红外热分析

红外热分析（精选十篇）

红外热分析 篇1

关键词：定量红外热像法,能量理论,热弹性应力分析,无损检测,疲劳性能

引言

疲劳是一个能量耗散的过程.近百余年来,基于能量耗散的疲劳研究方法得到了深入的研究和发展,形成了基本的疲劳理论体系.1927年,Inglis[1]首先研究了循环滞回能和疲劳响应之间的关系,激发了人们研究疲劳损伤的萌生、累积至破坏过程与疲劳过程中的能量吸收、累积和耗散之间的内在联系的极大兴趣.近30年来,随着高速、高灵敏度的红外热像仪的问世,人们不仅注重红外热像技术在材料无损检测领域中的应用,而且更加注重研究材料在疲劳失效过程中的热耗散和储能等能量形式的变化,建立了多种疲劳损伤模型和失效准则以对材料的疲劳响应进行预测评估[2,3,4,5].定量红外热像法是一种能够实时全场识别疲劳损伤状态演化过程和快速确定材料或构件疲劳性能参数及应力状态的研究方法.它借助于红外热像仪对交变载荷作用下材料或构件的表面温度场进行监测,从而根据热像数据(初始温升梯度或相对稳定温升)来预测材料或构件的疲劳行为,通过后期有效的热像数据处理方法,快速实现对材料或构件疲劳损伤演化过程、疲劳性能参数及表面应力状态等的定性和定量的预测评估[6-10].

自1992年起,每两年召开的定量红外热像法(quantitative infrared thermography,QIRT)国际会议,引起了世界范围内的专家学者的密切关注和积极参与,极大地推动了红外热像技术在应力评估、无损检测和疲劳性能等重要研究领域的快速发展.目前在国外的一些发达国家和地区,如法国、德国、意大利、美国、日本等,很多科研人员和工程师对定量红外热像法的理论和应用开展了研究,取得了显著的成果,并逐步开始将之用于工程构件等工业领域.由于受到昂贵的机器设备、技术垄断等因素的限制,定量红外热像法在我国的发展尚处于起步阶段,在理论和应用方面还有待进一步的深入探索和研究,具有广阔的发展前景.

本文通过回顾定量红外热像法在材料疲劳特性评估等领域中的研究和应用现状,讨论了热像法应用中的几个主要问题,对其未来的发展进行了展望.

1 疲劳热耗散理论的发展

疲劳损伤的演化过程是机械能转变为热能、储能、弹塑性应变能和滞弹性内耗等其他形式的能量的过程.其中绝大部分能量以热能的形式释放,其宏观的表现就是材料或构件表面温度场的变化.材料或构件的疲劳损伤过程与其内部显微组织(位错密度、孔隙、点阵缺陷密度及分布等)的运动和演化状态密切相关,而Bauschinger效应和迟滞现象都证明了疲劳损伤演化过程是一个存在着能量耗散的非平衡热力学过程[11].疲劳能量理论的发展经历了机械能耗阶段和能量耗散阶段,研究手段也从单纯的力学方法发展至以热力耦合方法为核心,集力学、材料学、传热学、动力学等多学科交叉的研究手段2004年,童小燕等[12]分别对疲劳热耗散理论在这两个发展阶段的主要研究工作和代表性成果进行了较为系统的总结和回顾,在文中就不再详述.

疲劳热耗散理论的发展,主要目的是对材料或构件的疲劳损伤状态、疲劳寿命等疲劳响应进行预测评估,保证结构和设备在正常维护阶段的安全容限.近20年来,随着先进的实验设备和实验技术手段的不断更新和发展,基于不同的疲劳损伤指标,疲劳热耗散理论得到了进一步的深入研究,不同的能量理论模型和失效评估准则相继涌出,很大程度上丰富了疲劳基础理论.

循环应变能与材料或构件所承受的加载条件(扭转、拉伸、弯曲等)无关,Glinka等[13]分别利用铁基和镍基铝合金最大切应力平面上的循环应变能(∆σ∆ε+∆τ∆γ)模型预测材料的多轴疲劳寿命,模型的计算结果与实验结果吻合良好.Lagoda等[14]利用雨流计数法确定临界损伤面的应变能历程,并以此作为疲劳损伤参数,通过Palmgren-Miner线性损伤累积理论,对多轴非比例随机载荷作用下的十字构件进行寿命预测,证明临界损伤面的应变能密度是一种预测高周疲劳寿命的有效参数.

轩福贞等[15]通过分析纤维增强复合材料层板疲劳过程中不可逆的能量耗散,建立了一种以有效能耗为基础的非线性疲劳损伤累积法则

其中,D是损伤变量;β是有效能耗因子;Wt是单位体积输入的机械功;Wf是单位体积的材料发生破坏时的有效能耗,即疲劳韧性.他还从实验和理论上证明该方法能正确的反映加载次序效应对疲劳损伤累积规律的影响.

Tchankov等[16]利用递增法连续地计算特定循环载荷作用下的循环滞回能,建立了一种适用于预测材料和构件疲劳寿命的理论模型:

常幅载荷时

随机载荷时

其中,∑Wm-1=n1∆W1+(n2-n1)∆W2+···+(nm-1-nm-2)∆Wm-1,Nf为疲劳寿命,∆W为每循环的滞回能,D和d为材料常数,∆Wm-1为第m-1个循环的滞回能,nm-1为第m-1个随机载荷块的循环次数.该方法不必考虑复杂的循环计数过程,同时还可研究不同加载次序对疲劳寿命的影响.

随机载荷作用时,基于闭合滞回环的塑性应变能密度不易计算,于是Lagoda[17]通过分析单轴应力状态下预测材料疲劳寿命的能量模型,利用实验模拟法考虑了用于确定应变能密度的应力应变值的符号,以区分不同路径上的应变能密度,建立了随机载荷下基于应变能密度的能量模型

其中,W(t)为随时间变化的应变能密度,σ(t)和ε(t)分别为表示随时间变化的应力和应变,sgn[σ(t),ε(t)]表示应变能密度正负号.

基于上述的塑性应变能计算模型,可以对材料和构件的疲劳寿命进行预测,则有:

低周疲劳

高周疲劳

其中,W为式(4)中计算的塑性应变能密度;σf和εf分别是疲劳强度系数和疲劳延性系数;b和c分别为疲劳强度指数和疲劳延性指数;E为弹性模量;Nf为疲劳寿命.

Pandey等[18]考虑常幅疲劳载荷下裂纹尖端的应力应变场,利用能量平衡准则建立了预测低周疲劳裂纹的扩展模型.疲劳损伤是与损伤平面的位向有关的,Lee等[19]在变幅多轴载荷作用下,考虑材料和构件的轴向和剪切变形,发展了适用于预测复杂加载条件下的材料疲劳寿命的能量模型.Karolczuk等[20]综述了基于损伤临界面的多轴疲劳损伤累积失效准则:临界面应力准则、临界面应变准则和应变能密度准则.Jahed等[21]定义了用于计算剪切应变寿命的循环应变寿命数据和Coffin-Manson系数,从而得到了能量-寿命曲线.通过所提出的能量-寿命模型来计算疲劳寿命数据的上下限,多种金属材料的预测结果都与相应的疲劳实验结果具有良好的相关性.

随着红外热成像技术的深入发展,很多研究者开始将空间分辨率高、响应速度快的红外热成像仪用于监测疲劳演化过程,并通过差分数值方法及图像处理手段将疲劳过程中的热弹性温度和塑性温度的变化予以分离,然后用于计算疲劳过程中的弹塑性能量耗散,以此来评估材料或构件的疲劳响应.疲劳热像法分析往往都是关注材料或构件表面的能量耗散,这种耗散与材料内部的微塑性和微摩擦等密切相关.于是,Audenino等[22]通过红外热像分析和非线性自由衰减曲线定量研究了与材料的内摩擦、黏弹性和微塑性等有关的比阻尼,给出了热像法与比阻尼之间的内在关系.Yang等[23]认为材料或构件在疲劳过程中的温度场变化主要由热弹性效应、非弹性效应和热传导支配.他们通过对核反应堆压力容器材料的实验研究,推导了单轴低周疲劳时的能量耗散的模型,并结合热弹性效应,建立了预测材料整个S-N曲线的数值模型.但是,由于低周疲劳下应力水平较高,而在预测寿命时所用的应力为弹性的,故此时的适用性受到限制,但是对高周疲劳是可行的.Fargione[3]和Risitano[7]等通过多年的实验研究及探索,提出了一种与材料破坏所需的极限能成比例的能量参数,即温升-周次曲线的积分,从而对材料的整个S-N曲线进行预测.这种方法假设材料的能量参数是一个常数,与其所承受的加载模式、加载路径及加载历程无关.尽管如此,这种方法依然得到了学术界和工业工程界的广泛引用,并收到了良好的效益.Crupi等[24]将这种方法推广于焊接构件的疲劳性能评估,利用红外热像仪监测疲劳过程中的热弹性和弹塑性效应,通过对热像数据的滤波处理,给出了相应的计算模型.樊俊铃等[25]基于能量耗散理论,利用红外热像法建立了Miner线性累积损伤理论的能量表达式,不仅能够很好地预测构件的残余寿命,而且简单明了,物理意义明确.

2 定量红外热像法的发展及应用

2.1 热弹性应力分析

自1853年,Todhunter等[26]首先研究了材料变形与温度变化之间的关系,在此后的160多年间,热弹性理论得到了不断的深入研究、改进及应用,已经形成了较为系统的理论体系[27,28].根据广义胡克定律,对均匀的弹性体,热应力和应变之间有如下的关系

其中,∆εii=ε11+ε22+ε33为主应变的变化;∆σii=σ11+σ22+σ33为主应力的变化;α为线膨胀系数;∆T是温度变化;E是弹性模量;ν为泊松比.

对绝热、可逆的弹性体有如下的热力学方程

其中,T为绝对温度;Cv为等容比热容;ρ为密度;K为体积模量.

通过等容比热容Cv和等压比热容Cp之间的关系:Cp-Cv=3Eα2T/ρ(1-2ν),结合式(7)和式(8)得到热弹性应力评估的基本方程如下

式(9)说明在绝热条件下,机械能和热能之间保持着动态平衡.式中的负号表示,在弹性变形范围内材料受拉时温度降低,受压时温度升高.热弹性效应并不会改变疲劳过程中试件表面的平均温度,它只使试件表面的温度在某一特定的平均值附近发生周期性的变化(如图1),其变化周期与主应力的周期相同,相位与主应力相差大约180◦.

热弹性效应引起的固体材料的温度变化很小,很难精确测定,如对钢材应力变化1 MPa时,温度变化仅为1 m K.而高精度、高分辨率的红外热像仪的研发成功,使得对这种小温度变化的测量成为可能.1982年,热发射应力评估系统SPATE8000在英国诞生,随后在美国、欧洲等发达国家和地区得到了进一步的改进和推广使用.随着焦平面阵列红外热像仪的研发,热弹性应力分析目前已成功地用于设计理念的验证、断裂力学、损伤检测、疲劳监测和残余应力分析等领域.

Greene等[29]分别利用热弹性效应和有限单元法研究了自行车零部件的应力分布状态,结果表明两者之间的误差小于8%,在工程可接受的误差范围内.热弹性效应将试件表面的温度变化与第一应力/应变不变量相联系,El-Hajjar等[30]基于热弹性应力分析提出了定量应变测量法,并通过与平面应变不变量及有限元模拟的比较,将该方法合理地扩展到对多轴应力状态的分析研究.Quinn等[31]通过对变形和未变形的铝合金及钢构件的研究,将两者的热弹性数据进行比较,提出了一种评估构件残余应力的热弹性应力评估方法.热弹性效应对裂纹的闭合效应和焊接残余应力较为敏感,Diaz等[32]利用热弹性应力分析研究了焊接构件裂纹尖端的应力场分布,进而确定应力强度因子,证明了热弹性应力分析在研究裂纹闭合和残余压应力时的可行性.此外,热弹性应力分析对复合材料的应力应变场评估的研究工作也在不断地深入开展.Stanley等[33]根据热力学两大定律,推导了用于复合材料层合板的热弹性应力评估的方法,结果表明SPATE方法能够用于各向同性和各向异性的材料的应力评估.Emery等[34]发展了一种校正热弹性应力分析的方法,并将其用于层状的各向异性的复合材料的应变分析,收到了良好的效果.Haj-Ali等[35]提出了两种定量的热弹性应变分析方法,通过机械载荷下试件表面温度梯度的分布确定各向异性的材料表面的应变场,实验表明这两种方法对缺口和纤维增强复合材料中的应变场较为敏感.

2.2 损伤评估

锁相红外热波无损检测方法,相比于常规的声发射、渗磁、X-射线、涡流等无损检测方法,具有检测面积大、速度快和非接触等优点.其中锁相红外无损检测技术在周期性热源的加载条件下具有相位延迟、深度测量且相位图所含信息比幅值图多的特点,其基本理论首先由Carlomagno等[36]提出并建立.对一内含缺陷的无限大平板材料,忽略热流的横向扩散,只考虑沿厚度方向的传递,当时间t>0时,在x=0处受到周期性热流q=I0ejwt,即有

其中,T是温度分布函数;α=k/(ρc)为热扩散系数;k为热传导率;w为角频率;温度函数T可表示成深度和时间t的函数

其中,为扩散长度,也称阻尼系数.上述方程描述了受调制频率控制的热波沿x轴方向的传递情况.

