孫朝斌，石明華，馬衛(wèi)民，郭海生

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

紅外熱像儀是指定波長(zhǎng)范圍(1～3 μm，3～5 μm，8 ～13 μm)［1］的光譜輻射測(cè)溫裝置。它基于電成像、圖像處理存貯等技術(shù)應(yīng)用，以獲取被測(cè)物體表面熱像圖，判斷被測(cè)量物體工況的實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器。

本文基于紅外熱像儀數(shù)據(jù)采集方法和國(guó)內(nèi)外儀器設(shè)備無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用研究和熱像儀的船舶工程應(yīng)用，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了集熱像圖采集、處理、存貯和利用的熱像圖圖文信息采集管理方案。該方案使熱像圖的采集、處理和利用更為科學(xué)和實(shí)用，同比節(jié)約大量的人力和財(cái)力，使熱像圖在防范船用設(shè)備隱患中起到預(yù)警作用。

1 紅外熱像儀測(cè)溫原理和影響測(cè)溫的因素

普朗克定律［2］是以黑體(黑體是能全部吸收電磁輻射而毫無(wú)反射和透射的理想物體)輻射理論為基礎(chǔ)，揭示了黑體輻射能量在不同的溫度下按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中:Wλ為黑體光譜輻射能量密度，W/(m2·μm);λ為輻射電磁波的波長(zhǎng)，μm;T為黑體熱力學(xué)溫度，K;c1為第一輻射常數(shù)，c1=3.742×10－16W·m2;c2為第二輻射常數(shù)，c2=1.4388×10－2m·K。

從表達(dá)式可知，物體的溫度T與輻射物體的光譜輻射能量密度Wλ和光譜的波長(zhǎng)λ密切相關(guān)，故波長(zhǎng)是熱像儀選用的先決條件。

2 紅外熱像儀數(shù)據(jù)采集、處理、利用存在的問(wèn)題及對(duì)策

除第2.1.1節(jié)外，本項(xiàng)測(cè)試中獲取的溫度均為默認(rèn)設(shè)置(發(fā)射率為0.95，背景溫度為10.0℃)下得到的溫度值，并非被測(cè)物體表面的真實(shí)溫度。

2.1 紅外熱像儀圖像采集中的問(wèn)題

通常情況下，黑體吸收外來(lái)的電磁輻射與發(fā)射電磁輻射的能力比同溫度下的任何物體都強(qiáng)。但在實(shí)際工作中的物體基本上都屬于灰體，當(dāng)紅外輻射到物體表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生透射、吸收和反射，造成物體光譜輻射能量密度的不確定性，使測(cè)試的絕對(duì)溫度存在偏差。另外，由于圖像采集沒(méi)有相對(duì)規(guī)范的操作流程及強(qiáng)制性要求，使得被測(cè)物體發(fā)射率、透射率、環(huán)境溫度等環(huán)節(jié)上影響不統(tǒng)一，損失了測(cè)量精度。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

2.1.1 被測(cè)物體發(fā)射率的影響

以FLUKE Ti50紅外熱像儀對(duì)船用柴油機(jī)后軸承端蓋進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試條件為:熱像儀距離柴油機(jī)后軸承端蓋1 m，正對(duì)軸承端蓋拍攝，周圍無(wú)其他干擾熱源。監(jiān)測(cè)軸承的水銀溫度計(jì)顯示32℃。改變熱像儀發(fā)射率設(shè)置值觀察對(duì)測(cè)量值的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1示。

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由表1可見(jiàn)，選擇的發(fā)射率值越小，獲取的物體表面溫度值越高，由于設(shè)置不當(dāng)產(chǎn)生的最大溫差可達(dá)到實(shí)際被測(cè)溫度的1.5倍。當(dāng)發(fā)射率選在0.88時(shí)熱像儀測(cè)得的平均溫度與監(jiān)測(cè)軸承溫度的水銀溫度計(jì)示值接近。為此，熱像儀使用時(shí)應(yīng)設(shè)置物體發(fā)射率值。但通常情況下，熱像儀使用者大多不是材料分析人員，不能準(zhǔn)確地判定材料的發(fā)射率，導(dǎo)致熱像儀使用中準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)難點(diǎn)。

