Alguns dos acontecimentos mais importantes nos ensaios de engenharia ocorrem antes de o olho humano conseguir registá-los: um painel compósito a rachar sob impacto, um airbag a desdobrar-se, um jato a dispersar-se no interior de uma câmara de combustão, uma amostra a estreitar-se nos últimos milissegundos de um ensaio de tração. A câmara de alta velocidade regista esses acontecimentos como uma sequência de imagens. Quando combinadas com a técnica de análise adequada, essas imagens deixam de ser um vídeo em câmara lenta e tornam-se dados de medição: deslocamento, deformação e velocidade de fluxo, medidos sem tocar na amostra.
Este guia explica o que é uma câmara de alta velocidade, as especificações que determinam efetivamente se esta é adequada para um teste, os principais domínios de aplicação da imagiologia de alta velocidade — ensaios de colisão, investigação e desenvolvimento e campos de ensaio de defesa — e três técnicas de medição especializadas baseadas nesta tecnologia: Correlação de Imagens Digitais (DIC), extensometria por vídeo e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV).
O que é uma câmara de alta velocidade?
A câmara de alta velocidade é uma câmara digital concebida para gravar imagens a taxas de fotogramas muito superiores às do vídeo convencional — desde vários milhares de fotogramas por segundo até centenas de milhares e mais — com tempos de exposição suficientemente curtos para congelar movimentos rápidos. Quando reproduzido à velocidade normal, um segundo de gravação pode durar minutos, o que torna os fenómenos medidos em microssegundos observáveis e, mais importante ainda, mensuráveis.
O que distingue uma câmara científica de alta velocidade de uma câmara de consumo rápida não é apenas a taxa de fotogramas. É a combinação de:
- Obturador global. Cada pixel é exposto no mesmo instante, pelo que os objetos em movimento rápido não sofrem distorções devido à leitura sequencial de um obturador rolante.
- Exposição curta e controlável. As exposições na ordem dos microssegundos eliminam o desfoque de movimento, o que é essencial quando as imagens são utilizadas para medição e não apenas para visualização.
- Acionamento e sincronização determinísticos. A câmara inicia, pára e marca a data e a hora dos seus fotogramas em sincronia com o banco de ensaios, outras câmaras, fontes de luz e o sistema de aquisição de dados.
- Sensibilidade. As exposições curtas captam muito pouca luz, pelo que a sensibilidade do sensor e o desempenho em termos de ruído limitam diretamente o que pode ser captado.
O nosso tecnologia de câmaras de alta velocidade abrange a imagiologia visível e infravermelha, o obturador global com acionamento determinístico e sensores retroiluminados e arrefecidos a baixas temperaturas para trabalho em condições de pouca luz.
Especificações que realmente importam
Taxa de fotogramas versus resolução
Uma câmara só consegue ler um determinado número de píxeis por segundo. Para aumentar a velocidade, a área ativa do sensor é reduzida — uma técnica conhecida como «windowing». Uma câmara pode gravar à resolução máxima a alguns milhares de fotogramas por segundo e atingir taxas de fotogramas muito mais elevadas numa janela significativamente mais pequena. A escolha certa depende da física: um teste de colisão requer um campo de visão amplo a uma velocidade moderada, enquanto uma fratura ou um jato de líquido requer uma velocidade muito elevada numa região pequena. Compare sempre as câmaras com base na resolução que irá efetivamente utilizar, e não na taxa de fotogramas anunciada.
Tempo de exposição e luz
A exposição nunca pode ser superior ao intervalo entre fotogramas e, na prática, é frequentemente muito mais curta. Reduzir a exposição para metade diminui para metade a luz que chega ao sensor. É por isso que a captura de imagens em alta velocidade é tanto um problema de iluminação como um problema da câmara, e que a sensibilidade é uma especificação de primeira ordem, em vez de um mero pormenor.