要想获得缺陷的相位值ϕ和幅值A,红外热像仪每个周期至少要采集4幅热像图S1,S2,S3,S4,并通过傅里叶分析对热像图进行处理,则有

在周期性热波载荷的施加下,物体在含缺陷处和无缺陷处的热物理性质不同,根据热传导理论,此处将产生不均匀热流,引起被测物体在有缺陷处和无缺陷部分所对应的表面温度幅值和相位值不同,进而可以判定内部缺陷是否存在.

多年以来,红外锁相热像法已被广泛地用于各种材料和构件的无损检测.Saintey和Almond[37]提出了一种能够评估材料内部缺陷大小的方法,但是当缺陷较小时很难应用,于是Choi等[38]利用红外热像法检测了材料近表面缺陷,并利用相位和幅值信息确定其位置和尺寸,预测结果与真实情况非常吻合.Meola等[39]利用红外热像法对多种用于航空航天领域中的设计材料和构件(复合材料、高强度纤维材料、夹心材料及金属等)的内部缺陷和损伤进行了检测,很好地评估了其中的缺陷位置及大小.刘俊岩等[40]研究了红外锁相法热波检测技术的原理、缺陷深度测量及在蜂窝夹层结构及焊接构件检测中的应用.刘颖韬和郭广平等[41,42]介绍了利用脉冲相位法对脉冲热像图进行数据处理的原理,验证了脉冲相位法检测复合材料层析的合理性及可行性.

利用红外热像法还能够通过对承受交变载荷的在役结构和设备进行实时全场的监测,从而在结构运行的初期就可以确定其高应力区域,找到局部疲劳损伤累积较快的关键区域,并对该位置进行有效的跟踪检测,进而采取有效的改进措施或维修方案,保证结构运行的安全性和可靠性.通过红外热像法实时全场的监测结构局部热点区域的演变过程,如图2,对结构的安全性评估有重大的意义,从而保证了结构的正常运行,避免或减小突如其来的疲劳断裂导致的损失.

Luong[2]利用红外热像法实时地监测研究了疲劳演化过程中的疲劳裂纹的萌生和扩展过程.Yang等[23]利用热弹性应力分析和塑性效应建立了能够预测疲劳实验初期材料表面温度演化过程的数值模型,并且对疲劳过程中吕德斯带的演变进行了观察研究,以对疲劳损伤进行评估.Cavaliere等[43]通过红外热像仪实时全场地记录不同实验条件下铝合金焊接接头中不同区域的应力场分布状态,通过实时的热像图谱跟踪监测疲劳裂纹的萌生和扩展.Ummenhofer等[6]利用热像法研究了焊接接头的热力耦合现象,通过特殊的数据处理方法分别提取热像数据中的线性和非线性损伤效应,很好地处理了接头的局部疲劳损伤现象.徐军和黄毅等[44]利用红外热像仪监测高速旋转疲劳样品在循环载荷作用下的红外辐射和试件表面温度场,确定红外辐射与局部疲劳损伤密切相关.姚磊江等[45]对纯铜疲劳过程中的热耗散和显微结构演化的相关性进行了实验研究,证明红外热像法能够清晰地反映塑性应变集中区域、裂纹萌生和扩展等过程.也有学者利用红外热像法对各向异性的材料和构件的损伤过程进行了研究.Pieczyska等[46]对高分子聚酰胺材料在低周循环变形过程中的温度演化进行了研究,以温度变化的特性作为准则来区分其弹塑性损伤机制.Emery等[47]基于热弹性应力分析研究了玻璃增强聚合物在疲劳过程中的分层损伤和基体开裂等疲劳损伤现象.当材料承受高于其疲劳极限的应力水平时,局部塑性效应的生热就会明显影响热弹性效应,于是Clienti等[48]对带缺口和无缺口的聚氯乙烯板试件进行了准静态拉伸实验,通过热弹性效应的最后阶段来确定高分子材料的疲劳极限,即定义材料的热弹性应力极限为其疲劳极限,实验结果与连续加载条件下确定的疲劳极限非常吻合.Krstulovic-Opara等[49]利用红外热像法评估玻璃纤维复合材料的冲击损伤,推荐利用热弹性应力分析和脉冲热像法对断裂纤维和分层损伤进行识别.

塑性变形是导致材料或构件疲劳损伤的主要因素,它使材料内部的微观组织发生了不可逆的变化.塑性变形能大部分以热能的形式释放出来,使试件的温度升高,因此疲劳过程中材料的热耗散和材料内部微观组织的演化之间有密切的关系.红外热像法在疲劳损伤和断裂的监测上是成功的,深入地开展这方面的研究,对我们更好地理解材料疲劳损伤的宏微观机理具有很大的价值.

2.3 疲劳性能参数预测

利用传统的疲劳实验方法,如升降法和成组法等,来确定某种材料或构件的疲劳极限时,具有实验周期长,资源消耗多,疲劳实验数据分散性大等缺点,这些都对获得准确的材料疲劳性能参数造成了影响.定量红外热像法通过对交变载荷作用下材料或构件表面温度场的实时监测,提供了一种能够快速测定材料或构件疲劳极限和整体S-N曲线的便捷手段,得到了科研人员及工程设计人员的青睐.

2.3.1 疲劳极限的快速测定

基于定量红外热像技术,材料或构件的疲劳极限快速测定方法主要有两种:(1)Risitano单线法[50];(2)Luong双线法[51].基于这两种方法,Crupi[24]和Cur`a等[4]分别利用实验拟合法和循环迭代法改进了这两种快速评估方法.

2.3.1. 1 Risitano单线法

在加载频率一定的情况下,当材料或构件在高于其疲劳极限且低于其屈服极限的交变应力水平下工作时,其表面温度呈现出明显的3个阶段,称之为温升三段论[9].第一阶段,初始快速温升阶段,此时由于环境和试件的温差较小,对流损失的热量有限,试件表面的温度迅速升高;第二阶段,温度相对稳定阶段,经过一段时间的疲劳实验之后,交变载荷作用引起的试件内部微塑性变形所产生的热量与外界热交换基本达到平衡,进入循环稳定阶段,温度变化缓慢;第三阶段,断裂前的快速温升阶段,此时疲劳主裂纹已经形成,并开始快速扩展,裂纹尖端的塑性应变能快速释放,使试件局部的温度急速升高,一般在几十到几百周次之内就会发生疲劳断裂.

Risitano研究组[50]经过近20年的科学研究和实验总结,将试件表面的这种温度变化规律与材料或构件的疲劳性能参数相联系,提出了用于快速确定材料或构件疲劳极限的单线法.由于材料或构件承受的交变载荷水平低于其疲劳极限时,试件表面的温度变化很小,限于热像系统的温度分辨率、采样频率等因素,Risitano等只测得在材料疲劳极限以上的应力水平所对应的初始温度梯度或相对稳定温升,并利用最小二乘法将应力-温升数据进行拟合,通过将回归直线外推来确定不引起材料表面温度变化的应力水平,并定义该点就是材料的疲劳极限.大量的对比实验研究[50],证明Risitano单线法所确定的材料的疲劳极限与传统的升降法和成组法相比,误差范围基本控制在10%以内,平均误差为4.7%.

该方法忽略了材料疲劳极限以下黏性、滞弹性等非塑性效应引起的温升,在高于材料疲劳极限低于材料屈服极限的应力水平下,通过阶梯式连续加载的方式,测定不同应力下的初始温度梯度和相对稳定温升值,理论上只利用一根试件就可快速确定材料的疲劳极限,在实际应用和操作时,为了避免或减小误差,往往对3根相同的试件进行同样的实验过程,然后取其平均值.

意大利学者Crupi[24]利用定量红外热像法快速预测焊接构件的疲劳性能.他通过对疲劳过程中温度变化曲线的拟合分析,发现相对稳定温升和应力幅之间存在如下关系

其中,∆Ts是试件表面的相对稳定温升,σa为交变应力幅值,σ0为疲劳极限,A和B是材料常数.这种方法是一种基于Risitano单线法的疲劳极限快测法,目前也得到了较为普遍的认可及应用[24,25,52].

2.3.1. 2 Luong双线法

材料的疲劳损伤演化过程是非平衡热力学过程,根据热力学两大定律及材料的本构关系,局部疲劳损伤的热力学耦合方程可表示为

其中,ρ为密度;C为比热容;T为试件表面的绝对温度;为试件表面温度变化率;k为热传导系数;σ为柯西应力张量;为应变率张量;α为表征材料内部微结构变化的内变量;ψ为赫姆霍兹自由能;qe为外热源,可通过差分红外热像法及图像处理技术予以消除[9].在式(16)中,疲劳损伤引起的固有能量耗散源为

热弹性源为

内耦合源为

其中,固有耗散是材料内部微观组织的不可逆变化导致的,绝大部分以热能的形式释放,宏观表现为材料温度场的变化;热弹性源是由热弹性效应引起的可逆变化,并不会导致材料的疲劳损伤累积;材料疲劳损伤导致的温度变化,一般不会改变材料的微观组织特征,因此疲劳过程中的内耦合源可以忽略.

随着红外热成像系统分辨率的提高,法国学者Luong以热力耦合方程中的固有耗散引起的材料的温升作为损伤指标,提出了另一种疲劳极限快测法[51].他发现某些材料即使在低于其疲劳极限的应力水平下工作时,由于滞弹性、黏性等非塑性效应也会导致材料的温升,因此他利用两线法来确定材料的疲劳极限,如图3所示.此时试件表面的相对稳定温升和交变应力幅之间有如下关系

其中,A,B是与材料的黏性、滞弹性等非塑性产热机制相关的参数;a,b是与材料的塑性产热机制相关的参数.两条直线分别代表两种产热机制导致的材料温度场的变化规律.该方法定义导致疲劳过程中材料的温升机制产生变化的应力水平为材料的疲劳极限,这消除了由非塑性效应引起的温升,相比于单线法能更好的提高疲劳极限预测的准确性.

Luong双线法虽然考虑了非塑性效应的产热,但是并没有明确地给出如何确定与产热机制相关的上下两条直线的临界应力,这有时候会造成拟合曲线的点的选择误差.Cur`a等[4]在Luong双线法的基础上,应用迭代程序及误差分析确定直线拟合的临界点,从而建立了一种基于迭代程序的热像法,具体过程如图4所示.首先根据热像数据的基本分布趋势,选取一个应力值σi将数据点分为上下两部分,利用最小二乘法分别拟合直线,计算其交点位置,得到此时的应力值σfi,然后计算σi和σfi之间的误差δi=σfi-σi,如果δi大于0,则应根据一定的增量值(在误差范围δi以内),选更高一级的应力σi+1作为数据分界点;反之,则选低一级的应力σi-1.基于MATLAB迭代程序循环计算,直到所确定的疲劳极限与所选应力水平之间的误差满足要求即可.

2.3.1. 3 比较

Risitano单线法、Luong双线法和改进的疲劳极限快测法均能够快速准确地对材料和构件的疲劳极限进行预测,在不同的研究领域都得到了应用及推广.由于Risitano单线法没有考虑疲劳极限以下的黏性、滞弹性等非塑性效应,容易受到实验加载频率、应力集中、试件几何等因素的影响.而Luong双线法本身就是Luong在高频实验(100 Hz左右)条件下所提出并建立的,因此双线法快测材料的疲劳极限受加载频率的影响较小.一般而言,单线法所测定的材料或构件的疲劳极限小于双线法所给出的结果,这种差别对标准试件的实验误差较大,对含缺口试件的实验误差较小,而且曲率越大,误差越小.对于缺口件的研究,Cur`a等[4]所提出的迭代热像法能给出比单线法更为精确的结果.整体而言,选用哪种定量红外热像法来确定材料的疲劳极限,跟所研究的材料的本身性质、工作条件、构件几何等有关,应视情况而定.定量红外热像法对材料或构件疲劳极限的定义均是从物理意义上给出的,这有别于传统的疲劳实验方法.

2.3.2 S-N曲线的快速预测

基于定量红外热像法,快速确定材料或构件不同存活率下的S-N曲线,主要是以能量累积理论为基础.疲劳是一个能量耗散的不可逆热力学过程,于是有学者假设[3,7]:在交变载荷的作用下,当单位体积的材料或构件内部的某种形式的能量达到某一个临界值Ec时,就会发生疲劳断裂.能量平衡方程Ew=Q+Ei中主要有3种能量形式:机械能Ew,热能Q和储能Ei,它们均可以作为损伤参数进行疲劳分析[53].

文献[7]中指出材料塑性疲劳破坏的极限能Ec与能量参数Φ(温升-周次曲线的积分)之间具有正比例关系.基于定量红外热像法,温升-周次(∆T-N)曲线(见图5)可通过阶梯式连续加载的实验程序确定,则有能量参数

其中,∆Ti为第i级应力σi下循环Nsi周次时的稳定温升,Ni为在第i级应力σi下循环数.该积分就是图5中曲线下的面积,它只与材料本身的性质有关.