2.1.2 被測(cè)物體透射率的影響

實(shí)際工作中，設(shè)備內(nèi)部溫度的異常并不能立刻從設(shè)備外殼上反映出來(lái)。發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱輻射對(duì)包圍其外殼的穿透能力低于外殼對(duì)它的反射能力。隨著外殼厚度的增加，穿透外殼所耗費(fèi)的時(shí)間隨之延長(zhǎng)［3］。因此，要提高故障檢出率，必須提高對(duì)設(shè)備外表溫度微弱變化的分辨能力。

2.1.3 被測(cè)物體與熱像儀鏡頭相對(duì)位置的影響

圖1為FLUKE Ti50熱像儀鏡頭的上下位置與柴油機(jī)軸承端蓋保持水平時(shí)，熱像儀向左或右移動(dòng)到指定距離獲取的溫度數(shù)據(jù)。

圖1 距離測(cè)試點(diǎn)2 m，向左或右偏移獲取的船用柴油機(jī)軸承端蓋溫度數(shù)據(jù)Fig.1 Temperatures of the diesel engine cover，2 meter apart(from the left to the right)

當(dāng)距離測(cè)試點(diǎn)2 m時(shí)，因向左偏移受船空間限制，無(wú)法獲得225 cm和300 cm測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由圖中數(shù)據(jù)分析，當(dāng)向左偏移225 cm時(shí)，測(cè)試的溫度沒(méi)有大的波動(dòng)，此時(shí)的水平偏移角

其中，l為水平偏移到被測(cè)目標(biāo)法線的距離;r為沿被測(cè)目標(biāo)法線方向到熱像儀鏡頭的距離;

多次實(shí)驗(yàn)證明，拍攝角度和拍攝位置對(duì)獲取真實(shí)的熱像圖片是重要因素。當(dāng)熱像儀與被測(cè)目標(biāo)的偏移角在48°以內(nèi)都是合適的拍攝角度;但從獲取的熱像圖看出，隨著測(cè)量距離及偏移角的變化，熱像圖的視野范圍變化較大，因此在采集過(guò)程中，需要在48°范圍內(nèi)選擇一個(gè)重復(fù)拍攝位置，以獲取最佳的標(biāo)準(zhǔn)熱像圖片資料。為了克服不同熱像儀產(chǎn)品間的差異，建議拍攝角度最好不超過(guò)45°。

2.1.4 環(huán)境溫度的影響

表2為環(huán)境溫度影響測(cè)試數(shù)據(jù)的試驗(yàn)，可以看出，軸承端蓋溫度隨環(huán)境溫度的上升而升高。

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2.1.5 熱像儀量程校準(zhǔn)范圍不當(dāng)對(duì)測(cè)量的影響

設(shè)置熱像儀量程校準(zhǔn)范圍:－20.0～100.0℃，當(dāng)被測(cè)物體的溫度大于校準(zhǔn)范圍上限時(shí)，熱像圖只能用＞110.0℃進(jìn)行標(biāo)注;當(dāng)更改校準(zhǔn)范圍為－20.0～350.0℃時(shí)，可獲取最高溫度點(diǎn)。因此，熱像儀量程校準(zhǔn)范圍選擇應(yīng)大于被測(cè)量范圍，否則造成的測(cè)量圖像失真就是在后期的熱像圖處理軟件中都無(wú)法調(diào)整。

2.1.6 聚焦不當(dāng)時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

為了便于表述，根據(jù)散焦程度的不同將其分為6級(jí)(F級(jí):聚焦良好;E級(jí):聚焦稍差;…… A級(jí):完全散焦)軸承端蓋的散焦測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

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從表中可看出，隨著聚焦程度變差，軸承端蓋區(qū)域內(nèi)的最高溫度點(diǎn)的溫度示值緩慢下降，最低溫度點(diǎn)的溫度示值緩慢上升，而溫度平均值也略有上升。因此，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的采集，必須保證熱像儀鏡頭聚焦良好。

