ES2932781A1 - Metodo para la medida cuantitativa de temperatura - Google Patents
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- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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- G01J5/485—Temperature profile
Abstract
Método para la medida cuantitativa de temperatura, que hace uso de termografía lock-in permitiendo acceder al campo de temperatura a tiempos de adquisición por debajo de la resolución temporal de una cámara IR y que comprende los pasos de aplicar una excitación periódica a una frecuencia lock-in a al menos un objeto; detectar una señal de respuesta térmica; obtener una función periódica en el tiempo de potencia disipada de cada objeto de la imagen; realizar una descomposición en series de Fourier de la función periódica; resolver el campo de temperatura para cada pixel obteniendo un campo de temperatura; integrar los campos de temperatura generados por distintos objetos de la imagen; calcular la temperatura aparente en los diferentes píxeles de la imagen; extraer el módulo de temperatura aparente a través de técnicas lock-in; determinar incrementos de temperatura real; y obtener una imagen termográfica de al menos un objeto.
Description
DESCRIPCIÓN
MÉTODO PARA LA MEDIDA CUANTITATIVA DE TEMPERATURA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método para la medida cuantitativa de temperatura que permite realizar medidas de temperatura en cualquier escala de tiempo, beneficiándose de la detección lock-in de modo que se obtiene independencia de la temperatura medida de las condiciones de contorno para una cierta frecuencia, mejora de la relación señal/ruido, mayor sensibilidad y precisión en la medida, así como también se puede confinar la energía para mejorar la resolución espacial de la medida en el área de observación y mejorando su relación señal a ruido.
Un objeto de la invención es proveer un método para la medida cuantitativa de temperatura que permita acceder al campo de temperatura a tiempos de adquisición por debajo de la frecuencia de adquisición o resolución temporal de una cámara infrarroja (IR).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, existen muchas soluciones de métodos de termografía IR en el estado del arte.
Algunos métodos permiten localizar un punto caliente en una muestra mediante el uso de termografía lock-in, para ello se aplica una señal de prueba de onda de excitación no armónica a una frecuencia lock-in a un circuito eléctrico de muestra para activar una fuente de calor y generar un punto caliente, seguidamente, se obtienen imágenes de la muestra usando un sensor de infrarrojos y se detecta una señal de respuesta térmica en correlación con la propagación del calor dentro de la muestra. En este sentido, se entiende por Lock-in que la excitación se modula en frecuencia y luego se realiza el análisis armónico sobre la señal adquirida con la cámara mediante transformada de Fourier, quedándose normalmente a primer o segundo orden. En este ambiente, se utiliza la terminología estrategias lock-in para referirse a todo lo que concierne a medidas moduladas en frecuencia y su posterior análisis mediante trasformada de Fourier en el dominio frecuencial.
En algunos casos se puede aplicar una señal no armónica a una sola frecuencia seleccionada, después, someter la señal de respuesta térmica obtenida por una cámara a una transformación de Fourier (FT) para descomponerla en un espectro de frecuencia que contiene señales armónicas de una base y señales armónicas superiores para obtener así una pluralidad de señales de respuesta específicas de frecuencia en múltiples frecuencias específicas, se determinan los desplazamientos de fase de cada una de las señales de respuesta de frecuencia, se obtiene una curva de frecuencia frente a desplazamiento de fase; y se visualizan una pluralidad de imágenes, cada una correspondiente a una de las frecuencias específicas.
Otras soluciones que hacen uso de termografía infrarroja lock-in comprenden: una cámara de infrarrojos con un filtro óptico, líneas de señal conectadas a un ordenador para registrar y procesar las señales, una muestra y una fuente de infrarrojos pulsados con un controlador de frecuencia lock-in.
Algunos sistemas de pruebas no destructivos aplican luz láser a una superficie para capturar imágenes mediante una cámara infrarroja. Sobre la base de dichas imágenes, se aplica una transformada de Fourier en cada píxel y se crea una imagen de fase. Finalmente, se determinan los defectos presentes.