由此可根据式(21),计算出材料或构件的能量参数,由于各应力水平级下的相对稳定温升已经由热像法测得,因此在不同应力下的疲劳寿命可由式(21)确定,从而根据数据对(σi,Nsi)给出材料或构件的整个S-N曲线.在常幅循环载荷作用下,材料或构件表面的温度场很快就会达到稳定,即Nsi与温度相对稳定阶段相比很小,可以忽略,所以当利用一根试件来确定材料或构件的能量参数时,可有简化的公式

其中,∆Ts为在常幅应力σ下的相对稳定温升;Nf为常幅应力σi下的疲劳寿命.这时可通过对多根试件的疲劳实验结果,然后取其平均值来确定能量参数,保证最终结果的准确性.

目前,定量红外热像法已被广泛地应用于对材料或构件(低碳钢、不锈钢和玻璃纤维等材料;带孔试件、焊接件、连杆和铆接件等构件)的疲劳性能的研究,已经发展成为一种准确快速的定量研究方法

3 定量红外热像法所面临的主要问题

热弹性应力评估是将材料在弹性变形范围内的应力应变状态与材料表面的温度场信息相关联,所以热弹性应力分析方法并不能对材料在高于其弹性极限的应力水平下的应力应变状态进行准确的定量预测,这限制了热弹性应力分析的应用范围.在这种情况下,只能通过试件表面温度场的变化规律及热点区域的分布,研究疲劳破坏过程中的物理、材料状态的变化,定性地分析应力最大点,并对疲劳裂纹预先萌生的可能位置进行有效的预测[43];宏观流变学上可以从实验与理论两方面寻找温度变化、塑性功与应力状态之间的合理关系,以对材料和构件的受力状态、疲劳极限和疲劳寿命进行有效的评估[54].

定量红外热像法可采集的疲劳热像数据包括材料或构件表面某个或某些特定区域的最小、最大及平均温升.具体使用哪个进行疲劳评估更为合理呢?Fargione等[3]通过利用热点区域内的这三种温升进行疲劳极限的预测,证明三种情况都能给出正确的疲劳极限预测值.

在试件的疲劳损伤演化过程中,其表面的温度场不仅受到材料热传导率、空气对流、外界环境等因素的影响,而且还与试件几何、热源的分布与强度、交变载荷和加载频率等有关,所以一些专家对定量红外热像法利用交变载荷引起的初始温度梯度或稳定温升作为疲劳损伤的参数来预测材料或构件的疲劳极限表示质疑[55].于是这引起了人们对疲劳温度场与固有耗散之间的关系的研究,Chrysochoos等[56]利用小扰动假设下的局部热力耦合方程,见式(16),通过对疲劳过程的研究提出如下假设:(1)材料的密度、比热和热传导系数保持不变;(2)忽略空气对流项;(3)外热源分布及强度不变;(4)疲劳过程导致的温度变化不会改变材料的微观组织.根据这些假设,他们简化了三维的热传导问题

其中,ρ为密度;C为比热容;k为热传导系数;θ=T-T0为某一时刻试件表面某个区域的温升,T0为初始绝对温度;拉普拉斯算子

后来,Boulanger等[57],Berthel等[58]分别对热传导的一维和二维模型进行了研究,并分别在红外热像法的基础上计算了由热弹性效应和固有耗散所引起的热源,验证了将固有耗散引起的热源用于疲劳分析的可靠性.

定量红外热像法确定的材料的疲劳性能参数,主要是对低-高周疲劳范围[52,54],对超高周疲劳的研究尚待进一步的实验分析和验证工作.超高周疲劳失效时疲劳裂纹的萌生位置随着疲劳寿命的增加从试件表面转移到了试件内部,裂纹源包括夹杂、疏松和粗大组织等[59].另外,铝合金材料在疲劳载荷的作用下,试件表面的温升趋势并没有呈现出温升三段论中的明显规律,利用定量红外热像法快速预测该类合金材料的疲劳性能参数时,预测结果是有误的[60],这与Berthel等[58]的研究结果一致.因此在应用定量红外热像法研究材料和构件的疲劳性能时,对固有耗散率低的材料(如铝合金)需要引起注意.

定量红外热像法所确定的材料或构件的疲劳极限,从理论上来讲就是其永久疲劳极限,也就是说在这个疲劳极限之下的应力水平工作时,材料是不会发生疲劳断裂的.传统的疲劳实验方法,往往是预先规定材料的无限寿命为2×106,5×106或107周次,对不同的材料及不同的设计需求而言,这存在较大的主观因素.而定量红外热像法从温升值或温升机制转变的角度出发,快速预测材料或构件的疲劳强度,这不仅避免了疲劳评估的主观性,而且考虑了材料的几何、加工工艺等因素.试件在疲劳载荷的作用下,由于振动等因素可能导致热像仪所采集的图像相比于真实的热像数据有所延迟,造成图像模糊等不良效果,因此需要采用必要的运动补偿措施和图像处理方法消除这种现象[6].

定量红外热像法对材料疲劳性能的应用研究,还主要集中在各项同性的材料.在各向异性的材料的疲劳性能参数研究中,由于受到多种不确定因素的影响,还有待进一步开展对比实验研究,以探索其应用的合理性、准确性和科学性.

4 结束语

本文主要介绍了基于能量耗散理论的定量红外热像法在国内外的研究进展情况,阐述了定量红外热像法在应力评估、损伤检测和疲劳性能参数预测等领域的应用现状及面临的主要问题.

红外热分析 篇2

采用水热法制备了一例结构新颖的亚硒酸铜{CuSeO3}∞(1),其产率为90%.通过元素分析、单晶X射线衍射和红外光谱对化合物的.结构进行了确定.结构分析表明在化合物(1)的结构中含有2DCu-O层,其通过{Cu(2)2O4}基团的连接形成了三维的Cu-O-Cu框架结构,三角锥形的{SeO3}嫁接在框架中构成了含有十二元环隧道的三维无机聚合物,其隧道孔径大小为10.364(27)×8.589(2) ×10-2 nm2.

作 者：吴东兵 甄延忠 WU Dong-bin ZHEN Yan-zhong  作者单位：延安大学能源与环境工程学院,陕西,延安,71600 刊 名：陕西科技大学学报（自然科学版）  ISTIC英文刊名：JOURNAL OF SHAANXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2009 27(2) 分类号：O6 关键词：晶体结构   水热法   亚硒酸盐   三维无机聚合物  

★ 壳聚糖冠醚合成及结构表征

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红外热分析 篇3

【关键词】红外热像技术；运动领域；前景

红外热像技术是当今研究比较热门的项目，主要也是因为它技术的革新使它的发挥的空间在逐步扩大，现在的红外热像仪测温的响应时间已经提升到了微秒级，响应速度较快，而且测量物体时不用与物体接触就能测得物体的温度场变化情况，因此说它比较适合测量一些运动的物体，而且测量温度范围广泛，人体本身是一个天然的生物红外辐射体，并且会因为运动的负荷大小而发生机体相应部位的温度场变化[1，2]，所以本文就其在运动领域中的应用前景予以了阐述：

1.国内外研究现状及研究意义

1.1 国内外研究现状

红外热像技术首先在军事领域获得应用，德国在第二次世界大战中率先装备了红外夜视仪、红外通讯设备等。世界上第一台商用红外热像仪于20世纪60年代由瑞典的AGA公司研制，美国是目前红外热像技术最为先进的国家，绝大多数的红外热像仪器供应商也集中在美国。红外热像技术的应用研究美国最为活跃，其次是瑞典、英国和日本等国家。

红外热像技术在我国起步较晚，1976年以前还是一片空白。1975年上海率先成立了科研、生产、使用三结合的HWX-Ⅰ型医用红外热像仪研制协作组，于1976年试制成功第一台样机并投人临床试用（讫今仍在服役），通过临床证明这种红外热像仪能满足临床需要，填补了我国医学上的空白，为我国生物医学开展红外诊断和科学研究奠定了物质基础。自此以后，红外热像技术引起了国内医学界和红外研究领域的广泛关注，20多年来，不论在热像的研制和生产，还是在临床应用方面都有一定的发展，取得一定的成就。随着红外热像技术的飞速发展，它在医学范围内的应用已扩展到临床各个领域：内科、外科、神经科等，目前世界上有更多的国家把红外热像技术与其它先进的诊断技术联合使用或联机使用，大大提高了诊断符合率，尤其近年来焦平面红外热像仪的诞生更加提高了空间分辨率和温度灵敏度，给红外热像技术的应用带来更加广阔的前景[3-5]。

1.2研究意义

目前，对运动训练效果和患者运动功能康复的评价应用的技术与方法有肢体运动定位法，通过定位为点的跟踪监测，判断肢体的运动位置。还有人手三维运动检测装置，监测和分析手的运动空间活动区域，作为运动质量评价的指标。综合运动能力评价时，采用了方向控制特征、运动范围，以及速度控制特征的运动学评价指标，实施定量功能的评价。上述方法作为运动训练效果的评价无疑是行之有效的检测手段。在肌肉的运动评价中，肌电图和肌力测试是最直接的测试方法。应用生化和分子生物学方法对运动后的代谢产物、激素水平的测试，只能了解和评价运动能力及训练效果的一个方面，诸如血肌酸激酶、血乳酸、血尿素、血睾酮/皮质醇和血红蛋白等指标均能反映肌肉运动的某方面效果。然而，在肌肉（肌群）运动过程中的监测及运动效果的直接评价方面，目前的检测方法还存在不足。肌电图测试主要是对肌肉功能的测试，它能够对人体在运动时的力量、运动量、运动强度等生理参数进行测定，了解肌肉的训练效果，评价被测人员体能状态。根据运动中每块肌肉肌电的幅度，可以对运动员的动作进行分析诊断。但是，由于一次肌电图测试的点数有限，即便是使用多导肌电记录仪，也只能对有限的肌肉或小范围肌群进行测试，而不能同步地观察

到其他相邻或远隔肌群的状态[6-8]。

红外热像仪理论上可以根据人体运动时的温度变化对于人体的某个区域机体活动的强度和运动量变化进行监控，而且它体积小功能强便于携带，可以随时对运动员运动效果进行监控，但是它的应用范围，应用条件以及弊端，或者能否实际应用到运动训练效果监测中，其结果能否作为依据来对训练进行控制等问题，都是本课题所要涉及的范围，因此，本课题的研究成果对于运动训练领域可能是一次新的拓展，对于监测和评价手段起到填补作用，为以后更好的控制运动员的训练，提高运动成绩提供理论技术帮助。

2. 研究的主要内容、基本思路及方法

红外热像方法是将物体表面温度形成图像的技术，因为人体是一个天然的生物红外辐射源，运动训练时，反复进行肌肉的拉伸训练使得肌纤维选择性肥大和肌肉中有关酶活性选择性增强。骨骼肌收缩时，耗氧量明显增加。循环系统的适应性变化就是心输出量提高，局部血流量增加，肌肉组织中开放的毛细血管数目增加，用以满足肌肉组织的氧耗。运动中肌肉活动时代谢水平提高，ATP分解释能，产热量增加；而不参与运动的骨骼肌及内脏的血流量减少。上述的变化过程可以用红外热像仪予以观察和记录，运动量大的肌肉部位，血流量增加，温度升高；运动量越大则温度变化越显著。而无运动的肌肉则变化不明显。根据这一原理，我们探讨人体不同运动形式，不同功能系统在放热时应用红外热像技术进行监测的可行性，人体的温度与不同型式供能的关系，应用红外热像技术可以控制人体运动强度和运动量的可控范围，本文将围绕人体运动学原理，人体运动时生理生化变化规律，红外热像技术工作原理全面搜集资料，进行探讨对其应用前景进

行分析[9]。

3. 重点难点

本文就红外热像技术应用于运动训练效果监测和评价中是否可行进行探讨，由于不能直接实验看其效果，只能对其可行性做理论层面分析，因此也就提高了研究的困难程度，这样就要求在研究过程中要全面搜集资料，多方请教专家探讨咨询建议，并且多组织相关方面的专家做研讨会，保持科学研究的科学性和严谨性[10，11]。

4. 预期效益

红外热像仪已用于医学检查和诊断、医学基础研究以及其它领域应用也很广泛，作为一种现代化的技术手段，对其能否应用在运动训练领域中，我们将在理论层次上给予科学的分析，本课题的研究结果为下一步是否要将该技术投入实验研究，给予指导性意见，并且拓宽了运动训练效果监测和评价的领域，开放体育领域的新视野，因此，该题目在研究成果方面具备研究价值。

参考文献：

[1] Xavier P VMaldague. Nondestructive evaluation of materials by infrared thermography[M]. Berlin，London：Springer-Verlag Limited，1993.

[2] Dattoma V，Marcuccio R，Pappalettere C，et al. Thermography investi-gation of sandwich structure made of composite material[J]. NDT&E International，2001，34（8）：515-520.

[3] Davor GMandic，Richard E Martin，John HHemann. Thermal imaging technique to detect delaminations in CFRP plated concrete[A]. SPIE[C].1998，3396.22-27.

[4] Girinzato E，Bison P G，Marinetti S，et al. Thermal NDE enhanced by3Dnumerical modeling applied to works of art[J]. Insight，2001，43（4）：254-259.

[5] Mujika I，Padilla S，Pyne D，et al. Physiological changes associated with the pre-event taper in athletes [J]. Sports Med，2004，34（13）：891—927.