2.2 熱像圖資料利用中存在的問(wèn)題

熱像儀測(cè)試過(guò)程中的目標(biāo)物參照對(duì)比法是目前常用的診斷方法，依據(jù)熱像圖判斷設(shè)備潛在故障是建立在對(duì)熱像圖資料綜合分析基礎(chǔ)上的。

如同時(shí)測(cè)量三相配電箱3根母線的連接處，利用這3根相線連接處的溫度值相互對(duì)比來(lái)確定連接螺絲的接觸情況。當(dāng)出現(xiàn)三相不平衡的情況時(shí)，就可能引起誤判。要防止誤判，需利用熱像圖歷史圖文資料為連接點(diǎn)的好壞判斷提供依據(jù)。

對(duì)于只有單相的配電箱，常將連接頭溫度與導(dǎo)線溫度進(jìn)行比較，認(rèn)為溫差不高于某值屬于正常。由Q=0.24 I2Rt可以看出，在負(fù)載變化時(shí)，導(dǎo)線和接頭的發(fā)熱情況隨電流以指數(shù)形式變化。盡管接頭接觸良好，接頭接觸電阻與導(dǎo)線電阻比值保持不變，導(dǎo)線和接頭的溫度差仍是1個(gè)變量，如有歷史圖文資料可進(jìn)行對(duì)比，將會(huì)給判斷帶來(lái)便捷。

以上舉例說(shuō)明了熱像圖數(shù)據(jù)資料利用的重要性。由于圖像處理過(guò)程沒(méi)有規(guī)范性要求，容易造成設(shè)備熱像圖資料丟失，以及沒(méi)有歷史熱像圖資料數(shù)據(jù)庫(kù)，利用資料困難，從而失去對(duì)比分析與重復(fù)利用的價(jià)值。

3 船用熱像圖的采集方法

3.1 建立采集點(diǎn)位置控制圖

為規(guī)避上述數(shù)據(jù)采集中存在的問(wèn)題，引進(jìn)相對(duì)值概念，不追求被測(cè)物體表面的真實(shí)溫度，只要能滿足被拍攝的熱像圖圖文信息資料的重復(fù)性即可。這就要求測(cè)試時(shí)必須找到一種規(guī)范的采集方法，以保證不同測(cè)試人員對(duì)相同的設(shè)備，相同測(cè)試的對(duì)象獲取熱像圖時(shí)，都能使熱像圖在相同條件下復(fù)現(xiàn)。

為此，要求建立采集點(diǎn)前，首先對(duì)采集點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)考察，對(duì)每1個(gè)采集部分都用熱像儀反復(fù)測(cè)試，尋找能減輕環(huán)境反射、環(huán)境溫度等的影響，且在熱像儀與被測(cè)目標(biāo)的偏移角不大于45°范圍內(nèi)的拍攝位置，調(diào)整熱像儀發(fā)射率、量程校準(zhǔn)范圍和聚焦拍攝出標(biāo)準(zhǔn)的熱像圖;再用數(shù)碼相機(jī)記錄采集人員站立的標(biāo)準(zhǔn)位置和被測(cè)目標(biāo)的可見(jiàn)光圖;最后把被測(cè)目標(biāo)的可見(jiàn)光圖、采集人員站立位置圖、目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)熱像圖、目標(biāo)編號(hào)和熱像儀拍攝時(shí)的參數(shù)設(shè)置4個(gè)部分組合成1張采集點(diǎn)位置控制圖。按照這種方法，依次采集所有要監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，制成采集點(diǎn)位置控制圖參照標(biāo)準(zhǔn)，裝訂成冊(cè)，做為工作人員以后每次巡檢、采集時(shí)的參照拍攝規(guī)范。

3.2 船艙室熱像圖采集方法

1)艙室環(huán)境溫度采集

采集者進(jìn)入艙室后，選擇1個(gè)不受任何熱源干擾的固定區(qū)域進(jìn)行圖像采集，獲取圖像的平均溫度值作為當(dāng)前機(jī)艙的環(huán)境溫度。要求每次巡檢均用這個(gè)區(qū)域測(cè)量環(huán)境溫度。