Otros métodos que usan técnicas de termografía lock-in comprenden las etapas de aplicar una señal de prueba no armónica a un circuito eléctrico, obtener imágenes usando un sensor infrarrojo; detectar una señal de respuesta térmica de la imagen en correlación con la propagación del calor térmico; realizar una transformación rápida de Fourier (FFT) para descomponer la señal de respuesta en una espectro de frecuencia que contiene al menos señales de primer y segundo armónicos; determinar los cambios de fase de las señales de respuesta de frecuencia en las múltiples frecuencias y obtener una curva de frecuencia frente a cambio de fase.
También, se han localizado métodos para realizar una prueba de termografía de infrarrojos, donde la presencia de defectos se determina por la aparición de contraste en un termograma. Uno de estos métodos comprende las etapas de situar una cámara termográfica y lámparas, programar los parámetros de ensayo, calentar de forma modulada o sinusoidal definiendo la amplitud y frecuencia de la excitación y grabando el proceso de calentamiento de forma sincronizada a la excitación. Entonces, se procesan de forma automática los datos adquiridos mediante algoritmos basados en
series de Fourier para la obtención de imágenes de amplitud y fase. Haciendo uso de técnicas de termografía lock-in se obtienen imágenes de amplitud y fase de calentamiento, de parte real e imaginaria, y se determina la existencia de zonas defectuosas.
Además, existen procedimientos para la reconstrucción de una forma de onda en el dominio temporal, como el "Boxear Averaging” . Aunque estos procedimientos se han utilizado en otras técnicas (p.e., termoreflectancia), nunca se ha implementado en el procesado de imágenes infrarrojas con el fin de extraer termogramas.
Por tanto, no se ha localizado en el estado del arte una solución que se refiera a un método para la medida cuantitativa de temperatura que permita acceder al campo de temperatura a tiempos de adquisición por debajo de la velocidad de adquisición o resolución temporal de la cámara IR.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un método para la medida cuantitativa de temperatura, que hace uso de técnicas de termografía modulada (del inglés: lock-in) para realizar medidas de temperatura en cualquier escala de tiempo. El método de la invención comprende un paso de aplicar una excitación periódica a una frecuencia lock-in (/Lock-in) a al menos un objeto.
A continuación, se procede a detectar una señal de respuesta térmica del al menos un objeto excitado y a obtener una función periódica en el tiempo que refleja la potencia disipada de cada objeto de la imagen.
La función periódica de potencia P ( t) se puede descomponer mediante una descomposición en series de Fourier. Preferiblemente la descomposición en series de Fourier es del tipo:
donde T es el periodo de repetición de la excitación de potencia. El uso de la descomposición en series de Fourier permite la reconstrucción del campo de temperatura partiendo de sus componentes espectrales. Esta aproximación se referirá de ahora en adelante como análisis frecuencial.
A diferencia de otras técnicas termográficas donde se ilumina la muestra, como la termoreflectancia, en este caso no es posible utilizar una aproximación estroboscópica para realizar un promedio por impulso rectangular (del inglés: "boxear averaging”) con el fin de reconstruir la forma de onda con una resolución temporal por debajo de la frecuencia de adquisición de la cámara. Esto se debe a que, al hacer uso de radiación infrarroja, el propio objeto, por tener una temperatura, emite radiación y puede generar ruido en la adquisición.
En cambio, mediante el uso de la descomposición en series de Fourier, estos problemas se evitan, ya que únicamente se detectan las amplitudes correspondientes a una frecuencia concreta. De hecho, la técnica "boxear averaging” sería aplicable en estos casos haciendo que la frecuencia de adquisición del sistema de medida en general no sea un múltiplo de la frecuencia de repetición de la medida, referida como 1/T. Esto permitiría, después de adquirir múltiples muestras, reconstruir la forma de onda teniendo en cuenta dicho decalaje en el tiempo entre la frecuencia de adquisición y la repetición de la excitación. Esta técnica se va a referir como el método boxcar de ahora en adelante y se abreviará reconstrucción de onda mediante "boxcar averaging” a simplemente "Boxcar” .