[6] 王健，金小刚.表面肌电信号分析及其应用研究[J].中国体育科技，2000，42（8）：27—29.

[7] 杜俊敏，史海文，袁修干.一种上肢运动功能评价方法的初步研究[J].中国康复医学杂志，2007，（11）：1011—1013.

红外热分析 篇4

本文对CFRP加固铝合金结构粘贴质量的红外热成像检测进行了研究, 构建了红外热成像检测实验系统, 分别采用瞬态热激励方法, 对不同类型内部脱粘缺陷的试件采集序列热图像并进行分析处理。实验结果验证了红外热成像技术用于CFRP加固铝合金脱粘检测的可行性和有效性。

1 红外热成像检测原理

红外线是一种电磁波, 具有与无线电波和可见光一样的本质。利用特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像, 并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术[5]。当物体被加热后, 在趋于热平衡的过程中, 其表面温度场的空间和时间变化方式不仅与材料有关, 而且受内部结构和不均匀性影响。大多数情况下, 局部的缺陷使得热波非均匀传播, 此时热波将会发生散射和反射等, 以某种方式在物体表面的温度场变化上反映出来。通过控制热激励, 利用红外热成像技术记录物体表面的红外辐射并转化成可见的温度图像, 可获取材料的均匀性信息及其表面下的结构信息, 以此达到检测和探伤目的。

2 实验研究

2.1 红外热成像检测系统

如图1 所示, 本文建立的红外热成像检测实验系统主要包括:红外热成像仪、热激励源、激励时间控制器及计算机处理系统。红外热成像仪的作用是检测热辐射, 采集热像图, 实验中采用的Image IR高端红外成像系统, 最高成像帧频可达10KHz, 温度分辨率最高达0.01℃。实验中采用的瞬态热激励源为Photo Light-1000W型加热灯, 同时采用JSS48A-1Z型数字式时间控制器来对热激励时间进行控制。

2.2 实验对象

实验中采用的试件是粘贴了CFRP片材的铝合金试件, 试件上人工制作了不同直径、不同深度的多种孔状缺陷, 用于模拟铝合金表面不同大小和深度的剥落而造成CFRP片材脱粘。铝合金试件与缺陷的具体形状和尺寸如图2 所示。将考虑两种试件形式:试件一中所有缺陷直径相同而深度不同, 试件二中缺陷直径相同, 且其中一个缺陷为通孔。采用环氧树脂胶将CFRP片材粘贴在铝合金试件含有缺陷的表面, CFRP片材厚度为0.167 mm。

2.3 瞬态热激励实验结果

采用Photo Light-1000W型加热灯对试件一和试件二表面进行瞬态热激励, 激励时间为15S。红外热成像视频从加热结束后开始采集, 只包含散热阶段, 共采集图像1000 帧。采集对比度最大的热像图及散热过程中第100帧、第200 帧及第300 帧的试件缺陷中心温度的对比关系, 由于试件二散热较快, 热图像200帧之后两个缺陷的中心温度已基本接近于试件主体温度, 因而仅节选至第200 帧的缺陷中心温度对比关系。

由图3、图4 和图5 可以看出, 对同样直径的缺陷, 其缺陷体积越大缺陷温升越明显。所以, 在同一热激励方式下, 试件的缺陷越深 (通孔除外) 、缺陷面积越大、激励时间越长, 其缺陷部分的温度与试件其余部分的温度差越明显, 即对比度越大, 并且对比度在撤除热激励源之后的时刻达到最大, 随后不断衰减, 直至消失。此外, 由于通孔缺陷对热量的积蓄能力较弱、散热较快, 因而, 从热图像的捕捉结果来看其中心温度与试件主体温度的对比关系并不明显, 这也为进一步判断区别缺陷类型提供参考依据。本实验中各试件粘贴的CFRP片材是一样的, 理论上检测表面距缺陷位置应该一致, 但实际由于粘贴胶厚度不同等因素存在, 实际距离不可能完全一样, 反映在对比度随时间变化曲线上, 其对比度最大值位置不同。

3 结论

本研究构建了红外热成像检测实验系统, 对含不同类型内部脱粘缺陷的CFRP加固铝合金试件进行了实验研究。瞬态热激励下的研究结果表明, 采用红外热成像技术对CFRP加固铝合金的脱粘进行检测是完全可行的。该方法具有快速、非接触、大面积扫查等优点, 对检测到的图像进行图像分析就可以直观反映缺陷状况, 并可以初步判断缺陷类型, 为CFRP加固铝合金结构的修缮提供可靠的信息参考。

参考文献

[1]叶列平, 冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报, 2006, 39 (3) :12-24.

[2]陈仪.碳纤维布加固铝合金结构现状[J].建筑论坛, 2014 (11) :924.

[3]黄文浩, 艾军, 田裕鹏, 等.粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测新方法[J].建筑技术, 2006, 37 (6) :465-467.

[4]郭小农, 王奔, 郭晓燕, 等.碳纤维布加固铝合金粘结性能试验研究[J].结构工程师, 2013, 29 (5) :144-149.

红外热像仪学习总结讲解 篇5

制冷及低温工程

经历了几周对本课程的学习，发现自学到了很多东西，现将本课程最基本的知识整理如下：

1.红外线的发现与分布

1672年人们发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿作出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩型孔，孔内装了一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其它温度的批示数值高。经过反复试验表明这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的热线，这种看不见热线位于红色外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发展是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。

红外线的波长在0.76--100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，成像装置的输出的就可以完全一 一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理后传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。热像仪为非接触式测量，这是它的优点。如果为接触式测量，一个大的缺点就是破坏了原来的温度场。

2.红外热像仪的原理

红外热像仪由红外探测器、光学成像物镜和处理电路组成。早期的热像仪由于焦平面技术的限制，一般是线阵或×

4、×6阵列的，需要光机扫描系统，目前基本为凝视型焦平面所代替，省略了光机扫描系统。利用物镜将目标的红外辐射能量分布图形成像到红外焦平面上，由焦平面将红外能量转换为电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

这种热像图与物体表面的分布场相对应实；际上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光相比缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实际校正，伪色彩，描绘等高线和直方进行运算、打印等。

3.红外热像仪的主要参数

(1)工作波段：工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是3~5μm（短波，医疗）或8~14μm（长波，工业）。如美国FLIR的非制冷产品和制冷型QWIP系列都工作在长波8~12μm，制冷型产品MCT系列工作在中波3~5μm。

(2)探测器类型：探测器类型是指使用的一种红外器件。如采用单元或多元(×

2、×4等)、面阵等。可分为非制冷和制冷型2大类型。非制冷主要有热释电、多晶硅（α-Si，以法国sfradir为代表）、氧化钒（VOx，以美国FLIR为代表）等材料，目前，热释电热像仪基本被淘汰；制冷型主要有碲镉汞(PbCdTe，简称MCT)、量子阱（QWIP）、锑化铟（InSb，该产品对中国禁运）等。

(3)视频制式：我国标准电视制式，PAL制式，美国标准电视制式是NTSC制式。目前先进的热像仪同时还提供数字视频，有8位、10位及14位的。

(4)显示方式：指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。

(5)温度测定范围：指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。

(6)最大工作时间：红外热像仪允许连续的工作时间。

4.红外热像仪的分类

红外热像仪一般分光机扫描成像系统和凝视型成像系统.。光机扫描成像系统采用单元或多元(元数有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多)光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。

非扫描成像的热像仪，如今几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，已基本取代光机扫描式热像仪。其关键技术是探测器由单片集成电路组成被测目标的整个视野都聚集在上面，并且图象更加清晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结、连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像等功能。

目前，热像仪主要是高端的制冷型热像仪（碲镉汞MCT、量子阱QWIP）、低端的非制冷热像仪（氧化钒、多晶硅热像仪）。

美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功非制冷型氧化钒热像仪，目前其专利授权FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功非制冷型多晶硅热像仪，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产，也是中国市场的供应商。在非制冷热像仪领域，也主要是美国FLIR的氧化钒技术和法国SOFRADIR的多晶硅技术的竞争。

5、红外热像仪的应用

热像仪作为一种红外成像仪器，不但在军事应用中占有很重要的地位在民用方面也具有很强的生命力。热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟，各种低成本适于民用的热像仪的问世，它在国民经济各部门发挥着越来越大的作用。

在工业生产中，许多设备常处于高温、高压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业产品质量控制和管理。例如，在钢铁工业中的高炉和转炉所用耐火材料的烧蚀磨损情况，可用热像仪进行观测及时采取措施检修防止事故发生。又如，在石化工业中，热像仪可监视生产设备和管道的运行情况，随时提供有关沉淀形成、流动阻塞、漏热温度隔热材料变质等数据。再如，在电力工业中，发电机组、高压输电和配电线路等可用热像仪沿线扫查，找出故障隐患，及时排除以利于杜绝事故的发生。在电子工业中，也可用热像仪检查半导体器件、集成电路和印刷电路板等的质量情况，发现其他方法难以找到的故障。

此外，红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查，公安侦查以及各种材料及制品质无损检查等。

6．红外热成像系统的主要技术指标

1).f/数

f/数是光学系统相对孔径的倒数。设光学系统的相对孔径为A=D/f(D为通光孔径,f为焦距)，1/A=f/D，则数f/D 是表示系统的焦距f为通光孔径的多少倍。例如，f/3 表示光学系统的焦距为通光孔径的三倍。f/数代表的是红外系统接收红外热能量的能力。f/数越低，接收热能量越高，但镜头口径就越大。

2).视场

视场是光学系统视场角的简称。它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围，当目标位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的(任一点在一定距离内)时候被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内。即使物体能在热像仪中成像的空间的最大张角叫做视场。

3).光谱响应

红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应。一般的光电探测器均为选择性的探测器。

4).空间分辨率

应用热像仪观测时，热像仪对目标空间形状的分辨能力。本行业中通常以mrad(毫弧度)的大小来表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半径约等于弦长，即目标的直径。如 1.3 mrad的分辨率意味着可以在100m的距离上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物体。

5).温度分辨率

温度分辨率 ：可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确的分辨出目标辐射的最小温差△T。一般的△T<0.1℃。一般的温度分辨率为环境为30℃时探测器的最小可变温差，而不是整机的分辨率。

6).最小可分辨温差

分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数，而且是以与观察者本身有关的主观评价参数，它的定义为：在使用标准的周期性测试卡(即高宽比为 7：1的4带条图情况下)，观察人员可以分辨的最小目标、背景温差。上述观察过程中，观察时间、系统增益、信号电平值等可以不受限制的调整在最佳状态。

7).探测识别和辨认距离

探测、识别和辨认距离；这些是使用者很关心的性能指标。为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难(探测性能是一个多种因素的复合函数)这里只给出大致形象的定义； 探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界；识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离，如是车辆还是舰船；辨认距离是在分别出种类的基础上的细分。读书感想：（1）红外线的发现，任何物体都无时无刻（温度在绝对温度之上）不在向外发射出红外线。红外线是一种人眼看不到的热线，但却在1800年，被英国物理学家F.W.赫胥尔研究可见光时意外的发现了。这让我明白了，生活之中充满了科学色彩，我们做学问，搞科研要严谨，细心，这样我们才有可能发现生活中科学的魅力所在。我们都知道：红外线的发展是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。这一次飞跃在现在看来好像是很简单，但是对于当时，一片黑暗的情况下研究出红外线应该是多么的困难，很佩服以前那些在黑暗中探索出光明道路的科学家们，我们要好好学习科学知识。

（2）其实有了红外线的发明，红外热像仪的原理就很好理解了：红外探测器（探测物体表面辐射的红外线）、光学成像物镜（目标的红外辐射能量分布图形成像到红外焦平面上，由焦平面将红外能量转换为电信号）和处理电路（处理电路处理后显示到显示屏上）。任何一个仪器，使用之前一定要搞明白它的原理，如果原理都不知道就去使用就会措手不及。

（3）我想把红外热像仪的主要参数和技术指标一起来总结。主要参数是对某一个热像仪说的，而技术指标是对总体来说的。一个热像仪有其主要参数，比如说：我买的这台热像仪工作波段是3~5μm，主要用于医疗，这是参数，你买的热像仪工作波段是8~14μm，主要用于工业。但是对于我们这两台热像仪，其技术指标，比如空间分辨率，算法都是一样的。对于技术指标，要好好掌握这项指标，对于以后应用热像仪有很大的帮助。比如一般的红外探测器在环境温度为三十度时，其温度分辨率最小温差一般为：ΔT<0.1℃，这可以作为以后校验数据的依据。

（4）分类：对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。根据响应波长，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器;根据工作温度和致冷需求，可以分为低温致冷和室温非致冷红外探测器;根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器;就探测机理而言，又可分为光子和热敏红外探测器。以后再学习工作中会更加深刻的理解这些分类。

（5）我最佩服红外热像仪的就是其应用了。现罗列一下应用：

1）微电子器件的故障排除，一些微电子器件如果温度过高会失去作用，从而使机器停止运转。而用热像仪就可以发现微电子器件的温度分布，发现其不正常之处，提早排除故障。

2）高压线缆的安全检测。3）化工设备的检测。

4）医学检测：检测外表面的，比如头疼，检测额头，胸部的乳腺癌等。5）建筑物漏热查寻，比如窗口的严密性。

6）森林探火、火源寻找。比如大兴安岭的火源寻找，提早发现隐患，解决问题。

除此之外还有海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查，公安侦查以及各种材料及制品质无损检查等。

总之，以后只要是想通过辨别温度场的差异来检测其是否正常的，优先考虑热像仪。

红外热分析 篇6

DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.012

文章编号：1672-9498（2016）04006505

摘要：为改进现行发动机故障诊断方法的不足，寻找一种半自动或自动的发动机故障诊断方法，在传统发动机故障诊断方法的基础上，提出应用红外热成像技术进行故障诊断的方法.该方法对正常运转和故障运转条件下发动机特殊部位的温度场进行监测；通过对比热像图和绘制温度曲线图，结合图像处理技术，对发动机常见的漏水、漏油、发动异常和缺缸这4类常见故障进行诊断.实验结果验证了该方法的可行性.该方法与现行的振动、压力、能耗、尾气等相应方式相比，具有非接触、无干扰、无损、准确、无需大量仪器、便捷、直观、迅速等优点.故障所对应的温度特征指向性明确.若能结合相应的识别程序对故障进行自动识别，就能在提高诊断效率和精度的同时防止因操作人员操作不当等造成的事故，对实现自动、半自动故障诊断具有重要意义.

