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紅外測(cè)溫儀工作原理及應(yīng)用（一）
2015-01-14
1.概述
紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來(lái)非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展性能不斷完善功能不斷增強(qiáng)品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。比起接觸式測(cè)溫方法紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。非接觸紅外測(cè)溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列并備有各種選件和計(jì)算機(jī)軟件每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中正確選擇紅外測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是十分重要的。
紅外檢測(cè)技術(shù)是“九五”國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目紅外檢測(cè)是一種在線監(jiān)測(cè)(不停電)式高科技檢測(cè)技術(shù)它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)將其熱像顯示在熒光屏上從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)不停地向外輻射紅外熱能從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過(guò)吸收這種紅外輻射能量測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多如紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見(jiàn)的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像使測(cè)試效果直觀靈敏度高能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況可靠性高對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。
紅外診斷技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預(yù)測(cè)使傳統(tǒng)電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)維修(預(yù)防試驗(yàn)是50年代引進(jìn)前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn))提高到預(yù)知狀態(tài)檢修這也是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的方向。特別是現(xiàn)在大機(jī)組、超高電壓的發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定提出了越來(lái)越高的要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善利用紅外狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障(幾乎可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的檢測(cè))。它備受?chē)?guó)內(nèi)外電力行業(yè)的重視(國(guó)外70年代后期普遍應(yīng)用的一種先進(jìn)狀態(tài)檢修體制)并得到快速發(fā)展。紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益降低維修成本都有很重要的意義。是目前在預(yù)知檢修領(lǐng)域中普遍推廣的一種很好手段又能使維修水平和設(shè)備的健康水平上一個(gè)臺(tái)階。
采用紅外成像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。
利用熱像儀檢測(cè)在線電氣設(shè)備的方法是紅外溫度記錄法。紅外溫度記錄法是工業(yè)上用來(lái)無(wú)損探測(cè)檢測(cè)設(shè)備性能和掌握其運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式(如熱電偶、不同熔點(diǎn)的蠟片等放置在被測(cè)物表面或體內(nèi))相比熱像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度通過(guò)掃描還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖而且靈敏度高不受電磁場(chǎng)干擾便于現(xiàn)場(chǎng)使用。它可以在-20℃～2000℃的寬量程內(nèi)以0.05℃的高分辨率檢測(cè)電氣設(shè)備的熱致故障揭示出如導(dǎo)線接頭或線夾發(fā)熱以及電氣設(shè)備中的局部過(guò)熱點(diǎn)等等。
帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)是一門(mén)新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)采用專用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門(mén)綜合技術(shù)。
2.紅外基礎(chǔ)理論
1672年人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光（白光）是由各種顏色的光復(fù)合而成同時(shí)牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽(yáng)光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年英國(guó)物理學(xué)家F. W. 赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí)有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住并在板上開(kāi)了一個(gè)矩形孔孔內(nèi)裝一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡時(shí)便被分解為彩色光帶并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計(jì)來(lái)測(cè)定周?chē)h(huán)境溫度。試驗(yàn)中他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)比室內(nèi)其他溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線外還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線”這種看不見(jiàn)的“熱線”位于紅色光外側(cè)叫做紅外線。紅外線是一種電磁波具有與無(wú)線電波及可見(jiàn)光一樣的本質(zhì)紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟了一條全新的廣闊道路。
紅外線的波長(zhǎng)在0.76～100μm之間按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)并不停地輻射出熱紅外能量分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈輻射的能量愈大反之輻射的能量愈小。
溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過(guò)紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布經(jīng)電子系統(tǒng)處理傳至顯示屏上得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)行分析判斷。
2.1熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描并聚焦在單元或分光探測(cè)器上由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱與可見(jiàn)光圖像相比缺少層次和立體感因此在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng)常采用一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能如圖像亮度、對(duì)比度的控制實(shí)標(biāo)校正偽色彩描繪等技術(shù)
2.2熱像儀的發(fā)展
1800年英國(guó)物理學(xué)家F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線從此開(kāi)辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二次世界大戰(zhàn)后首先由美國(guó)德克薩蘭儀器公司經(jīng)過(guò)近一年的探索開(kāi)發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置稱之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR）它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀后來(lái)隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展才開(kāi)始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。
六十年代早期瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像裝置它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以增加了測(cè)溫的功能稱之為紅外熱像儀。