Tempo de acionamento e de registo
As câmaras de alta velocidade gravam continuamente na memória, sobrescrevendo os fotogramas mais antigos, e param quando é acionado um gatilho. Isto permite à equipa guardar fotogramas de antes o evento — essencial quando não é possível prever o momento exato de interesse. O tempo de gravação é simplesmente a memória dividida pela taxa de dados: a 10 000 fotogramas por segundo, um evento de um segundo já produz 10 000 imagens, pelo que a memória, a taxa de fotogramas e a resolução têm de ser equilibradas em função da duração do evento.
O sinal de disparo não tem de provir da câmara nem de um operador. Muitas vezes, é fornecido por uma fonte externa — um sinal do banco de ensaio, um interruptor de contacto, uma barreira de luz ou o sistema de aquisição de dados — para que a gravação esteja associada ao próprio evento. As nossas câmaras de alta velocidade aceitam entradas de disparo externas precisamente por esta razão.
Sincronização com o resto do teste
As imagens revelam-se mais valiosas quando podem ser alinhadas com outras medições — carga, extensómetros, pressão, aceleração. Uma câmara que partilha uma base temporal com o sistema de aquisição de dados permite que um engenheiro identifique o fotograma exato em que ocorreu um pico de carga, e as configurações com várias câmaras baseiam-se nessa mesma sincronização para reconstruir o movimento em três dimensões.
Onde são utilizadas câmaras de alta velocidade
As câmaras de alta velocidade são utilizadas sempre que um fenómeno é demasiado rápido para ser observado e demasiado importante para ser adivinhado. Três áreas de aplicação representam a maior parte das utilizações e, em todas elas, a câmara é normalmente combinada com software de rastreio de movimento e vídeo que transforma a gravação em posições, velocidades, acelerações e tempos.
Testes de colisão e segurança dos veículos
O setor automóvel é o maior utilizador da captura de imagens de alta velocidade. Num teste de colisão, as câmaras instaladas no interior e no exterior do veículo — a bordo, onde têm de suportar cargas de choque elevadas em g — registam a cinemática do manequim, a deformação da carroçaria e o momento da ativação do airbag, em sincronia com os dados dos sensores do veículo e do manequim. O software de rastreio mede então esse movimento em 2D ou 3D e produz os relatórios exigidos pelos protocolos e regulamentos de segurança. O mesmo fluxo de trabalho abrange testes de componentes, tais como portas, janelas e limpa-vidros, testes de ativação dos airbags de forma independente, bem como ensaios de colisão e vibração em material circulante no setor ferroviário. Consulte o nosso caso de ensaio de colisão lateral e o nosso pacote de software automóvel para análise de ensaios de colisão.
Investigação e desenvolvimento
Os centros privados de I&D e as universidades utilizam câmaras de alta velocidade para estudar fenómenos que duram milésimos de segundo ou menos: combustão, fluxo de fluidos e pulverizações, microeventos, comportamento dos materiais sob impacto e o movimento de mecanismos. Os laboratórios de propulsão, materiais, estruturais, de movimento e de visualização de fluidos são utilizadores típicos. A flexibilidade é aqui mais importante do que qualquer especificação específica, uma vez que a mesma câmara pode gravar uma fratura numa semana e uma bolha de cavitação na semana seguinte. Consulte a nossa Setor da I&D e das universidades.
Campos de treino e de ensaio
Em campos de ensaio militares e em programas aeroespaciais e de defesa, a captura de imagens em alta velocidade permite registar eventos relacionados com a balística, a penetração, a projeção e a libertação e, acima de tudo, a fragmentação. Em análise de fragmentação, as câmaras registam os fragmentos produzidos por uma detonação e um software específico reconstrói as suas trajetórias e locais de impacto em 3D, deteta os impactos e o momento em que ocorrem, analisa a velocidade dos fragmentos e caracteriza a sua forma, tamanho e distribuição angular para estudos de letalidade. Consulte o nosso sistemas de fragmentação e software de análise de fragmentação.
Software de deteção de movimento e de seguimento de vídeo
Nos três domínios, a gravação representa apenas metade do resultado. O software de rastreio de movimento e vídeo segue marcadores ou características de fotograma em fotograma e fornece o que os engenheiros realmente precisam — deslocamento, velocidade, aceleração, ângulos e tempos de eventos — em 2D ou, com várias câmaras sincronizadas, em 3D, com correções para distorção ótica e geração automática de relatórios. Fornecemos o nosso software de análise de vídeo e de rastreio de movimento juntamente com as câmaras, de modo a que a câmara, a sincronização e a análise sejam definidas como um único sistema.
