DE102005053203A1 - Verfahren zur Synchronisation von elektrischer Signalerfassung und einer Infrarot-Kamera - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur synchronisierten Erfassung von analogen elektrischen Signalen und von Bilddaten einer Infrarot-Kamera. Dazu wird das elektrische Signal der Infrarot-Kamera zugeführt und von einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert. Die Erfassung und Digitalisierung erfolgt dabei in einem elektronisch festgelegten zeitlichen Abstand zur Aufnahme der Bilddaten. Der digitalisierte Wert wird zu den digitalen Bilddaten hinzugefügt, wodurch die Signale eindeutig einander zugeordnet sind. Die kombinierten Daten können dann ohne Verlust der Zuordnung zu einem Bildverarbeitungs-System übertragen werden. Im Bildverarbeitungs-System werden die Informationen wieder getrennt und weiterverarbeitet.

Description

• Die IRCAM GmbH entwickelt und fertigt hochwertige Infrarot-Kameras (IR-Kameras), welche hauptsächlich im Bereich Forschung und in der industriellen zerstörungsfreien Prüfung eingesetzt werden. Diese IR-Kameras verwenden gekühlte 2-dimensionale Detektor-Arrays. Sie sind üblicherweise an ein Bildverarbeitungssystem (Computer-basiert) angeschlossen, mit dem die Bilddaten verarbeitet und dargestellt werden. Die IR-Kameras detektieren Strahlung im Wellenlängenbereich 3–14 μm (häufig als Wärmestrahlung bezeichnet).
• Die Bild gebende IR-Technik wird oft als „Thermografie" bezeichnet. In der Thermografie unterscheidet man zwischen der passiven und der aktiven Thermografie. Bei der passiven Thermografie wird lediglich ein IR-Bild von einer Szene aufgenommen, ein „Wärmebild". Bei der aktiven Thermografie wird ein zu untersuchendes Objekt auf verschiedenste Weise thermisch angeregt. Da die thermischen Eigenschaften eines Objektes häufig mit anderen Eigenschaften des Objektes zusammenhängen ist es möglich, durch Untersuchung des thermischen Verhaltens auf andere Eigenschaften Rückschlüsse zu ziehen und sogar quantitative Ergebnisse zu erzielen. Häufig ist dabei das Ziel, unerwünschte Merkmale (Defekte) in einem Bauteil zu identifizieren. Die aktive Thermografie ist also hauptsächlich ein Messverfahren aus dem Bereich der zerstörungsfreien Prüfung.
• Die thermische Anregung kann z.B. auf folgende Weisen erfolgen:
• a) elektrisch (durch direkte Stromheizung oder induktive Erwärmung mit Wirbelströmen)
• b) mechanisch (z.B. durch Verformung)
• c) optisch (durch Lichtbestrahlung mit Laser, Blitz, etc)
• d) akustisch (z.B. durch Ultraschall-Einkopplung)
• Die resultierenden thermischen Effekte können – abhängig von der Stärke der Anregung – sehr klein sein. Unterhalb einer bestimmten Schwelle können sie mit einer IR-Kamera nicht mehr detektiert werden. Die leistungsfähigsten IR-Kameras haben derzeit eine Messgrenze von ca. 10 Milli-Kelvin NETD (noise equivalent temperature difference) für ein einzelnes IR-Bild.
• Für sehr kleine Mess-Signale kann die Messgrenze mit speziellen Messverfahren erweitert werden. Dies geschieht z.B. dadurch, dass das Kamerabild mit einem separat gewonnenen Referenz-Signal korreliert wird. Das Referenz-Signal kommt üblicherweise von der Anregungsquelle. Das Referenz-Signal kann z.B. von einem Kraft- oder Wegsensor stammen, welcher an der Anregungsquelle oder dem Messobjekt angeschlossen ist.
• Die Steigerung der Messempfindlichkeit wird zum einen durch die Mittelung über viele Einzel-IR-Bilder, zum anderen durch die Korrelation mit dem Referenz-Signal erreicht. Im Falle einer periodischen Anregung spricht man von „Lock-in-Verfahren". Jedes aufgenommene IR-Bild wird beim Lock-in-Verfahren mit einer Gewichtungs-Funktion multipliziert und aufsummiert. Gleiches geschieht mit einer um 90° phasenverschobenen Gewichtungs-Funktion (z.B. Sinus und Cosinus), sodass man zwei Summenbilder erhält. Die zwei Summenbilder können dann zu den rausch-reduzierten Bildern weiterverarbeitet werden. Eine detaillierte Beschreibung des Lock-in-Verfahrens für Thermografie findet sich in [2]. Eine wichtige Anwendung ist die thermoelastische Spannungsanalyse [1]. Weitere Anwendungen der Lock-in-Thermografie werden in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben [3].
• Eine zeitlich exakte Zuordnung des Referenz-Signals zu einem IR-Bild ist für das Verfahren sehr wichtig, da sonst die Berechnung der Summenbilder fehlerhaft wird. Im Extremfall ergibt sich eine komplette Auslöschung des Mess-Signals. Eine schematische Darstellung der Zuordnung von Referenz-Signal und IR-Bildern erfolgt mit der 1). In dieser Darstellung wird jeweils ein Referenz-Signal-Wert (2) einem Bild (1) zugeordnet.
• Existierende Verfahren zur Sicherstellung der Synchronität basieren z.B. darauf, dass die Anregungsquelle mit einem Signal moduliert wird, welches elektronisch vom Bild-Takt der Kamera abgeleitet wird. In diesem Fall entspricht die Anregungsfrequenz der Kamera-Bildwiederholrate, geteilt durch eine ganze Zahl. Dies bedeutet eine Einschränkung, da die Anregungsfrequenz nicht frei gewählt werden kann.
• Wenn Kamera und Anregungsquelle nicht zueinander synchronisiert werden können, muss das Referenz-Signal unabhängig vom Kamerasignal gemessen werden. Bei der üblicherweise Computer-gestützten Erfassung von Kamera- und Referenz-Signalen ergibt sich hier eine technische Schwierigkeit. Das Bild-Signal und das Referenz-Signal gelangen auf getrennten Wegen in den Computer, das Bild-Signal z.B. über eine Bilderfassungskarte („Framegrabber"), das Referenz-Signal über A/D-Wandler-Karte. Die Signale können dann nur mit einer zeitlichen Ungenauigkeit einander zugeordnet werden, was die Messgenauigkeit herabsetzt. Insbesondere bei schnell veränderlichen Referenz-Signalen und Kamera-Bildwiederholraten im Kilohertz-Bereich ist die Messungenauigkeit groß.
• Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, das die zeitlich exakte Zuordnung von Kamera-Signalen und Referenz-Signalen ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Verfahren erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
• Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass die IR-Kamera mit einer Schnittstelle ausgestattet ist, welche die Erfassung des Referenz-Signals ermöglicht. Der Zeitpunkt der Erfassung des Bildes und der Erfassung des Referenz-Signals wird durch die Kamera-interne Elektronik festgelegt. Das (analoge) Referenz-Signal wird durch einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Das digitale Signal wird durch die Kamerainterne Elektronik zu den Bilddaten hinzugefügt, wodurch beide Signale einander eindeutig zugeordnet sind.
• Die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles erfolgt mit der 2). Ein Messobjekt (3) wird mit der IR-Kamera (6) untersucht, d.h. die IR-Kamera misst die vom Messobjekt ausgehende Infrarot-Strahlung. Durch einen Sensor am Messobjekt wird ein analoges Referenz-Signal erzeugt. Dieses Referenz-Signal wird zur IR-Kamera übertragen (4). Das Referenz-Signal wird digital gewandelt und zusammen mit den digitalen Bilddaten zum Bildverarbeitungssystem (5) übertragen. Auf dem Bildverarbeitungssystem wird durch eine Software die Bildinformation wieder von den Referenz-Signal-Daten getrennt. Danach korreliert die Software die Bildinformation und das Referenz-Signal derart, dass z.B. das Lock-in-Verfahren angewandt werden kann.
• Pro aufgenommenem Bild kann in bestimmter zeitlicher Abfolge einmal oder mehrere Male (für höhere zeitliche Auflösung) das Referenz-Signal gemessen und digitalisiert werden. Die Schnittstelle ist außerdem mit einem Signalausgang ausgestattet. Dieser Signalausgang ermöglicht die Erzeugung von Impulsen, welche zur Ansteuerung einer Anregungsquelle verwendet werden können. Die zeitlichen Abläufe bei der Erfassung der Daten werden durch die kamera-interne Elektronik bestimmt. Die entsprechenden Parameter können am Computer gesetzt und zur Kamera übertragen werden.
• 1) Darstellung der zeitlichen Abfolge bei der Erfassung von Kamerabild und Referenz-Signal.

