Seleccionar el material adecuado para las ventanas es fundamental para garantizar el rendimiento fiable de las carcasas de las cámaras en entornos industriales exigentes. Factores como el alcance de transmisión, la durabilidad, la resistencia térmica y la estabilidad química inciden en la precisión y la longevidad del sistema. Además, las restricciones a la importación, los aranceles y los embargos, como los que afectan al germanio, pueden limitar el acceso a los materiales tradicionalmente preferidos, por lo que es fundamental explorar alternativas viables y rentables adaptadas a aplicaciones específicas.
Al operar en condiciones adversas, los sensores IR deben estar protegidos por carcasas robustas, manteniendo una imagen nítida y una lectura precisa de la temperatura. La monitorización proactiva de los procesos industriales puede informar y mejorar la eficiencia de la producción, el control de calidad y la seguridad de los empleados.
Sin embargo, lograr la eficacia de este monitoreo requiere alta precisión y exactitud. Un paso crucial en el diseño de un sistema de monitoreo de luz infrarroja o visible es seleccionar los materiales adecuados para la ventana. Los factores ambientales pueden degradar la calidad de la imagen, generar lecturas de temperatura inexactas e incluso causar daños físicos a la ventana, lo que podría bloquear secciones enteras del campo de visión.
Propiedades a considerar
Los distintos materiales tendrán diferentes propiedades que es importante tener en cuenta, como el rango de luz que permiten atravesar, su rendimiento en altas temperaturas o entornos hostiles, así como su durabilidad, disponibilidad y costo.
Rango de transmisión (µm)
El rango de transmisión, en relación con el material de una ventana, es el rango de longitudes de onda que pueden atravesarla sin una pérdida significativa de energía, expresado como el porcentaje de transmisividad. Cada objeto y su propiedad de interés pueden requerir diferentes longitudes de onda del espectro IR o incluso de la luz visible para proporcionar una medición precisa y completa. Al elegir un material para una ventana, lo primero que debe considerar es su aplicación, ya que cada material tiene un rango de longitudes de onda que pueden transmitirse a los sensores de la cámara sin una pérdida significativa de energía.
Dureza (escala de Mohs o Knoop)
La dureza del material indica su resistencia a los daños superficiales causados por la abrasión. Las cámaras que se instalen cerca de escombros proyectados requerirán ventanas más resistentes para protegerlas y reducir los defectos que podrían generar puntos ciegos en el campo de visión.
Resistencia del material
Las ventanas en entornos hostiles deben ser altamente resistentes a impactos y tensiones mecánicas, que pueden resultar de la proyección de partículas, vibraciones en el lugar de montaje de la cámara o la dilatación térmica de los componentes de la carcasa. Sin embargo, en algunos casos, los materiales de menor resistencia pueden complementarse con rejillas de protección. La resistencia y la dureza del material son factores importantes para la durabilidad general de la ventana.
Costo y disponibilidad
En el caso de los materiales de alto rendimiento, su mayor coste puede no ser siempre necesario, especialmente según las necesidades específicas de la aplicación. El germanio, considerado el “estándar de oro” en materiales para ventanas infrarrojas, se encuentra actualmente en escasez global debido a los controles de exportación desde China, que lidera la producción mundial con un amplio margen, la alta demanda en industrias críticas y en crecimiento como las comunicaciones por fibra óptica, las aleaciones de semiconductores, las aplicaciones de visión artificial y la generación de energía solar, y las bajas tasas de reciclaje, que solo representan entre el 3 % y el 5 % del germanio producido.
Si bien muchos países están intentando aumentar la producción e implementar iniciativas de reciclaje, es probable que la solución tarde varios años.
Temperatura máxima de funcionamiento (°C)
Algunos materiales pueden perder transmisividad o claridad al exponerse a un calor excesivo. Esto puede deberse a una mayor absorción de radiación infrarroja (fuga térmica), así como a fallos mecánicos en su estructura. Al seleccionar una ventana, se deben considerar los promedios a largo plazo y los picos de temperatura a corto plazo del entorno.
Resistencia química
La resistencia química mide cómo reacciona el material a factores como la humedad, los corrosivos y otras sustancias químicas. Las cámaras que se expongan a entornos húmedos o corrosivos requerirán una mayor resistencia química para mantener su transmisividad y claridad.
Índice de refracción (@10 µm)
El índice de refracción de un material afecta la desviación de la luz al atravesarlo, generalmente en las superficies. Los materiales para ventanas con un índice de refracción más alto requieren recubrimientos antirreflectantes (AR) para permitir que llegue más luz al sensor. Los recubrimientos antirreflectantes en el lado del sensor de la ventana también evitan que el reflejo de la cámara bloquee la visión del sujeto (efecto Narciso) y mejoran el funcionamiento de las cámaras con enfoque automático.
Conductividad térmica (W/m·K)
La conductividad térmica es la capacidad del material para disipar el calor. Una alta conductividad térmica es un factor importante en los sistemas IR, ya que suelen estar ubicados en entornos de alta temperatura. Elegir un valor adecuado de conductividad térmica es fundamental para evitar distorsiones o daños térmicos, tanto en la cámara como en la propia ventana.
En conclusión, la selección del material de las ventanas para las carcasas de las cámaras requiere un equilibrio entre varios factores clave: rendimiento óptico (incluido el rango de transmisión y el índice de refracción), propiedades mecánicas (como la dureza y la resistencia del material), resistencia ambiental (resistencia térmica, química y a impactos) y consideraciones prácticas como el costo y la disponibilidad. Materiales como el germanio, el zafiro, el seleniuro de zinc y los vidrios especiales ofrecen distintas ventajas y limitaciones según la aplicación.
Si bien el germanio se ha considerado durante mucho tiempo el estándar de oro para aplicaciones infrarrojas, su creciente costo y su disponibilidad limitada debido a las restricciones comerciales globales resaltan la importancia de evaluar materiales alternativos. En última instancia, la mejor opción depende del entorno operativo, los requisitos de imagen y las limitaciones presupuestarias, lo que requiere un enfoque a medida para garantizar la confiabilidad y el rendimiento a largo plazo.
Este artículo fue desarrollado por el especialista Patrick Thomas y publicado como parte de la sexta edición de la revista Inspenet Brief Septiembre 2025, dedicada a contenidos técnicos del sector energético e industrial.