关键词：

红外热成像技术； 故障诊断； 发动机； 图像处理

中图分类号： U472.42；TP391.7

文献标志码： A

收稿日期： 20151015

修回日期： 20160125

基金项目： 上海市自然科学基金（15ZR1420200）；上海市青年科技英才扬帆计划（15YF1404900）；上海市科学技术委员会科技创新行动计划（14170501500）；上海市教育委员会科研创新项目（14ZZ140）；上海海事大学研究生创新基金（2014ycx040）

作者简介： 宓为建（1956—），男，浙江海宁人，教授，博导，博士，研究方向为大型物流设备诊断与安全运行控制、物流信息系统与物流企业ERP等，（Email）miweij@126.com

Engine fault diagnosis based on infrared thermal imaging technology

MI Weijian1， SHEN Qing2， LIU Yuan1， CAO Pei2， MI Chao1

（1. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China；

2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.， Ltd.， Shanghai 200125， China）

Abstract：

To improve the shortages of current engine fault diagnosis methods and seek a semiautomatic or automatic engine fault diagnosis method， on the basis of the traditional engine fault diagnosis methods， the method of using the infrared thermal imaging technology for fault diagnosis is put forward. In the method， temperature fields of special positions of engines under the conditions of normal operation and fault operation are monitored； through comparing thermal images and plotting temperature curves， combined with the image processing technology， 4 types of common faults of engines are diagnosed including water leakage， oil leakage， misfiring and cylinder misfiring. The experimental results verify the feasibility of this method. Compared with the existing methods related with vibration， pressure， energy consumption and exhaust gas， this method has advantages such as noncontact， no interference， nondestruction， accuracy， no need of a lot of instruments， convenience， intuitiveness and quickness. Temperature characteristics of faults have clear directivity. If corresponding recognition programs are used to accomplish automatic identification for faults， the diagnostic efficiency and precision will be improved， and the accidents caused by improper operation from operators will be prevented， which is of great significance for realizing automatic or semiautomatic fault diagnosis.

Key words：

infrared thermal imaging technology； fault diagnosis； engine； image processing

0引言

热试检测工位对发动机故障的诊断，目前多依据对压力、振动、电控、应变、耗能、尾气等信号分析的结果进行[16]，获取这些信号均需安装大量传感器或测量设备，且存在一定干扰，使所测信号有失真现象.另外，多数发动机制造厂主要依据仪器所测的相关数据，由操作人员凭经验判断发动机是否出现故障.考虑到操作人员个体差异、标准难规范等因素，利用现行方法获得的诊断结果的稳定性和可靠性不佳，存在误判和漏判的可能.另外，检测工位常伴随有噪声和有毒有害气体，工作环境恶劣，且存在一定安全隐患，因此寻找一种半自动或自动的新方法具有重要意义.

发动机常见故障往往在温度方面有所反映，通过热传导，机体内部不同部位故障的温度特征在发动机表面会有不同的温度显示.由于传导过程中介质、结构等的复杂性，单凭某几个点的温度值难以准确地进行故障诊断，因此需要对整个温度场的数据值及趋势进行分析.红外热成像设备是获取发动机表面实时温度场数据最高效、便捷的设备，其迅速、稳定、非接触、无干扰、无损等优点克服了发动机现行诊断方法的不足，且红外热像设备能与计算机等外部设备连接实现数据的转换、存储、显示、分析等功能，在发动机诊断数据获取方面具有较大应用价值[713].

1发动机故障诊断的红外热成像技术

1.1红外热成像原理

根据斯忒藩玻耳兹曼（StefanBoltzman）定律[10]，若物体温度高于绝对零度（-273.16 ℃），则其要向外辐射能量，且物体红外辐射的总功率与物体本身绝对温度的四次方成正比，即物体温度越高其所辐射的能量也越多.红外热成像系统组成见图1.

红外热像仪通过接收被测物体表面发出的红外辐射（处于红外热像仪的工作波段的红外辐射）来测定物体表面温度场，得到反映物体表面温度分布情况的热像图.

不透明被测物体表面的辐亮度（单位：W/（m2·sr））为

Lλ=ελLbλ（T0）+ρλLbλ（Tu）

（1）

式中：等号右边第一部分为表面光谱辐亮度，第二部分为反射的环境光谱辐亮度；T0为被测物体表面温度，K；Tu为环境温度，K；ελ为表面辐射率；ρλ为表面反射率，ρλ=1-αλ，其中αλ为表面对环境辐射的吸收率.

作用于红外热像仪入瞳的辐射照度（单位：W/m2）为

Eλ=A0d-2（τaλελLbλ（T0）+

τaλ（1-αλ）Lbλ（Tu）+εaλLbλ（Ta））

（2）

式中：A0为红外热像仪最小空间张角对应目标的可视面积，m2；d为该目标到测量仪器的距离，m；τaλ为大气的光谱透射率；εaλ为大气辐射率；通常，在一定条件下A0d-2为一个常值.

实际使用红外热像仪时，只需准确输入相关参数，即可自动得出温度分布图像.需注意，如果参数设置不准确，则会相应地影响拍摄所获得的温度场的准确性[10].

1.2应用红外热成像技术实现发动机故障诊断红外热成像系统收集发动机上各点的红外辐射，通过光电转换将光电信号变成模拟信号，再对模拟信号进行处理，最终将目标的图像显示在显示屏上.图像反映发动机各点温度的差异，与景物十分相似.图2a和2b分别为发动机同一位置的红外热像图和数码照片.通过分析发动机红外热像图，可以根据不同温度特征进行发动机泄漏、发动异常、缺缸故障的诊断，具体操作步骤为：

（1）进行调研，选定故障潜在区域；

（2）确定拍摄设备安装位置，设定红外拍摄参数；

（3）提取红外设备在线监测所获数据；

（4）结合计算机数据处理技术，对比分析标准情况下与故障时的热像图，提取各故障的温度特征；

（5）得出故障诊断结果.

2实验数据获取

2.1实验对象

本文以上海某发动机制造厂A型号发动机为实验对象，使用FLIR T620红外拍摄设备，对发动机泄漏、发动异常、缺缸等3类故障及其对应的标准情况进行红外热像图和视频拍摄，获得实验数据.

2.2实验参数

基于红外热成像原理，参考文献[7]，结合实验验证，确定拍摄发动机热像图所用的红外热像仪的主要参数，见表1.

辐射率的设置需根据所拍摄对象的表面材料而定，这里设置为0.98；大气温度、反射温度、大气相对湿度、大气透射率、拍摄距离这5个参数均需根据拍摄环境的实际情况设置；热范围根据发动机检测过程中不同故障特征的温度变化范围设置，达到凸显滤波和故障特征的效果；图像帧频选用默认值30 Hz，理论和实验均证明其能够满足对常见的3种故障采样的要求.此外，实验也证明红外设备的测温精度±0.1 ℃能满足故障判断的精度要求.

2.3实验组设置

数据的获取实验采用七定方针[14]与设备测量影响因素相结合的方法，即在定人员、定设备、定仪器、定部位、定参数、定量程和定周期的基础上，加上照明条件、环境温度、环境湿度和反射情况，从而保证数据的可靠性和实验结论的有据性.

实验针对发动机检测过程中的常见故障及其标准情况共拍摄了9组相关视频.详细的实验组设置和热像图数量见表2.

3实验数据分析与讨论

3.1泄漏故障

对漏水、漏油故障的分析基于实验数据中的第1～4组，热像图拍摄区域为泄漏可能发生的位置.通过在泄漏位置设置测温线（见图3中L1，在L1上从上到下取50个点），发现在故障组对应的热像图上温度均存在有规律的突变现象（由泄漏液体的下落造成的）.图4仅显示了L1上40个点的温度变化：稳定情况下测温线对应的温度曲线如图中曲线所示；泄漏发生时，在连续的3个采样时间点（时间间隔为（1/30） s）上能依次捕捉到3个最大温度值（如图中“○”所示）.这是因为泄漏液体温度（油：26～70 ℃；水：60～99 ℃）高于发动机相应位置表面温度，当泄漏液体滴落时，测温线表面温度最大值为泄漏液体表面温度，且泄漏液体在滴落过程中持续散热、降温.

对第1，2组实验，根据由多次实验获得的数据得出测温线上温度最大值与最小值的差约为42.8 ℃，而相应标准情况下（即无泄漏），测温线上温度最大值与最小值的差约为11.6 ℃，即漏水时测温线上温度最大值与最小值的差的平均值是标准情况下的3.69倍. 这是由于泄漏的水温度高于测温线L1位置的发动机表面温度，漏水发生时测温线上温度最大值为泄漏的水温度（60～90 ℃），即高于无漏水发生时测温线上温度最大值（约43 ℃），而测温线上温度最小值不变.

对第3，4组实验，通过MATLAB对图像进行处理，可找到漏油点处温度偏低区域（图5椭圆内），即通过图像分析相关技术可准确确定是否有漏油发生及漏油位置.

通过对比泄漏点的温度值和泄漏位置，可进一步判断是漏水故障还是漏油故障.图5椭圆中所示即为发动机表面捕捉到的泄漏的油.

3.2发动异常故障

对发动异常故障的分析是基于第5和6组实验数据的，热像图拍摄位置区域为发动机整机，通过分析得出标准情况下和发动异常时发动机从启动30 s到启动60 s的过程中温度平均值增量，见表3.

从表3可知，发动异常时发动机启动后温度上升极缓慢（增量为0.2 ℃），相比标准情况下的7.2 ℃基本可以忽略不计，这是因为发动异常时发动机气缸内未燃烧产热.

3.3缺缸故障

对缺缸故障的分析是基于第7～9组实验数据的，热像图拍摄位置区域为发动机整机.在缺缸时和标准情况下，发动机缸体外围四缸对应区域温度最大值随时间变化的曲线见图6，不同缺缸程度的整体热像图温度最大值随时间变化的曲线见图7.由图6可知，缺两缸时发动机选定区域温度上升到最大值所需时间为4 min（缺缸后温度不大可能达到相同的温度），而标准情况下所需时间为2 min.缺缸程度在温度上有一定的体现，缺缸越严重温度上升越慢，且不同缺缸程度对应的温度上升差值较大.

4结论

本文在分析传统发动机故障诊断方法的基础上，提出使用红外热成像技术进行发动机常见故障诊断的新思路.通过理论分析和实验验证了使用红外热成像技术进行发动机漏水、漏油、发动异常、缺缸等4类故障诊断的可行性，并获得故障温度特征，得出故障诊断的依据.

通过使用红外热像仪获得了不同故障及标准情况下发动机表面不同检测时刻的温度场数据.通过分析各热像图上特定点、线、区域，整图温度的最大值、最小值、均值，以及温度最低和最高点位置、趋势等信息，结合MATLAB图像处理中图像配准、相关分析、滤波处理等技术，提取了漏水、漏油、发动异常、缺缸等4类常见发动机故障的温度特征，即总结出发动机内部故障与表面温度之间的对应关系：

（1）在泄漏位置设置的测温线上，若出现突变情况，则说明有泄漏发生，通过分析测温线上温度最大值与最小值的差以及比较泄漏位置即知泄漏类型；

（2）分析发动机从启动30 s到启动60 s的过程中指定区域温度的增量即可判断发动机是否有发动异常；

（3）分析发动机从发动到检测完成时温度的上升速度，即可得出发动机是否存在缺缸故障及相应的缺缸程度信息.

通过将红外热像仪拍摄的结果与现有故障诊断方法得出的结果的比较，发现两者吻合，即证明了新方法的可行性.

与现行的振动、压力、能耗、尾气等相应方式相比，使用红外热成像技术进行发动机常见故障诊断的方法具有非接触、无干扰、无损、准确、无需大量仪器、便捷、直观、迅速以及对故障所对应的温度特征指向性明确等众多优点.若该方法能与相应的识别程序结合来实现对故障的自动识别，就能在提高诊断效率和精度的同时防止操作人员因操作不当等原因造成的事故，对实现自动、半自动故障诊断具有重要意义.然而，自动诊断需要建立在大量数据统计的基础上，这也是使用红外热成像技术进行发动机故障诊断的难点所在.

