紅外熱像儀船用數(shù)據(jù)采集方法應用

孫朝斌，石明華，馬衛(wèi)民，郭海生

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

紅外熱像儀是指定波長范圍(1～3 μm，3～5 μm，8 ～13 μm)［1］的光譜輻射測溫裝置。它基于電成像、圖像處理存貯等技術應用，以獲取被測物體表面熱像圖，判斷被測量物體工況的實時測量儀器。

本文基于紅外熱像儀數(shù)據(jù)采集方法和國內(nèi)外儀器設備無損檢測方法應用研究和熱像儀的船舶工程應用，在大量實驗基礎上，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和實用，同比節(jié)約大量的人力和財力，使熱像圖在防范船用設備隱患中起到預警作用。

1 紅外熱像儀測溫原理和影響測溫的因素

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反射和透射的理想物體)輻射理論為基礎，揭示了黑體輻射能量在不同的溫度下按波長分布的規(guī)律。其數(shù)學表達式為:

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，μm;T為黑體熱力學溫度，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λ密切相關，故波長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、利用存在的問題及對策

除第2.1.1節(jié)外，本項測試中獲取的溫度均為默認設置(發(fā)射率為0.95，背景溫度為10.0℃)下得到的溫度值，并非被測物體表面的真實溫度。

2.1 紅外熱像儀圖像采集中的問題

通常情況下，黑體吸收外來的電磁輻射與發(fā)射電磁輻射的能力比同溫度下的任何物體都強。但在實際工作中的物體基本上都屬于灰體，當紅外輻射到物體表面時，會產(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，使測試的絕對溫度存在偏差。另外，由于圖像采集沒有相對規(guī)范的操作流程及強制性要求，使得被測物體發(fā)射率、透射率、環(huán)境溫度等環(huán)節(jié)上影響不統(tǒng)一，損失了測量精度。主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

2.1.1 被測物體發(fā)射率的影響

以FLUKE Ti50紅外熱像儀對船用柴油機后軸承端蓋進行測試試驗，測試條件為:熱像儀距離柴油機后軸承端蓋1 m，正對軸承端蓋拍攝，周圍無其他干擾熱源。監(jiān)測軸承的水銀溫度計顯示32℃。改變熱像儀發(fā)射率設置值觀察對測量值的影響，測試數(shù)據(jù)見表1示。

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由表1可見，選擇的發(fā)射率值越小，獲取的物體表面溫度值越高，由于設置不當產(chǎn)生的最大溫差可達到實際被測溫度的1.5倍。當發(fā)射率選在0.88時熱像儀測得的平均溫度與監(jiān)測軸承溫度的水銀溫度計示值接近。為此，熱像儀使用時應設置物體發(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，不能準確地判定材料的發(fā)射率，導致熱像儀使用中準確測量的一個難點。

2.1.2 被測物體透射率的影響

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

2.1.3 被測物體與熱像儀鏡頭相對位置的影響

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

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

當距離測試點2 m時，因向左偏移受船空間限制，無法獲得225 cm和300 cm測試點的數(shù)據(jù)。由圖中數(shù)據(jù)分析，當向左偏移225 cm時，測試的溫度沒有大的波動，此時的水平偏移角

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

多次實驗證明，拍攝角度和拍攝位置對獲取真實的熱像圖片是重要因素。當熱像儀與被測目標的偏移角在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，因此在采集過程中，需要在48°范圍內(nèi)選擇一個重復拍攝位置，以獲取最佳的標準熱像圖片資料。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45°。

2.1.4 環(huán)境溫度的影響

表2為環(huán)境溫度影響測試數(shù)據(jù)的試驗，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 熱像儀量程校準范圍不當對測量的影響

設置熱像儀量程校準范圍:－20.0～100.0℃，當被測物體的溫度大于校準范圍上限時，熱像圖只能用＞110.0℃進行標注;當更改校準范圍為－20.0～350.0℃時，可獲取最高溫度點。因此，熱像儀量程校準范圍選擇應大于被測量范圍，否則造成的測量圖像失真就是在后期的熱像圖處理軟件中都無法調(diào)整。

2.1.6 聚焦不當時對測試結果的影響

為了便于表述，根據(jù)散焦程度的不同將其分為6級(F級:聚焦良好;E級:聚焦稍差;…… A級:完全散焦)軸承端蓋的散焦測試結果見表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)的最高溫度點的溫度示值緩慢下降，最低溫度點的溫度示值緩慢上升，而溫度平均值也略有上升。因此，要實現(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題

