船載電氣設(shè)備紅外故障診斷應(yīng)用技術(shù)研究

楊 洋，孫朝斌，柏永斌，韓 璐

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船載電氣設(shè)備紅外故障診斷應(yīng)用技術(shù)研究

楊 洋，孫朝斌，柏永斌，韓 璐

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

通過分析紅外檢測各影響因素對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性的影響程度，提出了通過設(shè)計(jì)使用熱像圖采集點(diǎn)位置控制圖和溫度補(bǔ)償算法對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性進(jìn)行校正的方法。同時(shí)，結(jié)合船載電氣設(shè)備工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)熱像圖區(qū)域分割方法，通過使用熱像數(shù)據(jù)分區(qū)域比對的方法來對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明該方法適用性強(qiáng)，通過調(diào)整比例參數(shù)能夠滿足大部分船載電氣設(shè)備熱像圖故障診斷分析需求。

紅外熱像儀；故障診斷；船載電氣設(shè)備

0 引言

紅外熱成像技術(shù)作為一種無損檢測手段，由于其非接觸、無損傷、適合于大面積檢測等獨(dú)特優(yōu)勢在電氣設(shè)備故障診斷領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用[1]。紅外診斷技術(shù)主要是依據(jù)獲取的被測設(shè)備熱像數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)熱像數(shù)據(jù)分析方法和被測設(shè)備狀態(tài)判定依據(jù)，對設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，故障點(diǎn)存在位置和故障嚴(yán)重程度進(jìn)行診斷判別的方法。

由于紅外輻射信號在傳播過程中容易受環(huán)境溫度、傳播距離等因素影響，使用熱像儀對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測時(shí)，紅外探測的準(zhǔn)確性和一致性難以保證。同時(shí)，船載電氣設(shè)備由于工作艙室封閉狹窄，高溫、高噪的工作環(huán)境增加了使用紅外手段準(zhǔn)確檢測設(shè)備故障的難度。

本文通過研究被測設(shè)備各影響因素對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性的影響程度，結(jié)合船載電氣設(shè)備工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠簡便、有效獲取被測設(shè)備熱像數(shù)據(jù)、通過熱像數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷的方法，并通過軟件對該方法進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

1 紅外檢測誤差因素分析

熱像儀紅外輻射信號的接收受多種因素的干擾，紅外探測的準(zhǔn)確性難以保證，研究確定各影響因素對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性的影響程度是提高熱像圖測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

1.1 被測物體發(fā)射率影響誤差分析

發(fā)射率是描述被測物體相對于黑體輻射能量大小的物理量，不同物體的發(fā)射率由于自身材質(zhì)的不同，存在一定程度的差異。物體發(fā)射率不同，其紅外輻射信號的表現(xiàn)形式則存在差異[2]。本文以船載柴油發(fā)電機(jī)軸承蓋進(jìn)行測試試驗(yàn)，獲取由于對設(shè)備發(fā)射率判斷失誤造成測試結(jié)果誤差的數(shù)據(jù)資料，由此評判被測物發(fā)射率對測量結(jié)果的影響程度。

被測設(shè)備為鋼（強(qiáng)氧化材質(zhì)），標(biāo)稱發(fā)射率為0.88，軸承端蓋上方水銀溫度計(jì)顯示32℃。熱像儀使用不同發(fā)射率參數(shù)的測試數(shù)據(jù)誤差如表1所示。

試驗(yàn)表明發(fā)射率判斷失誤對測量結(jié)果會產(chǎn)生較大的誤差影響，熱像儀在進(jìn)行熱像數(shù)據(jù)采集過程前應(yīng)根據(jù)被測物體的發(fā)射率選擇合適的測量參數(shù)，以獲取被測設(shè)備準(zhǔn)確的熱像數(shù)據(jù)。

1.2 環(huán)境溫度影響誤差分析

船載電氣設(shè)備由于工作艙室較為封閉、狹窄，船舶航行期間，設(shè)備工作環(huán)境一直處于高溫狀態(tài)。在進(jìn)行紅外檢測時(shí)，紅外輻射信號受周圍環(huán)境溫度影響，表現(xiàn)為熱像圖背景噪聲增大，關(guān)注故障點(diǎn)熱像數(shù)據(jù)飄移的現(xiàn)象[3]。

在不同環(huán)境溫度下，對低于40℃的柴油機(jī)軸承蓋進(jìn)行測溫試驗(yàn)，通過表2測試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低于40℃的軸承端蓋溫度明顯受環(huán)境溫度的影響，并隨環(huán)境溫度的上升而上升。

環(huán)境溫度對熱像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性存在較大程度的影響，本文通過測試、積累被測設(shè)備實(shí)際溫度與在工作艙室不同環(huán)境溫度下獲取熱像數(shù)據(jù)的差異值，研究擬制了溫度補(bǔ)償算法，使經(jīng)過補(bǔ)償處理后的熱像數(shù)據(jù)更加接近關(guān)注故障點(diǎn)實(shí)際溫度值。