参考文献：

[1]耿辉， 张素明， 安雪岩. 一种基于聚类分析的液体火箭发动机稳态过程故障诊断方法[J]. 火箭推进， 2014， 40（5）： 8691.

[2]肖云魁， 乔龙， 张玲玲， 等. 基于小波奇异性检测的发动机故障诊断方法研究[J]. 汽车工程， 2014， 36（11）： 14051409.

[3]何细鹏. 汽车电控发动机的故障诊断方法研究[J]. 汽车维修， 2014（3）： 1415.

[4]王平， 雷沫枝， 王金舜. 中小型航空发动机转静子碰摩故障诊断的一种方法[J]. 测控技术， 2014， 33（7）： 5758.

[5]杜灿谊， 丁康， 杨志坚. 基于有限元与多体动力学仿真发动机失火故障特征提取研究[J]. 振动与冲击， 2012， 31（9）： 1823.

[6]谢小鹏， 肖海兵， 冯伟. 基于能量耗损的发动机故障诊断方法研究[J]. 润滑与密封， 2011， 36（5）： 13.

[7]杨叔子， 丁洪， 史铁林. 机械设备诊断学的再探讨[J]. 华中理工大学学报， 1991， 19（2）： 17.

[8]冉鑫， 任蕾. 基于可见光视频图像处理的水上弱小目标检测方法[J]. 上海海事大学学报， 2010， 31（2）： 1117.

[9]郭月娥. 海洋平台起重机液压系统故障诊断专家系统研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[10]杨立， 杨桢. 红外热成像测温原理与技术[M]. 北京： 科学出版社， 2012： 1848.

[11]HUDA A S N， TAIB S， GHAZALI K H， et al. A new thermographic NDT for condition monitoring of electrical components using ANN with confidence level analysis[J]. ISA Transactions， 2014， 53（3）： 717724.

[12]ZOU Hui， HUANG Fuzhen. A novel intelligent fault diagnosis method for electrical equipment using infrared thermography[J]. Infrared Physics & Technology， 2015， 73： 2935.

[13]于泽奇. 红外热成像技术在轮机故障诊断中的应用[D]. 大连： 大连海事大学， 2013.

[14]邓建平， 王国林， 黄沛然. 用于高温测量的红外热成像技术[J]. 流体力学实验与测量， 2001， 15（1）： 4347.

红外热分析 篇7

关键词：电力设备,热故障,红外热成像,诊断

0 引言

红外热成像诊断是一种对电力设备热故障进行诊断的重要技术。利用这种技术, 可以准确了解电力设备的状态, 具有检测误差小、诊断范围广、自动跟踪温度最高点等特点, 提供的图谱非常清晰。本文通过重点分析红外热成像诊断方法及其影响因素, 旨在与业内同行探讨红外热成像诊断技术, 以不断提高其在电力设备热故障诊断中的应用水平。

1 电力设备热故障的主要特征及分类

1.1 电力设备热故障的主要特征

(1) 电力设备在正常运行的情况下, 会出现发热的情况。这主要是在电流和电压的作用下导致的, 通常有如下3种方式:一是通过铁磁损耗的方式使电力设备发热;二是通过电阻的方式使电力设备发热;三是通过介质的方式使电力设备发热。

(2) 异常情况下设备的热分布图与正常情况下设备的热分布图是不相同的。从通常情况来看, 异常性发热根据其发热部位可以分成内部故障与外部故障2种。

1.2 电力设备热故障分类

(1) 电力设备异常故障从产生故障的机理进行分类, 电力设备故障可以分成以下几种:一是内部连接或接触不良类故障, 主要是指电气连接性不佳或触头不良故障, 譬如高压设备中导电体的连接不佳、断路器触头故障等。二是内部绝缘性不强而导致过热。在高压电气设备之中, 常常容易出现绝缘体性能下降、绝缘层破损、进水受潮等问题, 导致设备局部发生放电而过热, 如在电缆护套里面出现的局部放电过热故障。三是因一些高压设备的绕组线圈设计不科学或磁路组成不合理, 出现磁滞、漏磁的问题, 从而导致箱体过热或局部过热。四是在设备缺油的情况下, 也容易使设备表面温度出现异常。如果承载的负荷出现较大变化, 或是电压不稳等问题, 也容易使电力设备局部出现过热。和外部故障相比而言, 内部故障具有很强的隐蔽性, 其检测方式也可以通过红外热成像图无病理反射异常进行判断。

(2) 电力设备外部异常故障, 不言而喻就是指在设备外部可以直接观测的故障。外部故障主要有2种:一是接触不良而导致的过热故障。过热故障主要因为各种电气接头长期暴露在空气中, 往往容易因为接触性能不佳而出现这种故障。二是绝缘性不良而导致设备热度过高, 出现过热故障。如果电力设备的表面存在污秽, 或是电力设备表面受到外力的撞击磨损等, 就会影响设备表面的绝缘性能, 从而使设备自身出现过热故障。譬如, 当绝缘子被严重污秽或劣化, 导致泄漏, 就会使电流量大大增加, 从而引起设备迅速发热。从这类故障来看, 主要是某些部位过热后, 对四周辐射红外线。此时, 就会呈现出以故障部位为中心区域的热场分布。

2 红外热成像诊断方法

红外热成像诊断方法, 笔者主要简要介绍以下3种:

(1) 相对温差诊断法。当状况相同或基本相同设备的2个对应测点间温差与其中较热测点温升的比值>35%时, 可诊断该设备存在缺陷, 应予以跟踪监测, 必要时安排检修。

(2) 同类比较诊断法。在同类设备之间进行比较, 对同类设备对应部位温度值进行比较, 可较容易地判断出设备是否正常。该方法应用范围较广。

(3) 温度诊断法。依据现有标准, 对显示温度过热部位根据有关规定进行诊断。该方法虽可以判定部分设备的故障情况, 但易受外界条件影响, 难以准确判断故障。

3 影响红外热成像诊断的因素

3.1 大气尘埃或悬浮粒子对红外热成像诊断的影响

在大气中, 存在着不少的悬浮粒子、尘埃等, 这对红外辐射的传输有一定的影响, 容易使能量发生衰减。当红外辐射波长与大气中悬浮粒子、尘埃的大小相接近, 就非常容易导致红外辐射出现散射, 从而使其本来的传播方向发生转变。所以, 针对这种情况, 应该特别注重红外检测的环境选择。在选择检测的环境时, 应该尽量选择在空气清新特别是无尘的环境, 以确保红外检测的准确性。

3.2 大气吸收对红外热成像诊断的影响

当红外辐射在大气核子中传输时, 由于大气对其具有一定的吸收能力, 就会使其能量不同程度地衰减。因为, 在大气中有不少的气体分子, 如CO2 (二氧化碳) 、H2O (水) 等, 能够有选择地吸收与之波长相应的红外辐射。所以, 进行红外检测必须注意天气的选择, 尽量选择晴朗的好天气, 尽可能地避免在空气湿度较高的天气进行, 如雨雪、有雾、打雷等天气。空气湿度不超过大气的15%才可以进行红外检测, 以防止检测对红外线诊断造成影响。

3.3 风力对红外热成像诊断的影响

如果电力设备在室外的露天场所运行, 由于往往具有比较大的风力, 空气流动性强, 电力设备在风力的影响下, 其散发的热量就会被风力快速吹散, 从而大大改善了设备的散热条件, 提高了散热系数, 降低了设备的温度。如果设备存在缺陷, 就容易因为风力加速散热而导致设备温度下降, 通过红外检测就不会发现缺陷设备存在过热的问题, 从而就难以发现设备存在的缺陷问题。所以, 对于一旦发生故障而容易出现较大升温的设备, 在进行红外检测时, 应该严格选择风速适宜的环境。一般而言, 应尽可能地选择风速较低的环境, 将风速控制在0.5 m/s以下, 然后进行红外检测。

3.4 环境温度对红外热成像诊断的影响

当电力设备所在环境的温度比较低的时候, 其设备具有较好的散热条件, 设备的温度就相对较低。如果设备在这样的环境中一旦出现缺陷, 可能就会因为环境温度太低而无法正确判断, 从而导致误测误判的问题。由此可见, 红外检测的环境温度不可过低, 一般应该选择比环境温度高5℃的场所开展红外检测。如果环境温差较大, 就必须注意环境温度的调整设置, 注意环境温度参照物的选择, 一般以运行状态中电气设备的绝缘瓷柱为参照对象。

3.5 发射率对红外热成像诊断的影响

物体发射率为0~1, 其值与物体的材料、温度和表面状况有关。发射率对测温有很大影响。对带电设备进行一般外部故障巡检时, 可选择发射率0.9;对带电设备进行精确诊断时, 可参考下列数值选取:瓷套类发射率选0.92, 带漆部位金属类发射率选0.94, 金属导线和金属连接件的发射率选0.9。

3.6 检测距离对红外热成像诊断的影响

红外诊断很容易受到检测距离带来的多方面的影响。检测距离越小, 红外辐射所产生的衰减就越小, 其成像面积就越大。反之, 如果检测距离越大, 红外辐射所产生的衰减就越大, 其成像面积就越小。如果成像空间的分辨率达不到检测距离的要求, 其测温值将受到很大的影响。所以, 在保证安全距离的前提下, 应该尽量缩短检测距离, 检测人员应尽可能地靠近检测设备。

3.7 检测角度对红外热成像诊断的影响

根据红外辐射空间分布规律, 正对故障设备位置检测时, 红外热像仪接收到的红外辐射强度最大。因此, 应从多角度进行检测, 选择最佳的检测角度。在需要进行复测的情况下, 应记录检测位置, 以便下次在同一位置检测时进行比较。使检测角度保证小于30°。

4 结语

总而言之, 电力设备热故障的红外成像诊断是一种非常复杂而重要的故障诊断技术。我们应该根据影响其诊断的主要因素, 采取有针对性的措施, 不断提高电力设备的诊断技术水平, 尽量将设备故障处理在萌芽状态, 减少设备损耗, 延长设备寿命, 提高设备有效利用率和工作效率。

参考文献

[1]普恩平, 唐上林.红外热成像技术在电力系统故障诊断中的应用[J].电力技术, 2009 (7)

[2]梁旗.基于红外热图像电力设备热故障的自动诊断[J].电脑知识与技术, 2008 (6)

[3]林晋.基于红外测温技术的设备缺陷诊断方法研究[D].华北电力大学 (河北) , 2010

红外热成像技术在泵站的应用前景 篇8

目前国内绝大多数泵站采用的都是接触式测温方法,检测范围有极大的局限性,在对一些转动的、悬空的、带电的电气设备进行在线监测时常常存在明显的缺陷。由于缺乏对电气设备运行状态的实时了解,泵站以前通常是采取定期检修的办法来排除设备潜在隐患的。自从红外热成像技术问世后,由于其对设备故障点的检测可带电进行,并且采取非接触手段,从而大大方便了使用者,并且使得及时诊断出电气设备的热故障隐患成为可能。可以说红外热成像技术是检测电气设备温度异常隐患的理想手段,是目前在状态检修领域中普遍推广的一种手段。红外热成像检测技术在泵站领域中的推广应用,对于提高泵站电气设备的可靠性和运行经济效益,降低维修成本都有很重要的意义。

1 红外热成像的概念

1.1 热红外线

自然界中,人的眼睛能够看见的光线被称之为可见光。可见光属于人眼能够感受到的电磁辐射,其波长为0.38～0.78μm。而波长为0.78～1 000μm的电磁辐射,人眼看不见,被称为红外线,又称红外辐射。其中,波长0.78～2.00μm的电磁波被称为近红外线,波长为2～1 000μm的电磁波被称为热红外线。

在自然环境下,一切物体在绝对零度(-273℃)以上时都在不停地向外辐射热红外线。

热红外线有2个特点:首先,在大气中,烟、雾、云等自然现象都会严重影响可见光和近红外线的传播。但波长在3～5μm和8～14μm的热红外线却不受影响,即,人们可以在周围完全无光或者烟云笼罩的环境下顺利接收到这2个波段的热红外线;其次,物体热辐射能量的大小直接可以在物体表面温度上得到反映。即,物体表面温度越高,其热辐射量越大,反之,则越小。

1.2 红外热成像仪

红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜,接收被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上。由探测器将红外辐射能转换成电信号,经过放大处理,转换成标准视频信号通过显示屏显示成红外热像图,工作原理如图1所示。在显示的热像图中,能量辐射(温度)高的部分图像就亮,反之则暗。

1.3 红外热成像技术

通过能够感应红外线的红外探测仪,可以从所测物体和背景之间的红外线差异得到该物体的红外图像,热红外线形成的图像被称为热图像。由于红外热像图是与物体表面热分布场相对应,对温度相当灵敏的图像,红外热图像的亮暗直接反应出物体温度的高低,两者成递增比例关系。凭借成像的明暗并配以两者递增比例关系公式计算,就能诊断出物体温度的高低,因此,红外热图像也就是物体表面温度分布图像。