Seguidamente, se puede resolver el campo de temperatura para cada píxel obteniendo un campo de temperatura AT(r, t).
Para resolver el campo de temperatura se puede hacer uso de la ecuación:
donde A r¿(r, t) es un campo de temperatura asociado a una fuente de calor i y Rin(r ) es una constante que relaciona P (t) con ATí(r,t). Este modo de obtener el campo de temperatura permite una mejor resolución espacial con respecto a los métodos usados en el estado del arte.
En el método de la invención, la frecuencia lock-in a considerar puede fijarse como flock-ín ~ 1/CO, es decir Eocfc-ín _ ^
En ciertas realizaciones pueden existir múltiples fuentes de calor (N), cada una con una disipación periódica P¿(t) que genera un campo de temperatura Ar¿(r, t ) que se superpondrá con las componentes espectrales generadas y las diferentes fuentes de calor existentes. En este caso, también se suman los campos de temperatura generados por cada uno de los objetos de la imagen, gracias al principio de superposición de fuentes de calor.
Así, se obtiene un campo de temperatura total AT(r, t) asociado a cada una de las componentes espectrales y N fuentes de calor de la forma:
A continuación, se calcula un campo de temperatura aparente en los diferentes píxeles de la imagen y se extrae el módulo de dicha temperatura aparente a través de técnicas lock-in.
La temperatura real obtenida mediante la señal de respuesta térmica obtenida a partir de la cámara infrarroja (IR) y la señal de radiación de cuerpo negro se relacionan mediante la ecuación:
donde OSbb (x ,y ) es la radiación del cuerpo negro detectada con la cámara IR y B, R, y F son constantes de calibración de la cámara IR.
Sin embargo, en los casos en los que al menos un objeto no se comporta como un cuerpo negro sino como un cuerpo gris, se define un parámetro emisividad e(x,y) que modifica la radiación detectada por la cámara IR. Así la señal de radiación queda definida por:
OSm(x,y) = e{x,y)OSbb{x,y) OSoffset(x,y) (7)
donde OSoffset(x,y) se corresponde a reflexiones que se producen en la superficie bajo inspección y radiación infrarroja espuria proveniente de otros cuerpos cercanos.
De ese modo, se puede determinar la temperatura aparente para la radiación detectada modificada por el parámetro de emisividad £ mediante la ecuación:
Tapp(x>y) = lnr _ J ¡ F^ (8)
V OSm (x,y) !
Así, una vez que se ha obtenido la señal de radiación OSm y la temperatura aparente, se procesa mediante estrategias lock-in para extraer el módulo de temperatura aparente (\ATapp(x,y)\).
Finalmente se determinan incrementos de temperatura real Ttrue{x ,y ); y se obtiene una imagen termográfica del al menos un objeto.
El incremento de temperatura real se puede relacionar con la temperatura aparente a partir de la ecuación:
&T app{x, y) = e\ x , y)ATtrue (x, y ) (9)
Siendo E(x,y):
£ i f x y y = £ r x OSbb(x ,y ,T0) (F OSbb(x,y,T0)+ R ) L n 2{ F R/ o s bb(x,y ,T0) ) { >yj ^ >yj oSm(x,y,T0)(FOSm(x,y,T0)+R)Ln2{F+R/OSm^xyJo)) (10)
El uso de esta ecuación permite corregir perfectamente las medidas de temperatura en cada píxel de la imagen, especialmente en aquellos casos en los que las medidas de temperatura dependen del nivel de temperatura (T0) en cada píxel, provocando un error cuando se está realizando la medida mediante la aproximación lock-in. Cabe destacar que este procedimiento también sería válido para realizar la reconstrucción de las formas de onda temporales mediante el uso de la técnica "boxear averaging” referida anteriormente, usando esta técnica para la etapa de extraer un campo de temperatura aparente.