2)記錄設(shè)備周圍環(huán)境狀態(tài)

艙室可能有多臺(tái)甚至多種設(shè)備，巡檢時(shí)對(duì)于工作中的設(shè)備均要進(jìn)行檢測(cè)。采集前，要在附表上記錄被采集設(shè)備的環(huán)境情況，包括周圍設(shè)備的工作狀態(tài)、有無(wú)其他熱源、被監(jiān)測(cè)設(shè)備的負(fù)荷大小等信息，形成計(jì)算機(jī)管理的文字資料。

3)根據(jù)采集點(diǎn)位置控制圖參照標(biāo)準(zhǔn)依次進(jìn)行采集

在影像采集時(shí)，要保持采集方式、采集部位、熱像儀的設(shè)置、采集人員的站立位置、熱像儀與采集部位的相對(duì)位置等均與采集點(diǎn)位置控制圖參照標(biāo)準(zhǔn)保持一致，切實(shí)克服熱像圖采集過(guò)程中的隨意性，獲取符合計(jì)算機(jī)管理要求的圖形資料。

3.3 熱像圖的后期處理

熱像圖后期處理的好壞直接影響設(shè)備的隱患檢出率。

圖2 不同水平跨度熱像圖比較Fig.2 Effect comparing by different test ranges

圖2是被測(cè)物體的同一張熱像圖，只是在后期的圖像處理中采用不同的水平跨度設(shè)置而呈現(xiàn)出截然不同的效果。為提高設(shè)備的隱患檢出率，要求對(duì)熱像圖的水平和跨度設(shè)置能在被關(guān)注的對(duì)象上有明顯偽彩色層次感為宜(圖2左圖);在熱像圖處理時(shí)不能僅關(guān)注高溫點(diǎn)的變化，還要關(guān)注整個(gè)熱像圖上反映的溫度梯度變化情況。一旦有不正常溫度出現(xiàn)，無(wú)需具體的溫度值，就很容易發(fā)現(xiàn)異常情況，非常直觀。如果設(shè)置不當(dāng)(圖2右圖)，即使有異常，溫度達(dá)不到一定程度，僅從圖形上觀察很難發(fā)現(xiàn)隱患。

3.4 船艙室熱像圖采集數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

每次完成采集與處理后，均利用計(jì)算機(jī)熱像圖數(shù)據(jù)庫(kù)信息管理系統(tǒng)，把這些圖文資料依次分類貯存管理，便于以后熱像圖資料的快速檢索，實(shí)現(xiàn)設(shè)備隱患的早期預(yù)警。

研究中發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)不同、負(fù)荷相同、機(jī)艙溫度變化明顯的情況下，采集到的船用柴油機(jī)相同部位的熱像圖有明顯差異。因此必須在不同環(huán)境溫度條件下，利用熱像圖數(shù)據(jù)庫(kù)信息管理系統(tǒng)，各制作一張有顏色梯度分布的標(biāo)準(zhǔn)熱像圖片，形成熱像圖后期對(duì)比處理的樣片，作為在相同溫度、環(huán)境條件下設(shè)備隱患預(yù)警的計(jì)算機(jī)參照比較基準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)熱像圖采集方法的分析研究，提出了用采集點(diǎn)位置控制圖為參照拍攝標(biāo)準(zhǔn)的采集方法，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)貯存、管理和處理，達(dá)到熱像圖圖文信息在設(shè)備隱患預(yù)警中指導(dǎo)作用的目的。這種實(shí)用有效的紅外熱像儀數(shù)據(jù)采集方法，可以廣泛應(yīng)用于各種不能或不便于直接接觸式檢測(cè)獲取溫度數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，尤其在船舶動(dòng)力、線路和管路等有限環(huán)境條件下設(shè)備的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和維修中起到非常重要的作用。

［1］田裕鵬.紅外檢測(cè)與診斷技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.31 －32.

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