红外热成像技术[1]就是借助红外热成像仪,将人眼不能直接看到的物体表面温度分布,变为人眼可以看到的反映物体表面温度分布的热图像。

2 当前泵站的主要测温方式及弊端

2.1 当前泵站通用测温方式

目前,绝大多数泵站的测温装置主要采用接触式测温方式。这种测温系统主要采用在被测对象表面安装例如铂热式温度探头等阻压式温度感应元件,通过感应元件将采集到的温度信号转换为电信号,再通过通讯线路进行信号传输,最后经过对信号的处理在显示系统上反映出所测物体的温度值。

2.2 主要弊端

接触式测温方式主要以下有3个方面的缺点:

(1)测温的感应元件是固定在测温对象上的,通过通讯电缆将数据从测点传输至上位机,由于测温环境的变化,如机组振动,环境潮湿等恶劣影响,导致感应元件常发生破损、变形、线路松动、灵敏度下降等情况,出现数据无法传输的现象;

(2)由于测温对象通常是电磁类设备,因此温度感应元件、数据传输线路易受电磁干扰,影响感应元件的正常工作和数据的正常传输,从而导致数据的不准确或通讯的不畅;

(3)由于接触式测温方式属于点测量,测量对象是所测设备的一个特定部位,因此无法做到对设备内部发热情况全面、立体的测量。可能出现测点温度一切正常的情况下,非测点部件出现温度异常却无法及时得到反映,从而导致设备在运行中存在着相当大的安全隐患。

3 红外热成像技术在泵站的应用前景

3.1 实现对泵站电气设备的红外线测温

相对于泵站目前传统的测温方式,红外热成像技术是利用物体辐射能或电磁特性,不直接接触物体的方式来测量温度的,因此称为非接触测温方式。泵站采用该测温方式可以实现对被测设备的:(1)远距离测量:(2)不停电测量;(3)不接触测量:(4)不解体测量,从根本上解决了传统测温方式带来的弊端,特别适合对泵站带电、架空、高速旋转等设备的温度监测。

现以AT-G90红外热像仪为例[2]介绍红外热像仪的测温情况,这种红外热像仪集红外、可见光、激光定位等诸多功能于一身,对温度变化的灵敏度高,可达到0.08℃。该红外热像仪适用范围广,不管是在室内还是在户外使用,该设备均不受阳光、气候和其他高温物体的影响。同时其温度分辨度高,可以清晰地观察到只有微小温差的目标,准确测温距离达30 m,例如,变电所运行时,连接桩头的温度是监测的一项重要数据,红外热像仪就比传统的测温装置具有远程、精度等方面的优势,该仪器测温范围为-20～+600℃(低温可扩展到-40℃,高温可扩展至2 000℃),测温精度为±2℃。对于高速运行的机组各部位的温度监测也同样具有这方面的优势。此外,该热像仪还可以通过数据线接口实现计算机对热像仪的远程操作与控制,下载带有温度数据的红外图像供泵站运行人员判断分析设备的运行状况。

3.2 实现对泵站电气设备的在线监测和故障诊断

一般来说泵站发生的电气设备事故大多都不是突发性的,在发生前经常会伴随一段设备运行状态变化的过程。例如当泵站电气设备的电气元器件逐渐出现松动、破裂、锈蚀等情况时,会直接造成回路接触电阻的增加,致使电气元器件温度逐步升高,进而出现独特的热异常现象。如果泵站能够建立一个由一定数量的热像仪构成的热成像监视系统,实现对运行中的各个重要电气设备不间断的观察和测量,就可以从获得的电气设备温度值和热谱图的异常变化上,尽早发现这些发热现象,准确掌握潜在故障的位置和严重程度,并可以科学的判断出电气设备故障类型,及时采取有效的应对措施,从而减少经济损失。

目标热状态诊断故障的分析方法主要有3种:热谱图分析法、技术档案分析法和表面温度判断法。

3.2.1 热谱图分析法

热谱图分析法是红外热成像技术所特有的技术功能。测量步骤如下:先用红外热像仪对泵站电气设备所有应测部位进行全面扫描,找出热态异常部位;然后对异常部位和重点检测设备进行准确测温,并摄取热谱图,根据同类设备在正常和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常,或者应用分析软件进行详细分析,确定故障性质,提出处理意见。例如用红外热成像仪测得的泵站变压器和电缆桩头的热谱图如图2、3所示,图3中通过热谱图显示可以判断出左侧连接桩头温度明显比右侧桩头高,且温度值与周围温度形成明显温差,有明显故障先兆。

分析同一设备在不同时期所测得的检测数据(如温升、相对温差和热谱图),找出设备参数的变化趋势和变化速率,以判断设备运行是否正常。

3.2.1 表面温度判断法

根据测得的设备表面温度值[3],对照DL/T664-1 9 9 9《带电设备红外诊断技术应用导则》中及GB763-1990中表A1、A2的有关规定,凡温度(或温升)超过标准者,可根据设备温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质,及早发现事故隐患。

此外,针对测得的设备温度数据还有相对温差判断法、同类比较法等分析方法。

3.3 实现泵站电气设备的状态检修

3.3.1 当前泵站电气设备的主要检修方式及缺陷

目前,泵站电气设备的检修方式主要有2种:故障检修和计划检修。

故障检修,也称事后检修或故障后检修,就是对功能失效的设备或设备部件进行维护、修理或更换,该检修工作通常在设备发生故障后才会进行。

计划检修,也称定期检修,是目前我国电力行业包括水利泵站应用最为普遍的检修模式。计划检修是按一定的时间间隔进行检修,这个时间间隔是相关规程规定的,根据经验得来的。随着技术的发展,规程规定的检修周期在很多方面已经不再适用,而这种与设备状态无关的定期检修缺少针对性,极易造成设备过检修,又由于人为原因,也会造成设备的欠检修。过检修是一种浪费,浪费了大量的人力、物力,而且有可能酿成新故障,特别是在检修周期较短时更为突出。欠检修又会造成有潜在故障隐患的设备得不到及时维修,从而使故障更加严重化,甚至酿成更大的事故。

3.3.2 状态检修的概念及优点

状态检修[4],也称作预知检修、预报警检修或主动检修。它在普遍掌握设备健康状况的基础上,判断泵站电气设备的好坏,在设备结构和性能接近损坏前夕或对设备的安全性能有怀疑时,才实施检修。状态检修相对于传统检修,克服了计划检修缺乏针对性的缺点,防止泵站电气设备过检修或欠检修,既可以节省大量的人力、物力,又有效避免了事后检修造成设备的重大破坏,从而大大提高了系统运行的安全性。

状态检修的核心部分主要是电气设备的状态检测、设备的故障诊断及设备的状态预测。在现有的技术手段中,红外热成像技术所具备的在线检测和热故障诊断的效率高、判断准确、图像直观、安全可靠、不接触测温、不受电磁干扰、探测距离远和检测速度快等功能特点,完全符合状态检修的技术要求,是实现状态检修的理想手段,这些都是其他传统的状态监测和故障诊断手段所无法比拟的。

3.4 应用前景

如果在泵站建立一个完整的电气设备红外热成像仪检测系统,利用固定式热像仪和手持式热像仪将泵站主要电气设备纳入该系统的监测范围内,并实时将泵站电气设备平时运行的温度参数和热谱图通过网络进行采集并汇总。然后通过及时分析各个热像仪采集到的温度参数和热谱图,就可以实时掌握泵站电气设备的运行状态,准确了解并判断相应设备是否存在故障隐患,是否需要检修,进而制定方案安排检修的时间,确定检修的程度,这对泵站的运行管理具有积极重要的意义。

4 结语

红外热成像技术已经在很多电力行业得到了广泛应用,它所具备的非接触精确测温、对设备热故障的在线检测和诊断的功能,比泵站原有的设备测温和故障监测系统有着无法比拟的优越性。红外热成像技术的功能特点使得泵站电气设备的早期故障诊断和状态维修得以实现,从而大大提高了泵站电气设备的安全性和可靠性。随着红外热成像技术的不断成熟和发展,它所具备的各项功能必将在泵站的各个应用环节里得到充分的展现。

参考文献

[1]王魁汉.温度测量技术[M].东北工学院出版社,1991,7.

[2]吴继平,李跃年.红外热成像仪应用于电力设备故障诊断[J].电力设备,2006,7(9):38-41.

[3]吴晓松,王晨峰.电力设备接点温升监控的研究[A].电力系统红外交流会论文,2001.

红外热分析 篇9

变电站设备的在线监测系统一般是基于可见光监控为主, 一般起到安防和消防的目的;而对于变电站设备常见的电流制热、电压制热故障的在线监测, 目前也已广泛采用红外热成像技术进行故障检测。

电流制热缺陷一般是瞬态可以判定的, 所以常规的红外热成像技术, 对于电流致热设备的发热检测相对容易;但对于电压制热设备的发热, 基于其的故障特性, 需要长时间观察设备的温度变化趋势才能来判定缺陷, 显然, 这一点是常规热成像技术无法做到的。常规热成像技术只是根据同类设备的正常状态和异常状态进行简单的热图对比, 这样无法有效的判定缺陷, 判定缺陷带着很多主观的因素, 给变电站设备的正常工作带来了不确定的隐患。

为了能够有效、即时、准确地检测出变电站设备存在的缺陷, 尤其是电压制热的缺陷, 本次的研究重点放在了基于动态实时红外热成像技术的基础之上。在变电站的高压开关场内挑选合适的位置, 安装数字动态双通道红外热像仪, 采用360°*n云台固定安装方式, 配合光纤传输, 将所有实时监控到的数据传输到变电站的监控室。系统的工作分为两种主要方式, 第一种为巡视, 用于发现变电站常规的电流制热缺陷;第二种为详细观察, 用于发现变电站由于电压制热所引发的缺陷。系统配合报警功能, 令变电站工作人员能随时监控到变电站设备的工作状况与潜在故障, 并对重点设备的温度变化趋势进行监控, 同时帮助工作人员制作工作报告。设备全面覆盖220 k V设备区域, 部份覆盖110 k V设备区域, 同时, 可预留出其他安装点, 用于移动式工作探头的安装。

1 变电站设备温度在线监测系统

1.1 总体构架

传输基础是基于千兆网的光纤传输方案设计的, 采用这种设计方案, 可使系统有极大的网络冗余量, 以便于用户进行更深入的应用开拓与系统升级, 整体系统架构如图1所示。

如图1所示, 系统整体分为前端探头, 中间传输设备, 后台工作站三大部分。三大部分的组成及功能如下:

1) 前端探头:前端探头部分相当于整个系统的眼睛, 由集成16 bit全数字动态红外热像仪及高清可见光摄像机的云台组成。16 bit全数字动态红外热像仪可以实时采集、分析、存储被测目标每个点的温度值, 并且以数字的方式通过网络向后台传输;高清可见光摄像机选择sony EX48型工业摄像机, 可以清晰拍摄被测目标的白光, 并且在夜晚时, 自动切换为黑白夜晚模式, 仍可清晰拍摄被测目标;云台具备多达80个预置位, 并且可连续360°旋转, 有效的覆盖了变电站的测量范围。

2) 中间传输设备:中间传输设备相当于整个系统的血管, 由光端机、光纤和多路光纤适配器组成。光端机负责采集红外的网络信号、可见光的视频信号及云台的422信号, 并将其转化为光纤信号;光纤负责信号的传输;多路光纤适配器保证了系统的多路扩展功能。

3) 工作站:工作站相当于整个系统的心脏, 由服务器、网络交换机等组成。负责接收前端探头采集到的数据, 并对这些数据进行分析处理, 实现系统人机的交互, 实现系统的所有功能。

三个部分为一个有机的整体, 又相互模块化独立工作, 一方面保证了系统的所有功能, 另一方面, 又保证了系统的稳定性、成熟性和良好的可扩展性。

1.2 系统扩展方式

如图1, 系统具备良好的可扩展性, 系统可在不影响原系统的状态下, 进行可靠的并行扩展。

1.3 系统特点

1) 通讯方式:传统的变电站红外远程图像监控系统, 采用视频加串口的通讯方式, 记录的仅仅是视频数据, 而并非红外数据, 同时, 通过串口进行传输, 传输速率慢, 传输数据量有限, 不能实时记录设备的温度变化, 容易遗漏设备潜在故障。本次系统设计将不再采用这种方案, 而采用全部基于千兆网络传输设计方案, 即通过网络将红外热像仪所拍摄到的包含全部16位温度数据的视频流实时传输到控制站。

2) 数据库 (基于SQL Server数据库) :对于记录下来的所有数据的信息, 都能存储于数据库中。当有需要时, 在数据库中输入关键条件 (如设备名称, 记录时间, 设备温度, 缺陷类型等) , 即可从数据库中自动搜索到含有上述关键条件的数据。输入的条件可以为多种, 软件能对其进行组合并搜索, 并自动生成相应设备的历史温度变化曲线。

3) 对监控设备能形成长时间的温度变化曲线:对于变电站里的重点设备, 如主变压器, 可对其温度变化进行长时间的记录, 并自动生成温度变化曲线。当有需要时, 可从数据库中读取某指定设备在不同时间段的各条温度变化曲线, 自动组合成一个完整的曲线。

4) 云台监控路径设定:采用具有80个 (或以上) 预置位, 并可360°*n连续旋转的云台, 每个预置位所对应电力设备可以在数据库中建立对应的数据档案资料, 可以对设备的运行情况进行实时跟踪与快速检索, 并自动生成历史温度变化曲线图。