El resultado es que se puede obtener el incremento de temperatura resultante de una excitación periódica, a partir de una medida directa con la cámara IR.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de
dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- muestra un ejemplo de montaje experimental para obtener una señal de radiación infrarroja emitida por un objeto.
Figura 2a.- muestra un termograma correspondiente a la distribución de temperatura superficial de un chip con conducción localizada en 5 puntos, con una reconstrucción de imagen realizada usando el método de la invención.
Figuras 2b a 2d.- muestran la evolución temporal del incremento de temperatura normalizada en tres píxeles del termograma de la Figura 2a.
Figura 3a.- muestra un termograma correspondiente a la distribución de temperatura superficial de un chip con conducción distribuida, con una reconstrucción de imagen realizada usando el método de la invención.
Figuras 3b y 3c.- muestran la evolución temporal del incremento de temperatura normalizada en dos píxeles del termograma de la Figura 3a.
Figura 4a.- muestra la evolución temporal de la señal obtenida para un punto o píxel de la superficie de un chip analizado.
Figura 4b.- muestra la evolución temporal de la señal de adquisición de la cámara infrarroja (IR).
Figura 4c.- muestra la reconstrucción de la señal mediante el método "Boxear Averaging”.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un método para la medida cuantitativa de temperatura mediante reconstrucción del campo de temperatura en el dominio temporal partiendo de sus componentes de Fourier, el cual permite obtener un campo de temperatura a una resolución temporal por debajo del tiempo de adquisición de la cámara IR usada. El método de la invención permite estudiar fenómenos de destrucción relacionados con componentes de potencia en situaciones de funcionamiento extremo.
En un caso particular, se define una forma de onda de potencia cuadrada de un chip con un cierto desfase disipada en una fuente de calor puntual i a una frecuencia tal que se puede considerar un medio semiinfinito.
En ese caso, P¿ (t) obedece a la siguiente forma de onda:
p m _ (2 Pifi, 2rTP < t < (2r 1)TP,
1 ^ } (0, (2r !)TP < t < ( 2 r 2)TP (11)
donde r=0,1,2,3...
A continuación, se procede a realizar una descomposición en series de Fourier de la potencia disipada:
También, se calcula el campo de temperatura AT^r, t) que resulta:
donde
donde Da es la difusividad térmica del material; y T(r = 0,t = Tp)_es su correspondiente solución en el dominio temporal evaluada en un tiempo igual al periodo, de modo que:
Ti{r = 0 , t = Tv) = 2- ^ ^ ^ T v (15)
donde k es la conductividad térmica del material. En este caso, la frecuencia lock-in del procesado es fiock- in = 1 /(2 Tp) para dejar calentar y enfriar el chip durante un tiempo simétrico y poder hacer la extracción cuantitativa de la amplitud de temperatura de forma significativa.