Técnicas de medição especializadas: DIC, extensometria por vídeo e PIV
Para além do rastreio do movimento, existem três técnicas que utilizam imagens de alta velocidade para medir grandezas físicas em todo o campo de visão: a DIC para a deformação de sólidos, a extensometria por vídeo para a deformação em ensaios de materiais e a PIV para a velocidade em fluidos. Estas técnicas respondem a necessidades mais especializadas do que as aplicações acima referidas, sendo cada uma delas descrita em pormenor a seguir.
Correlação de Imagens Digitais (DIC)
Como funciona a DIC
Correlação de Imagens Digitais mede a forma como a superfície de um objeto se move e se deforma, através do rastreio de um padrão na mesma. É aplicado à superfície um padrão de speckle aleatório e de elevado contraste — normalmente com tinta. O software divide uma imagem de referência em pequenas regiões denominadas subconjuntos e, em cada imagem subsequente, determina onde cada subconjunto se deslocou, comparando o seu padrão único com precisão subpixel. A partir desses deslocamentos, calcula a deformação em toda a superfície visível.
O resultado é um medição de campo total: ao contrário da deformação registada apenas em alguns pontos onde os medidores estão fixados, a DIC produz um mapa do deslocamento e da deformação em toda a área de interesse. As concentrações de deformação, o início de fissuras e a progressão dos danos tornam-se visíveis em locais onde os sensores pontuais não os detetariam.
DIC 2D e 3D
- DIC 2D utiliza uma única câmara e mede o deslocamento e a deformação no plano. Funciona quando a superfície é plana e permanece num plano paralelo ao sensor.
- DIC 3D (estéreo) utiliza duas ou mais câmaras calibradas que captam a superfície a partir de ângulos diferentes. Mede a forma, o movimento fora do plano e a deformação em superfícies curvas ou em movimento, o que abrange a maioria das estruturas reais.
Quando a DIC necessita de alta velocidade
A própria DIC não requer uma câmara de alta velocidade; um ensaio estrutural estático pode ser gravado a algumas imagens por segundo. A alta velocidade torna-se necessária quando a deformação é rápida: ensaios de impacto e colisão, cargas balísticas e de explosão, fratura dinâmica, vibração e caracterização de materiais com elevada taxa de deformação. A nossa software de análise de vídeo e de rastreio de movimento permite a medição da deformação, do deslocamento e da deformação superficial através de DIC 2D e 3D, a par do controlo multicâmara e do rastreio de movimento 2D/3D.
Extensometria por vídeo
O que mede um extensómetro de vídeo
Um extensómetro mede o alongamento de uma amostra ao longo de um comprimento de referência definido durante um ensaio mecânico, normalmente um ensaio de tração ou de compressão. A deformação que regista é o que define o módulo de elasticidade, o limite de escoamento e o alongamento na ruptura. A extensómetro de vídeo funciona da mesma forma do ponto de vista ótico: uma câmara rastreia marcas, alvos ou bordas ao longo da amostra e calcula a variação da distância entre eles em cada imagem.
Por que medir a deformação sem contacto?
Os extensómetros convencionais do tipo «clip-on» são fixados à amostra com bordas afiadas, tal como os sensores de força e de deformação por contacto são fixados à peça que medem (consulte o nosso guia sobre células de carga e extensómetros). Isso funciona para muitos testes, mas tem limitações que uma medição sem contacto elimina:
- Sem influência na amostra. As películas finas, as folhas metálicas, os polímeros macios, os elastómeros e os materiais biológicos podem ser danificados ou sofrer uma pré-deformação devido ao contacto.
- Medição até à falha, inclusive. Um dispositivo de fixação por clipe é normalmente removido antes da fratura, para o proteger; uma medição ótica pode acompanhar a amostra até ao final do ensaio.
- Ambientes hostis. A medição através da janela de uma câmara térmica evita que o extensómetro seja exposto ao calor ou ao frio.