熱像儀測試過程中的目標物參照對比法是目前常用的診斷方法，依據(jù)熱像圖判斷設備潛在故障是建立在對熱像圖資料綜合分析基礎上的。

如同時測量三相配電箱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比來確定連接螺絲的接觸情況。當出現(xiàn)三相不平衡的情況時，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的好壞判斷提供依據(jù)。

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

以上舉例說明了熱像圖數(shù)據(jù)資料利用的重要性。由于圖像處理過程沒有規(guī)范性要求，容易造成設備熱像圖資料丟失，以及沒有歷史熱像圖資料數(shù)據(jù)庫，利用資料困難，從而失去對比分析與重復利用的價值。

3 船用熱像圖的采集方法

3.1 建立采集點位置控制圖

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

為此，要求建立采集點前，首先對采集點環(huán)境進行仔細考察，對每1個采集部分都用熱像儀反復測試，尋找能減輕環(huán)境反射、環(huán)境溫度等的影響，且在熱像儀與被測目標的偏移角不大于45°范圍內(nèi)的拍攝位置，調(diào)整熱像儀發(fā)射率、量程校準范圍和聚焦拍攝出標準的熱像圖;再用數(shù)碼相機記錄采集人員站立的標準位置和被測目標的可見光圖;最后把被測目標的可見光圖、采集人員站立位置圖、目標的標準熱像圖、目標編號和熱像儀拍攝時的參數(shù)設置4個部分組合成1張采集點位置控制圖。按照這種方法，依次采集所有要監(jiān)測的目標，制成采集點位置控制圖參照標準，裝訂成冊，做為工作人員以后每次巡檢、采集時的參照拍攝規(guī)范。

3.2 船艙室熱像圖采集方法

1)艙室環(huán)境溫度采集

采集者進入艙室后，選擇1個不受任何熱源干擾的固定區(qū)域進行圖像采集，獲取圖像的平均溫度值作為當前機艙的環(huán)境溫度。要求每次巡檢均用這個區(qū)域測量環(huán)境溫度。

2)記錄設備周圍環(huán)境狀態(tài)

艙室可能有多臺甚至多種設備，巡檢時對于工作中的設備均要進行檢測。采集前，要在附表上記錄被采集設備的環(huán)境情況，包括周圍設備的工作狀態(tài)、有無其他熱源、被監(jiān)測設備的負荷大小等信息，形成計算機管理的文字資料。

3)根據(jù)采集點位置控制圖參照標準依次進行采集

在影像采集時，要保持采集方式、采集部位、熱像儀的設置、采集人員的站立位置、熱像儀與采集部位的相對位置等均與采集點位置控制圖參照標準保持一致，切實克服熱像圖采集過程中的隨意性，獲取符合計算機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置而呈現(xiàn)出截然不同的效果。為提高設備的隱患檢出率，要求對熱像圖的水平和跨度設置能在被關注的對象上有明顯偽彩色層次感為宜(圖2左圖);在熱像圖處理時不能僅關注高溫點的變化，還要關注整個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。如果設置不當(圖2右圖)，即使有異常，溫度達不到一定程度，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)庫的建立

每次完成采集與處理后，均利用計算機熱像圖數(shù)據(jù)庫信息管理系統(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，實現(xiàn)設備隱患的早期預警。

研究中發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)不同、負荷相同、機艙溫度變化明顯的情況下，采集到的船用柴油機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)庫信息管理系統(tǒng)，各制作一張有顏色梯度分布的標準熱像圖片，形成熱像圖后期對比處理的樣片，作為在相同溫度、環(huán)境條件下設備隱患預警的計算機參照比較基準。

4 結語

通過對熱像圖采集方法的分析研究，提出了用采集點位置控制圖為參照拍攝標準的采集方法，以適應計算機貯存、管理和處理，達到熱像圖圖文信息在設備隱患預警中指導作用的目的。這種實用有效的紅外熱像儀數(shù)據(jù)采集方法，可以廣泛應用于各種不能或不便于直接接觸式檢測獲取溫度數(shù)據(jù)的場合，尤其在船舶動力、線路和管路等有限環(huán)境條件下設備的監(jiān)測、檢測和維修中起到非常重要的作用。

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

［2］田裕鵬.紅外檢測與診斷技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.11 －11.

［3］李國華，等.紅外熱像技術及其應用的研究進展［J］.紅外與激光工程，2004，33(3):227 －230.

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