Por otro lado, la temperatura real Ttrue (x,y) medida sobre una superficie con una cámara infrarroja (1) con la radiación del cuerpo negro detectada con la cámara IR (OSbb(x,y)), sigue la siguiente relación:
Ttmeix.y) = — | -------7 (16)
ln(oSfifi(*,y)+F)
dónde B, R, y F son constantes de calibración para la cámara (1) IR. Sin embargo, comúnmente los materiales no se comportan como cuerpos negros sino como cuerpos grises, para ello, se define un parámetro emisividad e (x,y) que modifica la radiación detectada por la cámara IR (OSm(x,y)) resultando:
OSm(x,y) = e(x,y)OSbb(x,y) OSoffset(x,y) (17)
donde OSoffset{x,y) se corresponde a reflexiones que se producen en una superficie bajo inspección. Entonces, si se tiene en cuenta que OSbb es igual a OSm se puede derivar la temperatura aparente Tapp(x,y ):
Tapp(x>y) = ln( _ ? Fj (18)
A continuación, se realiza un posprocesado lock-in y se extrae el módulo de la temperatura aparente. Así, con la cámara IR primero se mide OSm(x,y), se transforma a Tapp y se procesa mediante estrategias lock-in para extraer su módulo de temperatura aparente (ATapp(x,y)). Para determinar incrementos de temperatura real ATtrue , se realiza una calibración entre ésta y la temperatura aparente mediante la siguiente ley que las relaciona:
&Tapp(x,y) = E\x,y)ATtrue{x,y) (19)
Siendo s' (x,y):
£ i f x y-s
_
£ r x OSbb{x ,y ,T 0% F OSbb(x ,y ,T 0)+ R ) L n 2{ F R/ Os bb(x ,y ,T
0))
' '
J
OSm
(x,y,T0XFOSm(x,y,T0)+R)Ln2(F+R/OSml-X'yJo))
(20)
donde OSbb (x,y,T0) y OSm(x,y,T0) son las radiaciones detectadas por la cámara (1) correspondientes a un cuerpo negro o gris, respectivamente, que se encuentran una temperatura promedio T0. De esta forma, el método para la medida cuantitativa de temperatura de la invención permite acceder al campo de temperatura a una
resolución temporal por debajo del tiempo de adquisición de la cámara (1) infrarroja (IR).
La Figura 1 explica gráficamente este ejemplo de realización práctica donde un montaje experimental formado por una cámara infrarroja (1) capta la radiación infrarroja emitida por un objeto (2) en condiciones de operación reales. Dicho objeto (2) está fijado sobre un sistema de termorregulación y un sistema de microposicionamiento (9) que permite ajustar la posición relativa de la muestra respecto la cámara (1) con una gran precisión, en particular con 5 grados de libertad y una resolución micrométrica. Este sistema de termorregulación (9), es una placa Peltier que permite mantener el objeto (2) a una temperatura determinada gracias a un controlador de temperatura (4) y un sistema de refrigeración (5) por agua.
Para polarizar la muestra, se utiliza una unidad de sincronización (6) que permitirá excitar eléctrica y periódicamente el objeto (2) a una frecuencia de repetición del evento específica (/¡ock-in) sincronizando, respecto al inicio de las excitaciones, el instante en que se adquieren las imágenes con la cámara (1) (S1). Esta señal de frecuencia lock-in fiockin o de repetición del evento (S2) se utilizará como entrada en un circuito de excitación (8) específico que junto con una señal DC proveniente de una fuente DC (7) proporcionará al objeto (2) la polarización AC/DC deseada, permitiendo aplicar cualquier polarización para reproducir distintos tipos de condiciones.
A continuación, mediante la cámara (1) infrarroja (IR) y un sistema de procesado de imágenes (3) se adquirirán, almacenarán y tratarán digitalmente todas las imágenes infrarrojas de la cámara (1) perfectamente sincronizadas con el inicio de la excitación. Aplicando el método de la invención, se puede obtener la secuencia temporal de los termogramas con una resolución temporal mejorada respecto la velocidad de adquisición de la cámara (1), tal y como se muestra en las Figuras 2a a 2d y 3a a 3c.
En el montaje experimental de la realización práctica mostrada en la Figura 1, se ha elegido como objeto (2) un chip que permite dos tipos de conducción de corriente a través de su volumen: localizada en cinco áreas o distribuida a lo largo de su área activa. La Figura 2a muestra esta conducción más localizada a través de estas cinco áreas. Se presenta en la Figura 2a un termograma correspondiente a la distribución de temperatura superficial del chip después de la reconstrucción de la imagen por el método de la invención. En la Figura 2a, se observan las cinco áreas localizadas de
conducción identificadas como puntos calientes, indicando también tres puntos concretos o píxeles que se mostrará su evolución temporal en las figuras 2b a 2d. En todas ellas, las líneas en negro se refieren al método que usa la técnica de "boxcar averaging”, y las líneas grises se refieren al método de la invención.