- Várias medições ao mesmo tempo. A deformação axial e transversal — e, por conseguinte, grandezas como o coeficiente de Poisson — podem ser obtidas a partir das mesmas imagens.
Extensometria por vídeo a elevadas taxas de deformação
A velocidades de ensaio elevadas, um extensómetro mecânico não consegue acompanhar a amostra, o que provoca deslizamentos ou ressonância. Com uma câmara de alta velocidade, a medição ótica acompanha o ritmo do ensaio, o que torna a extensometria por vídeo uma das poucas formas práticas de medir a deformação em ensaios de tração dinâmicos. Para ensaios quase-estáticos normalizados, os extensómetros são classificados de acordo com a sua precisão, por exemplo, ao abrigo da norma ISO 9513, pelo que a classe exigida pela norma de ensaio deve fazer parte da especificação.
Extensómetro de vídeo ou DIC?
As duas técnicas estão intimamente relacionadas. Um extensómetro de vídeo monitoriza um pequeno número de pontos ao longo de um comprimento de referência e fornece a deformação solicitada por um padrão de ensaio. O DIC monitoriza toda a superfície e fornece um mapa de deformação. Na prática, é frequentemente possível definir um extensómetro virtual a partir dos dados do DIC, pelo que um conjunto de imagens de alta velocidade pode servir ambos os propósitos: o resultado padrão e a imagem de campo completo que mostra onde e como a amostra falhou efetivamente.
Fornecemos a extensometria por vídeo tanto sob a forma de um extensómetro por vídeo específico como como uma funcionalidade do nosso software de análise, dependendo da forma como se integra na configuração de ensaio existente.
Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV)
Como funciona o PIV
Velocimetria por Imagem de Partículas mede a velocidade de um fluido — ar, água, combustível, um pulverizado — em todo um plano ou volume de uma só vez. O fluxo é enriquecido com pequenas partículas marcadoras que o acompanham fielmente, tais como finas gotículas de óleo no ar ou esferas ocas de vidro na água. Uma fina camada de luz laser ilumina uma secção do fluxo, e uma câmara regista pares de imagens separadas por um intervalo de tempo muito curto e conhecido com precisão. As imagens são divididas em pequenas janelas de análise; a correlação de cada janela entre as duas imagens fornece o deslocamento das partículas dentro dela, e a divisão pelo intervalo de tempo resulta num vetor de velocidade. Repetido ao longo da imagem, isto produz um campo vetorial instantâneo do fluxo.
Configurações PIV
- PIV planar utiliza uma câmara e mede duas componentes da velocidade no plano da folha de luz.
- PIV estéreo utiliza duas câmaras para determinar as três componentes da velocidade no plano.
- PIV volumétrica e rastreio de partículas utilizar várias câmaras para reconstruir o movimento das partículas em três dimensões, captando estruturas complexas de fluxo turbulento num volume, em vez de numa secção transversal.
PIV com resolução temporal
A PIV clássica regista pares de imagens a uma baixa taxa de repetição: cada campo vetorial é um instantâneo, e os instantâneos sucessivos não estão relacionados no tempo. PIV com resolução temporal grava a altas taxas de fotogramas — normalmente milhares de fotogramas por segundo — com lasers de alta frequência de repetição ou iluminação contínua, para que a evolução do fluxo possa ser acompanhada de um campo para o seguinte. É isso que revela como os vórtices se formam e se desprendem, como a cavitação se desenvolve ou como um jato se fragmenta, e é aí que as câmaras de alta velocidade se tornam indispensáveis.
Podemos fornecer um sistema PIV completo — câmaras de alta velocidade, iluminação a laser, software de geração de fluxos e de análise — ou apenas as câmaras, caso o resto da configuração já esteja instalado.
O nosso aplicações de câmaras de alta velocidade incluem a visualização da dinâmica dos fluidos, a PIV e a fluorescência induzida por laser (LIF). Dois exemplos: imagens em alta velocidade de cavitação numa bomba de jato de água para corroborar os resultados da CFD, e Rastreio de partículas por várias câmaras em torno de uma asa em batimento para calcular campos de pressão volumétricos e forças aerodinâmicas.