開(kāi)始由于保密的原因在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也僅限于軍用投入應(yīng)用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支撐投入的研制開(kāi)發(fā)費(fèi)用很大儀器的成本也很高。以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn)采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求通過(guò)減小掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。
六十年代中期AGA公司研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)（THV）該系統(tǒng)由液氮致冷110V電源電壓供電重約35公斤因此使用中便攜性很差經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn)1986年研制的紅外熱像儀已無(wú)需液氮或高壓氣而以熱電方式致冷可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀將溫度的測(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體重量小于7公斤儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
九十年代中期美國(guó)FSI公司首先研制成功由軍用技術(shù)（FPA）轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀（CCD）屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置技術(shù)功能更加先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上即完成全部操作各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)最后直接得出檢測(cè)報(bào)告由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變?nèi)〈藦?fù)雜的機(jī)械掃描儀器重量已小于二公斤使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣單手即可方便地操作。
如今紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。
2.3熱像儀分類
紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元（元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器用單元探測(cè)器時(shí)速度慢主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀屬新一代的熱成像裝置在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面并且圖像更加清晰使用更加方便，漆膜測(cè)厚儀儀器非常小巧輕便同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)連續(xù)放大點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能儀器采用PC卡存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過(guò)熱釋電攝像管（PEV）接受被測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見(jiàn)熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)因此熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件它是一種實(shí)時(shí)成像寬譜成像（對(duì)3～5μm及8～14μm有較好的頻率響應(yīng)）具有中等分辨率的熱成像器件主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有：
2.3.1工作波段；工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域一般是3～5μm或8～12μm。
2.3.2探測(cè)器類型；探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器其采用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。
2.3.3掃描制式；一般為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電視制式PAL制式。
2.3.4顯示方式；指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
2.3.5溫度測(cè)定范圍；指測(cè)定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。
2.3.6測(cè)溫準(zhǔn)確度；指紅外熱像儀測(cè)溫的最大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。
2.3.7最大工作時(shí)間；紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。
紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近20年來(lái)非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展性能不斷完善功能不斷增強(qiáng)品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。比起接觸式測(cè)溫方法紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。非接觸紅外測(cè)溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列并備有各種選件和計(jì)算機(jī)軟件每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中正確選擇紅外測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是十分重要的。
紅外檢測(cè)技術(shù)是“九五”國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目紅外檢測(cè)是一種在線監(jiān)測(cè)(不停電)式高科技檢測(cè)技術(shù)它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)將其熱像顯示在熒光屏上從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)不停地向外輻射紅外熱能從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過(guò)吸收這種紅外輻射能量測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多如紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見(jiàn)的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像使測(cè)試效果直觀靈敏度高能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況可靠性高對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。
紅外診斷技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預(yù)測(cè)使傳統(tǒng)電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)維修(預(yù)防試驗(yàn)是50年代引進(jìn)前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn))提高到預(yù)知狀態(tài)檢修這也是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的方向。特別是現(xiàn)在大機(jī)組、超高電壓的發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定提出了越來(lái)越高的要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善利用紅外狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障(幾乎可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的檢測(cè))。它備受?chē)?guó)內(nèi)外電力行業(yè)的重視(國(guó)外70年代后期普遍應(yīng)用的一種先進(jìn)狀態(tài)檢修體制)并得到快速發(fā)展。紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益降低維修成本都有很重要的意義。是目前在預(yù)知檢修領(lǐng)域中普遍推廣的一種很好手段又能使維修水平和設(shè)備的健康水平上一個(gè)臺(tái)階。
采用紅外成像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。
利用熱像儀檢測(cè)在線電氣設(shè)備的方法是紅外溫度記錄法。紅外溫度記錄法是工業(yè)上用來(lái)無(wú)損探測(cè)檢測(cè)設(shè)備性能和掌握其運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式(如熱電偶、不同熔點(diǎn)的蠟片等放置在被測(cè)物表面或體內(nèi))相比熱像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度通過(guò)掃描還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖而且靈敏度高不受電磁場(chǎng)干擾便于現(xiàn)場(chǎng)使用。它可以在-20℃～2000℃的寬量程內(nèi)以0.05℃的高分辨率檢測(cè)電氣設(shè)備的熱致故障揭示出如導(dǎo)線接頭或線夾發(fā)熱以及電氣設(shè)備中的局部過(guò)熱點(diǎn)等等。
帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)是一門(mén)新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)采用專用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門(mén)綜合技術(shù)。
2.紅外基礎(chǔ)理論
1672年人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光（白光）是由各種顏色的光復(fù)合而成同時(shí)牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽(yáng)光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年英國(guó)物理學(xué)家F. W. 赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí)有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住并在板上開(kāi)了一個(gè)矩形孔孔內(nèi)裝一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡時(shí)便被分解為彩色光帶并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計(jì)來(lái)測(cè)定周?chē)h(huán)境溫度。試驗(yàn)中他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)比室內(nèi)其他溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線外還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線”這種看不見(jiàn)的“熱線”位于紅色光外側(cè)叫做紅外線。紅外線是一種電磁波具有與無(wú)線電波及可見(jiàn)光一樣的本質(zhì)紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟了一條全新的廣闊道路。
紅外線的波長(zhǎng)在0.76～100μm之間按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)并不停地輻射出熱紅外能量分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈輻射的能量愈大反之輻射的能量愈小。
溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過(guò)紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布經(jīng)電子系統(tǒng)處理傳至顯示屏上得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)行分析判斷。
2.1熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描并聚焦在單元或分光探測(cè)器上由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱與可見(jiàn)光圖像相比缺少層次和立體感因此在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng)常采用一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能如圖像亮度、對(duì)比度的控制實(shí)標(biāo)校正偽色彩描繪等技術(shù)
2.2熱像儀的發(fā)展
1800年英國(guó)物理學(xué)家F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線從此開(kāi)辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二次世界大戰(zhàn)后首先由美國(guó)德克薩蘭儀器公司經(jīng)過(guò)近一年的探索開(kāi)發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置稱之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR）它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀后來(lái)隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展才開(kāi)始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。
六十年代早期瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像裝置它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以增加了測(cè)溫的功能稱之為紅外熱像儀。
開(kāi)始由于保密的原因在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也僅限于軍用投入應(yīng)用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支撐投入的研制開(kāi)發(fā)費(fèi)用很大儀器的成本也很高。以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn)采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求通過(guò)減小掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。
六十年代中期AGA公司研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)（THV）該系統(tǒng)由液氮致冷110V電源電壓供電重約35公斤因此使用中便攜性很差經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn)1986年研制的紅外熱像儀已無(wú)需液氮或高壓氣而以熱電方式致冷可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀將溫度的測(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體重量小于7公斤儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
九十年代中期美國(guó)FSI公司首先研制成功由軍用技術(shù)（FPA）轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀（CCD）屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置技術(shù)功能更加先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上即完成全部操作各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)最后直接得出檢測(cè)報(bào)告由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變?nèi)〈藦?fù)雜的機(jī)械掃描儀器重量已小于二公斤使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣單手即可方便地操作。
如今紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。
2.3熱像儀分類
紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元（元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器用單元探測(cè)器時(shí)速度慢主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀屬新一代的熱成像裝置在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面并且圖像更加清晰使用更加方便，漆膜測(cè)厚儀儀器非常小巧輕便同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)連續(xù)放大點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能儀器采用PC卡存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過(guò)熱釋電攝像管（PEV）接受被測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見(jiàn)熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)因此熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件它是一種實(shí)時(shí)成像寬譜成像（對(duì)3～5μm及8～14μm有較好的頻率響應(yīng)）具有中等分辨率的熱成像器件主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有：
2.3.1工作波段；工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域一般是3～5μm或8～12μm。
2.3.2探測(cè)器類型；探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器其采用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。
2.3.3掃描制式；一般為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電視制式PAL制式。
2.3.4顯示方式；指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
2.3.5溫度測(cè)定范圍；指測(cè)定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。
2.3.6測(cè)溫準(zhǔn)確度；指紅外熱像儀測(cè)溫的最大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。
2.3.7最大工作時(shí)間；紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。
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