Las figuras 2b a 2d, comparan los resultados obtenidos con una reconstrucción de forma de onda temporal mediante el método "Boxear averaging” sin realizar ningún promediado temporal, con el resultado de aplicar del método de análisis frecuencial donde se realiza un análisis frecuencial que permite realizar un filtrado de señal inherente a la técnica, sin necesidad de promediado temporal, resaltando la mejora en la resolución temporal obtenida. En las Figuras 2b a 2d, también se muestran los resultados con el tiempo normalizado al periodo de repetición de la excitación Ti_ock-in =(1//¡_ock-in) siendo Ti_ock-in = 20 ms, después de la adquisición de unas 100.000 imágenes infrarrojas, que proporcionan una resolución temporal de 200 ns mejor que la frecuencia de adquisición de la cámara (376 Hz) que permite una resolución temporal de 2,66 ms.
Con más detalle, en la Figura 2b se muestra la evolución temporal del incremento de temperatura (A7) normalizada a Ti_ock-in en un primer píxel de la Figura 2a, en la Figura 2c se presenta la evolución temporal de AT normalizada a Ti_ock-in en un segundo píxel de la Figura 2a y en la Figura 2d, se muestra la evolución temporal de AT normalizada a Ti_ock-in para un tercer píxel de la Figura 2a.
Entre estos píxeles, existe una relación tal que el pico del valor de AT (o nivel de señal) va siendo cada vez menor, de tal manera que comparativamente se puede ver la mejora que ofrece el método por análisis frecuencial para realizar este tipo de medidas. Comparando la Figura 2b, la Figura 2c y la Figura 2d; se observa que la medida hecha mediante el método por análisis frecuencial proporciona resultados en términos de relación señal a ruido mucho mejores que los que se obtienen haciendo uso de una reconstrucción de forma de onda por "boxear averaging”. Este hecho se muestra de forma más clara a medida que entre la Figura 2b, la Figura 2c y la Figura 2d va disminuyendo el nivel de señal, de modo que el método con análisis frecuencial proporciona una medida con menor ruido.
Este hecho se evidencia más en las Figuras 3a, 3b y 3c donde el chip presenta una conducción distribuida a través de toda el área activa del chip. La Figura 3a es un termograma de la distribución de AT sobre la superficie superior del chip, observando
una distribución menos localizada de temperatura y, por ende, de corriente que en la Figura 2a. Este termograma se ha obtenido después de realizar la reconstrucción de la imagen por el método de la invención con análisis frecuencial.
La Figura 3a señaliza dos puntos concretos o píxeles cuya evolución temporal se mostrará en las figuras 3b y 3c. También, se mostrarán los resultados con el tiempo normalizado al periodo de repetición de la excitación T-ock-in =(1/fLock-in) siendo T-ock-in = 20 ms, después de la adquisición de unas 100.000 imágenes infrarrojas, que proporcionan una resolución temporal de 106 ^s, como se muestra en las figuras 2a, 2b, 2c y 2d.
Cabe considerar la relación entre / íocfe_¿„ y la frecuencia de adquisición del sistema de medida f adq, que determina la resolución temporal resultante tminl de la reconstrucción en el dominio temporal según el número de adquisiciones por ciclo nadq/cici0 es:
^
",adq ¡ciclo
_
f
f a d q N m ues tras
(21)
j lo c k - ín M ciclos (2 I)
donde Nmuestras es el número de muestras dentro de cada TLock-n, y Ncicios el número de ciclos de fi0Ck-in necesarios para obtener N muestras, siendo ambos números enteros. La resolución temporal tmin l se define como:
m l n ,1 N u m e r a d o r ( n adq/cíclo) 
donde Numerador (nadq/cicl0) corresponde al numerador de nadq/cicl0 después de expresarla en una fracción no reducible. Previamente al procesado se cuenta con un filtrado temporal adicional tmin2 realizado por el tiempo de integración t int empleado:
mîn, 2 tint (23)
Por lo general, t int será establecido a un valor inferior a tmiHil para no limitar la resolución temporal definida por tminl.