5) 在实时监控过程中, 对监控设备在特定云台预置位的温度能自动生成曲线

在实时监控过程中, 可对云台设置预置位。当云台每次经过设置好的预置位时, 能对预置位上的设备进行定位和测温;用户只需在软件上选出感兴趣的预置位及其对应的设备以及时间段, 软件便能自动生成关于该设备的温度———时间变化曲线。该过程可以在云台正常巡检过程中实现, 而不需要事后生成。

6) 能手动输入负荷, 并自动生成负荷曲线, 用户可以在软件中手动输入某设备的负荷, 软件随即对该设备的负荷自动生成相应负荷变化曲线。

7) 多路红外与可见光实时同时显示, 本系统要求在一台工作站的显示器上能实时同时显示4路红外以及4路可见光图像 (并且不改变图像的原始分辨率) 。同时, 用户也可以通过同一台工作站, 在两台显示器上对多台红外热像位与可见光摄像机的全分辨率图像进行实时显示、操作与温度数据分析, 即在一台显示器上显示上述监控画面, 同时在另一台显示器上分析指定的图像与温度数据。

8) 图像分辨率的优化, 对于观测距离比较远的设备, 若红外热像仪所拍摄到的红外图像不够清晰, 应能利用多幅图像分辨率序列增强的技术, 将原始分辨率的红外图像进行优化与处理, 使红外图像的分辨率得到大幅度提高, 以满足使用需求, 同时处理后的图像依旧可以进行温度分析。

1.4 实现的功能

1) 红外热成像与设备异常报警, 红外温度数据趋势分析。

2) 设备历史温度数据库检索。

3) 红外和可见光图像的远程传输和监控:满足远程红外图像传输性能稳定, 失帧少的特点。

4) 满足红外热图像动态采集、实时测温分析、监控精确的动态温度分析, 全数字化传输存储。

5) 具备强大的温度分析功能, 超温报警提示, 测温校正:环境温度、温度及距离测温校正。

6) 能够实现远程摄像机控制, 预制定位, 远程切换, 自动巡视等。

7) 发生异常时, 可自动推出关联图像。

8) 具备强大的远程图像监控功能, 可远程控制镜头、云台等设备。

9) 可手动输入电压等级。

3 结束语

相对于可见光监控系统和常规的红外监控系统, 本系统将解决以往的技术难题, 可实现如下功能:

1) 解决电压制热缺陷的判读难题, 实现对变电站设备温度的动态实时监测, 通过趋势分析软件对重点设备的温度变化形成温度曲线图, 使缺陷的判断更加直观、准确。

2) 解决传统的变电站红外图像监测系统中所采用的视频信号加串口数据 (RS232/RS485) 的通讯方式所带来的缺点, 如传输速率低, 传输数据量有限, 不能实时监控等, 实现全部监控数据采用基于光纤的网络传输方案, 对所有的数据, 特别是红外热像仪的包含全部16位温度数据的视频流, 必须通过网络光纤实时传输到监控室。

3) 红外热像仪的选择采用16 bit实时动态红外热像仪, 较之以前的静态红外热像仪只传输视频信号, 无法实时获取每个点的温度值, 只能够通过色标获得不准确的模拟温度值, 现在可以实现通过数据实时获得被测目标每个像素点的数字温度值, 提高了测量的准确性与真实性。

4) 对于云台预置位的设定, 为满足拍摄范围, 将云台的预置位数量设定为80个, 并采用可360°*n连续旋转的云台, 每个预置位所对应电力设备可以在数据库中建立对应的数据档案资料, 可以对设备的运行情况进行实时跟踪与快速检索, 并自动生成历史温度变化曲线图。

摘要：针对传统的红外成像技术难以有效、及时、准确地检测出由于电压制热导致的变电站设备缺陷问题.本文对比分析了基于可见光与红外热成像技术的优缺点, 设计了基于动态实时红外热成像技术的变电站设备在线监测系统, 通过数字动态双通道红外热像仪及360°*n云台固定安装方式, 配合光纤传输, 能将所有监控到的数据实时传输到变电站的监控室, 真正实现了有效、实时、准确的设备故障监测与数据传输。

关键词：电压制热,红外热成像技术,动态实时技术,在线监测,云台固定方式

参考文献

[1]雷达技术发展规律和宏观趋势分析[J].雷达学报, 2012, 1 (1) :19-27.

[2]高颖慧, 王平, 李君龙, 等.复杂战场环境下的防空反导光学成像制导技术[J].现代防御技术, 2012, 40 (1) :6-10.

[3]范晋祥, 岳艳军.红外成像系统新概念新体制的发展[J].红外与激光工程, 2011, 40 (1) :1-6.

[4]范晋祥, 张渊.新概念红外成像系统的发展[J].红与激光工程, 2008, 37 (3) :386-390.

[5]Keith Lewis.Systems for persistent surveillance[C]//SPIE, 2011, 8165:816514.

[6]Slinger C W, Bennett C R, Dyer D, et al.An adaptive coded aperture imager:building, testing and trialing a super-resolving terrestrial demonstrator[C]//SPIE, 2011, 8165:816511.

[7]Willett R M, Marcia R F, Nichols J M.Compressed sensing for practical optical imaging systems:atutorial[J].Optical Engineering, 2011, 50 (7) :072601.

[8]Robert Muise, Abhijit Mahalanobis.Recent results of integrated sensing and processing using a programmable hyperspectral imaging sensor[C]//SPIE, 2006, 6245:624502.

[9]Muise R, Mahalanobis A.Compressive and adaptive imaging for target exploitation[C]//SPIE, 2009, 7442:74420A.

利用红外热像仪调查一起汽车火灾 篇10

1火灾发生过程

经调查了解, 8月26日, 车主在4S店购买车辆, 在27日着火前11时30分左右开到一家汽车装配店喷涂车底防锈漆, 16时左右, 车主接到4S店销售人员电话说要在下班前到交警部门办理上牌手续, 在喷涂还没有完工的情况下, 车主急于上牌将车开走, 行驶8 km左右, 车主发现车辆突然没有了刹车制动, 由于当时车速不是很快, 于是用手刹刹住, 下车后发现车辆右后部突然冒烟起火。

2勘验情况

由于是新车, 火灾前恰好在汽配店喷涂过防锈漆, 是车的问题还是其他问题, 涉及厂家、车主以及汽配店三方。为此, 厂家、汽配店以及调查人员共同对火灾车辆进行了勘验。

2.1 车辆烧损情况

车辆前部及发动机舱没有过火, 车厢内部烧毁严重, 车厢内前后排座椅、车门及顶棚内饰件、仪表等被烧毁;车辆右侧车门、右后翼子板烧损;车辆右后轮烧损破裂, 右后轮制动有关烧损;车辆右后保险杠靠近排气管侧烧损;车辆底部沿排气管中段至尾段区域及附近底盘有明显过火痕迹, 靠近排气管的右侧油箱底部烧熔。

2.2 起火部位、起火点的认定

车辆整体燃烧情况呈现从底盘右后部往上部车厢蔓延的特征 (见图1所示) , 上部车厢烧损前轻后重、左轻右重, 显现由后排座椅向左侧、前部蔓延的特征, 车辆底盘后段排气管及附近油管有明显过火痕迹, 排气管上部隔热板烧损变形, 油箱右侧底部隔热板完全烧熔, 油箱右侧底部烧熔。以上燃烧痕迹表明, 该起火灾起火点位于底盘排气管中后段位置, 并以该处为中心向四周及上部蔓延, 这也和车主发现的情况相互印证。

3起火原因的认定

3.1 排除电路故障起火的可能

车辆底盘区域起火点附近没有电路经过, 因此, 可以排除电路故障引起火灾的可能。

3.2 排除油路漏油引起火灾可能

车辆底盘排气管左侧有油管分布, 经检查油管仅部分表面过火, 无破损渗漏痕迹, 油箱右侧底部隔板已完全烧毁, 隔板上部的油箱烧熔, 表明火从外部由下向上从油箱底部隔板向油箱蔓延燃烧。从火势蔓延特征来看, 排除油路渗漏油引起火灾的可能。

3.3 检查发现的异常情况

底盘排气管中后段起火点处并无电路或者油路分布, 但车辆底盘在着火前刚好作了防锈喷涂, 底盘前部的一部分油管还残留了人为缠绕的报纸, 起火部位处排气管的隔热板局部有防锈漆燃烧后的残骸粘附在隔热板上。于是调查人员提取了同类型的防锈喷涂漆送检, 采用3种方法测试该防锈漆的性能。

(1) 采用GC/MS联用仪和红外光谱仪对送检检材进行成分分析, 送检检材中含有大量小分子的饱和烃及部分芳烃, 如己烷、庚烷、辛烷、环烷烃和甲苯等易挥发成分, 易挥发组分闪点均低于室温。挥发剩余物除近于沥青质的成膜材料外, 还有其他无机成分。

(2) 将送检检材摇匀后倒在铁片上, 涂覆均匀 (厚1～2 mm) , 每隔一定时间, 采用分析天平称重, 记录送检检材质量随时间变化。测试条件:环境温度:28 ℃;相对湿度:45%～80%;无外加风源。其结果如图2所示。

(3) 将送检检材摇匀, 涂覆于铁片之上, 室温下放置, 每隔1 h取样一次。采用TGA-Q10型热失重分析仪分析送检检材中难挥发组分起始分解温度;采用DSC-Q50型差示扫描量热仪分析送检检材起始放热温度, 结果见表1所示。

3.4 排气管温度测试

为了测试车辆起火点处排气管温度, 调查人员采用热成像分析仪对车底排气管 (见图3) 及隔热板 (图4, 表2) 温度进行了测试。在厂商的配合下, 采用同类型号、排量的汽车, 在相同路况、距离、时间行驶后进行测试, 并且重点对起火部位附近的排气管和隔热板进行测试。测试结果为该类型车辆排气管及隔热板温度可以接近和达到防锈漆的起始放热温度, 如果喷涂时还包有报纸等可燃物附着在排气管上, 匆忙之中忘记取下, 就会很快起火。

经综合调查情况、现场勘验和实验数据, 认定该起火灾原因是车辆排气管高温引燃了底盘刚喷涂的防锈漆等可燃物所致。

4红外热像仪的应用探讨和调查体会

在该起火灾勘查分析过程中, 调查人员严格细致勘验, 严谨全面分析, 运用多种取证手段, 尤其是充分利用红外热像仪对车辆排气管及隔热板温度分布进行测试, 为认定火灾原因提供了依据, 同时也对火灾当事人产生了极大的说服作用。

4.1 红外热像仪的工作原理

红外热像仪的工作原理是任何有温度的物体都会发出红外线, 红外热像仪就是接收物体发出的红外线, 通过有颜色的图片来显示温度分布, 给科研工作提供参考数据。红外热像仪可以测量物体表面的温度分布情况, 传统红外测温仪仅测得一个点的温度, 在消防领域, 除了查找火源, 搜寻烟雾中的受伤者外, 在火灾调查上可以测量发热体的温度, 从而为判定事故原因提供科学依据。

4.2 红外热像仪在火调中的应用探讨

在汽车火灾调查中, 除了可以检测排气管温度变化情况外, 还可以通过红外热像仪检测发动机舱、汽车轮胎行走性能等温度变化情况。除了汽车火灾, 在其他类型火灾中也可以得到应用, 如烟囱飞火引起火灾的案例, 由于飞火是在空中飘动的, 利用传统的导热测量装备无法取得飞火的参数, 如飞火瞬间温度以及温度随时间的变化情况等。利用红外热像仪就可以很好地解决这个问题, 而且可以实时监控温度变化的情况, 得到有效数据, 为飞火引起的火灾认定提供科学的数据。另外, 红外热像仪还可以应用于电热设备和线路发热状况的检测, 更好地服务于火灾调查工作。

4.3 调查体会

随着汽车的普及, 车辆火灾呈逐年上升趋势, 给调查工作也带来了新的课题。从该起火灾测试的汽车排气管温度数据看, 随着汽车发动机性能的不断提升和汽车排气管制造工艺、新材料的应用, 目前中高档小汽车车辆排气管温度比以往可查的数据降低了很多。该起汽车火灾中底盘下方排气管的温度 (图5, 表3) 最高为260 ℃左右。笔者认为, 随着汽车制造业的不断发展, 制造工艺的不断改良和新材料、新能源的应用, 汽车的排气管、发动机、催化转换器的发热温度也会不断被改进。但不容忽视的是, 这些技术的改良, 仍然存在可能出现人为事故的因素。因此, 在车辆出厂的安全说明书上应当载明相关

参考文献

[1]耿惠民, 王铁强.汽车火灾的研究[J].消防科学与技术, 2004, 23 (6) :596-599.

[2]邸曼, 张明.汽车火灾中电气故障痕迹物证的分析研究[J].消防科学与技术, 2006, 25 (1) :116-119.

[3]邓震宇, 刘振刚, 梁国福, 等.汽车常用液体接触热表面火灾危险性的研究[J].消防科学与技术, 2006, 25 (3) :405-407.

[4]陈克, 刘振刚, 邓松华, 等.汽车车身燃烧残留痕迹特征的研究[J].消防科学与技术, 2007, 26 (1) :101-103.