber la radiación perdida sobre el eje de enfoque; son usados ampliamente en productos FPA, porque los efectos de la radiación perdida llegan a ser despreciables. Un beneficio importante con su utilización es la reducción en tamaño y peso, además tienen menos elementos y son menos costosos para fabricar que los lentes con reimagen. Sin embargo cuando se usan en termografía, el usuario debe considerar fuentes externas de energía infrarroja en el ambiente y evaluar sus efectos sobre la imagen resultante y los datos de medición.
8. Compensación de temperatura ambiente
Las imágenes térmicas presentan variaciones con la temperatura ambiente. Esta tendencia de variación de energía afecta los componentes del detector al interior de la cámara tales como los lentes y otros componentes. Cada fabricante tiene su propia aproximación para reparar este problema, a través de sofisticados algoritmos para el procesamiento de los datos recolectados por los múltiples sensores de temperatura con la cámara.
9. Corrección de no uniformidad
Una de las desventajas de los modernos detectores FPA es su relativa no uniformidad de detector a detector en relación a la respuesta de una temperatura. Estas variaciones resultan del proceso de manufactura y del material por si mismo.
Para corregir esto, virtualmente todas las cámaras FPA tienen algunas correcciones de no uniformidad en su construcción. Los métodos varían ampliamente de acuerdo al fabricante.
La más simple aproximación es colocar una tapa en el lente de la cámara y un botón NUC (corrección de no uniformidad), el cual al ser pulsado corrige la uniformidad basado en la temperatura de la tapa del lente. Otro sistema tiene una temperatura uniforme dentro de la cámara, el cual es insertado en la trayectoria óptica periódicamente para corregir el detector. Algunos sistemas tienen corrección multipunto permanente, en los cuales el detector es corregido en una variedad de temperaturas de escena por cada rango y entonces los datos son almacenados dentro de la unidad, eliminando la necesidad para una corrección de no uniformidad en el campo.
Esta aproximación parece ser la mejor porque no requiere la intervención del usuario y además entrega corrección en varios rangos de temperatura y no solamente la temperatura de la tapa del lente.
- Se amplia la información de los sensores fotónicos por cuanto son los de mayor aplicación hasta el momento en la industria, con una mayor exactitud y sensibilidad. ↩︎
- http://x26.com/infrared/images/fpa.htm. SIERRA PACIFIC INFRARED. Understanding and utilizing
focal plane arrays (FPA). ↩︎ - Ibid. ↩︎
- Un multiplexor es el dispositivo que organiza y da formato a las señales de cada detector en un modo repetitivo. Generalmente el multiplexor toma la señal de cada detector individual y lo alimenta como señal de procesador a través de uno o más dispositivos de salida. ↩︎
- http://x26.com/infrared/images/fpa.htm. SIERRA PACIFIC INFRARED. Understanding and utilizing focal
plane arrays (FPA). ↩︎ - Ibid. ↩︎
*Fuente: Jorge René Silva Larrotta, Introducción A La Termografía Industrial. Universidad Libre – Bogotá. 2006. ISBN 978-958-97987-0-6