Asi pues, en este caso, nacq/cycle = faca ^ 376 188 y por lo tanto tminl = — 20^ .5 =
106 ps. En estas medidas se ha fijado tmin2 = t int = 24 ps.
En la Figura 3b se muestra la evolución temporal de AT en un primer píxel de la Figura 3a, en la Figura 3c se presenta la evolución temporal de AT en un segundo píxel de la Figura 3a. Nótese que en la Figura 3b y la Figura 3c, se muestra la evolución temporal respecto la variable normalizada t/T_ock-in.
Como principal diferencia respecto a la Figura 2, la Figura 3 muestra unos valores de pico de AT más pequeños (es decir, una menor señal), pero que el método con análisis frecuencial todavía es capaz de detectar, como se muestra en las Figuras 3b y 3c. De esta forma, si se hiciera un promediado en los resultados determinados mediante reconstrucción de la forma de onda "boxear averaging” se perdería información en las transiciones abruptas o instantes donde AT varia más rápidamente, por ejemplo, en el máximo de temperatura o en los instantes de tiempo inmediatamente sucesivos, que el método con análisis frecuencial mantiene perfectamente definidos con todos sus matices, dado que toda su información espectral se ha adquirido.
En las Figuras 4a, 4b y 4c se muestra esquemáticamente la realización del método de reconstrucción por "Boxcar", aplicado a la reconstrucción de una forma de onda temporal periódica a partir de una medida térmica con cámara IR una vez ya realizada la corrección de emisividades, con el objeto de verificar la validez de los resultados obtenidos a partir del método propuesto.
En la Figura 4a se observa la evolución temporal correspondiente a un punto o píxel de la superficie del chip analizado durante n periodos de T_ock-in. En la Figura 4b se muestra como se ha realizado la adquisición de las imágenes por parte de la cámara IR (señal S). En esta subfigura se hallan marcados los intervalos de adquisición para un caso en el que T-ock-in es menor que Tadq que, a su vez, es menor que 2- T-ock-in, siendo Tadq = T-ockin Afi. El ancho del pulso de adquisición corresponde a f¡nt, es decir, el tiempo de integración tmi. En este caso, Ato indica el retraso del inicio de la adquisición respecto al inicio del periodo T-ock-in, y los sucesivos Atn indican los retrasos adicionales que desplazan el pulso de adquisición obteniendo muestras a lo largo de todo T-ock-in y finalmente reconstruyendo la señal original como se demuestra en la tercera Figura 4c. Así, se aplican los retrasos adicionales a los subsiguientes intervalos de adquisición de modo que se obtiene en cada uno una nueva muestra de la señal original, permitiendo su reconstrucción mediante la adición de todas las muestras obtenidas.
El tiempo necesario para el procesado de las imágenes infrarrojas mediante la técnica de reconstrucción de forma de onda por "Boxear” y el método con análisis frecuencial , no es muy distinto. Cabe destacar que en la reconstrucción de onda por "boxear averaging” no se aplican filtros píxel a píxel que podrían lastrar el tiempo de posprocesado con respecto al método con análisis frecuencial.
Claims (15)
1. Método para la medida cuantitativa de temperatura, que hace uso de termografía lock-in y comprende los pasos de:
- aplicar una excitación periódica a una frecuencia de repetición del evento (fiock-in) a al menos un objeto (2), polarizando el objeto;
- adquirir imágenes con una cámara (1) infrarroja (IR), detectando una señal de respuesta térmica ;
- extraer un campo de temperatura aparente;
- determinar un campo de temperatura aparente para la radiación detectada modificado por un parámetro de emisividad £;
- determinar incrementos de temperatura real a partir del campo de temperatura aparente y el parámetro de emisividad medido, y
- obtener una imagen termográfica de al menos un objeto (2).