Comparação entre DIC, extensometria por vídeo e PIV
| Técnica | O que mede | Aplicado a | Resultado | Testes típicos |
|---|---|---|---|---|
| Correlação de Imagens Digitais (DIC) | Deslocamento e deformação ao longo de uma superfície | Sólidos com um padrão salpicado | Mapas de deslocamento e deformação de campo completo, em 2D ou 3D | Estrutural, impacto, colisão, fratura, vibração |
| Extensometria por vídeo | Alongamento ao longo de um comprimento de referência | Amostras de ensaio de materiais | Deformação axial e transversal da amostra de ensaio | Ensaios de tração, compressão e tração dinâmica |
| Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV) | Velocidade de um fluido | Gases e líquidos com partículas em suspensão | Campos de vetores de velocidade num plano ou num volume | Aerodinâmica, pulverizações, combustão, cavitação |
Iluminação e sincronização: o desafio comum
As três técnicas dependem das mesmas duas coisas. A primeira é luz: as exposições curtas a elevadas taxas de fotogramas requerem uma iluminação intensa e sem cintilação para DIC e extensometria por vídeo, bem como impulsos de laser com temporização precisa ou luz laser contínua para PIV. O segundo é tempo: as câmaras, as fontes de luz e o equipamento de ensaio têm de funcionar em sincronia, e as imagens têm de estar alinhadas com o resto dos dados medidos. A maioria dos problemas relacionados com a medição baseada em imagens deve-se a um destes dois fatores, e não ao software de análise.
É por isso que uma configuração de imagem de alta velocidade deve ser definida como um sistema — composto por câmara, ótica, iluminação, sincronização e software de análise — em vez de ser especificada câmara a câmara. É também por isso que o mesmo equipamento pode ser utilizado em aplicações tão diferentes como um ensaio de colisão de veículos, um ensaio de fragmentação num campo de ensaios e uma medição de caudal num laboratório universitário.
Perguntas frequentes
Quantos fotogramas por segundo é que uma câmara de alta velocidade precisa?
Depende da rapidez do evento e do número de imagens de que precisa. Calcule a duração do fenómeno, decida quantos fotogramas serão necessários para o cobrir e faça a divisão. Um impacto com duração de cerca de 100 milissegundos é normalmente gravado a cerca de 1 000 fotogramas por segundo; uma fratura ou um jato de líquido pode exigir dezenas de milhares. Em seguida, verifique se a câmara atinge essa velocidade com a resolução exigida pela medição.
O DIC e a extensometria por vídeo podem utilizar a mesma câmara?
Sim. Ambos funcionam a partir de imagens da superfície da amostra, e muitas vezes é possível definir um extensómetro virtual a partir dos dados DIC. A preparação da superfície difere: o DIC requer um padrão aleatório de speckle, enquanto um extensómetro de vídeo pode funcionar a partir de marcas ou arestas simples.
Qual é a diferença entre o DIC 2D e o DIC 3D?
O DIC 2D utiliza uma câmara e mede o deslocamento e a deformação no plano numa superfície plana que permanece paralela ao sensor. O DIC 3D utiliza duas ou mais câmaras calibradas e mede também a forma e o movimento fora do plano, o que o torna adequado para superfícies curvas e peças que se aproximam ou se afastam da câmara.
Por que é que a PIV precisa de um laser?
A PIV tem de iluminar apenas uma fina secção do fluxo, com grande intensidade, durante um período de tempo muito curto, para que as partículas traçadoras apareçam como pontos nítidos e seja possível medir o seu deslocamento entre duas imagens. Um laser que forma uma folha de luz é a forma mais prática de cumprir estas três condições.
A captura de imagens em alta velocidade requer iluminação especial?
Quase sempre. Em taxas de fotogramas elevadas, a exposição de cada imagem é extremamente curta, pelo que é necessária muito mais luz do que num vídeo normal. A iluminação LED contínua e sem cintilação é comum na DIC, na extensometria por vídeo e na gravação de alta velocidade em geral; a iluminação de corrente alternada cintila e manifesta-se como variações de brilho entre fotogramas.
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