1

Aufeinander folgende Bilder der IR-Kamera.

2

Zeitlicher Verlauf eines analogen Referenz-Signals. Die kleinen Kreise markieren den Zeitpunkt der Aufnahme eines Messwertes.

• 2) Schema eines Ausführungsbeispieles für einen erfindungsgemäßen Aufbau.

3

Messobjekt, welches mit Hilfe der IR-Kamera untersucht wird

4

Elektrisches Referenz-Signal, welches am Messobjekt abgegriffen und zur IR-Kamera übertragen wird

5

Bildverarbeitungs-System, welches die von der IR-Kamera gelieferten Bilddaten verarbeitet (z.B. Computer mit Framegrabber)

6

IR-Kamera mit erfindungsgemäßer Schnittstelle für elektrische Signale

• Referenzen
• [1] www.stressphotonics.com
• [2] O. Breitenstein, „Lock-in Thermography", Springer Verlag, ISBN 3-540-43439-9
• [3] www.zfp.uni-stuttgart.de, Veröffentlichungen zur Thermografie

Claims (6)

1. Verfahren zur Erfassung von digitalen IR-Kamera-Bilddaten und analogen elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen elektrischen Signale der IR-Kamera extern zugeführt und digital gewandelt werden und dass die Erfassung in einem definierten zeitlichen Abstand zur Erfassung der Bilddaten erfolgt und dass die digital gewandelten Analogdaten und die Bilddaten kombiniert und zu einem angeschlossenen Bildverarbeitungssystem übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro IR-Bild im bestimmten zeitlichen Abstand mehrere Wandlungen der Analogdaten stattfinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digital gewandelten Analogdaten in ungenutzte Bits der Bilddaten integriert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digital gewandelten Analogdaten in den Bilddaten in zusätzlichen Bildzeilen integriert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gewandelte elektrische Signal dazu verwendet wird, den Start der Bildaufnahme zu steuern.
6. IR-Kamera mit einer Schnittstelle zur Erfassung extern zugeführter analoger elektrischer Signale, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.