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la etapa de extraer un campo de temperatura aparente se lleva a cabo mediante los pasos de:
- realizar una descomposición en series de Fourier de la función de intensidad de luz infrarroja de las imágenes adquiridas;
- reconstruir en el dominio temporal el campo de temperatura mediante los coeficientes de la descomposición en series de Fourier determinados para cada píxel obteniendo un campo de temperatura aparente;
- extraer el módulo de temperatura aparente;
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la etapa de extraer un campo de temperatura aparente se lleva a cabo mediante boxcar averaging, donde la frecuencia de adquisición del sistema de medida es diferente de un múltiplo de la frecuencia de repetición de la medida.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el inicio de la etapa de adquisición de imágenes con una cámara (1) infrarroja (IR) se sincroniza con el inicio de la excitación periódica.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la descomposición en series de Fourier es del tipo:
eos ( ^ ) bn sin ( ^ ) j (1)
an = XI t ^-TI2P(¿} C0S P t ) dt (2)
K = V y / ^ - P E ) Sin(2f í ) dt (3)
6. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el paso de reconstruir el campo de temperatura en el dominio temporal se lleva a cabo haciendo uso de la ecuación:
donde AT¿(r, t) es un campo de temperatura asociado a una fuente de calor i, Tp es el tiempo que se está disipando la fuente de calor y el periodo es igual a T=2Tp.
7. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la frecuencia lock-in a considerar es /Lock-in=1/(2 Tp).
8. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde existen N múltiples fuentes de calor con una disipación periódica Pi(t) que genera un campo de temperatura que se superpondrá con las diferentes componentes espectrales generadas y las diferentes fuentes de calor existentes, de modo que se obtendrá un campo de temperatura total asociado a cada una de las componentes espectrales y fuentes de calor de la forma:
A T (r,í) = l f =iA T¿(r , í ) (5)
9. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la temperatura en el punto más caliente se obtiene cuando t=Tp.
10. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el parámetro emisividad £ (x,y) modifica la radiación detectada por la cámara (1) (IR), y es definido por:
OSm (x, y) = s (x, y) OSbb (x, y) OSoffset (x, y ) (6)
donde OSoffset(x,y) se corresponde a reflexiones que se producen en la superficie bajo inspección.
11. Método de acuerdo con la reivindicación 10, donde la temperatura aparente se define, para la radiación detectada modificada por el parámetro de emisividad £:
Tapp(x,y) = l r 
_ , (7)
V OSm (x,y) !
12. Método de acuerdo con la reivindicación 11, donde un incremento de temperatura real se relaciona con la temperatura aparente a partir de la ecuación:
&Tapp(x,y) £ (A y^^^true (A y ) (8)
siendo £’:
donde OSbb (x,y,T0) y OSm(x,y,T0) son las radiaciones detectadas por la cámara (1) correspondientes a un cuerpo negro o gris, respectivamente, que se encuentran una temperatura promedio T 0 y los parámetros B, R, y F son constantes de calibración de la cámara (1) entre la radiación detectada y la temperatura medida.
13. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que además de determinar parámetros de calibración de la cámara (1) infrarroja (IR) a partir de la señal de respuesta térmica obtenida, la determinación de los parámetros de calibración de la cámara infrarroja (IR) se lleva a cabo a partir de la ecuación:
donde OSbb (x,y) es la radiación del cuerpo negro detectada con la cámara (1) IR y B, R, y F son constantes de calibración de la cámara (1) IR.
14. Programa de ordenador adaptado para llevar a cabo las etapas del método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. Un medio de almacenamiento legible mediante ordenador que comprende el programa de ordenador de la reivindicación 14.
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| ES202130687A ES2932781A1 (es) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | Metodo para la medida cuantitativa de temperatura |
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