1.3 熱像圖拍攝相對位置影響誤差分析

在進(jìn)行紅外檢測時(shí)，被測物體輻射的紅外能量會被環(huán)境因素吸收，從而產(chǎn)生衰減。物體紅外輻射傳播距離越遠(yuǎn)，能量衰減值則越大，當(dāng)被測物體總輻射能量一定時(shí)，紅外探測設(shè)備接收的物體輻射能量與探測距離成反比，即探測設(shè)備與被測物體距離越遠(yuǎn)，獲取的被測設(shè)備溫度值越低。此外，被測物體與熱像儀鏡頭相對位置的變化也會對獲取熱像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響。

圖1所示為熱像儀與被測設(shè)備（某船用柴油機(jī)軸承端蓋）垂直距離保持2m、水平高度固定不變，拍攝者分別向左、右兩個(gè)方向移動(dòng)3m，其中每隔75cm獲取6組被測設(shè)備熱像數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)備在每一測量點(diǎn)的最高溫度、最低溫度及平均溫度。

分析圖1數(shù)據(jù)，以熱像儀與被測設(shè)備垂直距離2m時(shí)拍攝溫度為參考，當(dāng)熱像儀垂直距離保持不變、分別在左、右兩個(gè)方向3m移動(dòng)距離內(nèi)所測得熱像溫度均接近參考值，對測量誤差產(chǎn)生的影響可以忽略，計(jì)算此時(shí)的水平偏移角：

式中：為熱像儀向左、右兩個(gè)方向偏移的距離；為熱像儀與被測設(shè)備的垂直距離。計(jì)算最大偏移角：

表1 不同發(fā)射率參數(shù)對測量值影響對照表

表2 環(huán)境溫度對測試值的影響

圖1 不同拍攝角度下船用柴油機(jī)軸承端蓋溫度數(shù)據(jù)對比

通過拍攝相對位置測試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱像儀與被測設(shè)備垂直距離固定，拍攝相對角度小于56°的情況下，獲取的熱像數(shù)據(jù)誤差可以忽略?？紤]到由于拍攝相對角度的變化，被測物體各部位在熱像圖中的分布中會產(chǎn)生一定程度的漂移，因此本文對被測設(shè)備熱像圖的拍攝位置選擇在垂直距離保持2m，偏移角度小于50°的一個(gè)重復(fù)位置進(jìn)行，從而保證獲取最佳熱像數(shù)據(jù)[4-5]。

1.4 熱像儀量程及水平跨度影響誤差分析

圖2所示是熱像儀設(shè)置不同量程及水平跨度，獲取的兩幅熱像圖。

圖2 熱像儀量程校準(zhǔn)范圍不同時(shí)的比較

分析左圖發(fā)現(xiàn)熱像圖右上角熱像區(qū)域出現(xiàn)灰度模糊，該區(qū)域熱像信息無法正常表征。分析誤差原因可以發(fā)現(xiàn)，在左圖拍攝時(shí)，熱像儀量程設(shè)置范圍為－20.0℃～110.0℃，被測物體最高溫度大于量程設(shè)置范圍，無法對大于量程設(shè)置范圍的溫度進(jìn)行熱像元素表征；同時(shí)由于對被測設(shè)備的溫度范圍估計(jì)不夠準(zhǔn)確，熱像儀水平跨度設(shè)置范圍較大，熱像圖不同溫度色階表現(xiàn)能力較差，造成熱像圖測溫出現(xiàn)誤差。

右圖熱像儀量程范圍設(shè)置為－20.0℃～350.0℃，水平跨度設(shè)置為30℃，熱像區(qū)域溫度最高值272.9℃小于熱像儀量程設(shè)置范圍，熱像儀能夠準(zhǔn)確獲取被測設(shè)備整體溫度數(shù)據(jù)，被測設(shè)備局部溫度范圍變化小于30℃，熱像圖根據(jù)各部位溫度變化色階表現(xiàn)明顯，熱像數(shù)據(jù)清晰、準(zhǔn)確，為后期進(jìn)行熱像信息處理、分析工作提供準(zhǔn)確熱像數(shù)據(jù)。

熱像圖拍攝前對被測設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度預(yù)估，合理設(shè)置熱像儀量程范圍，對準(zhǔn)確獲取熱像數(shù)據(jù)，排查熱像數(shù)據(jù)中由于背景噪聲、溫度識別分辨力對測量結(jié)果造成的影響，確保獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性具有重要意義。

2 熱像數(shù)據(jù)獲取及故障診斷方法研究

通過對紅外檢測誤差因素的分析發(fā)現(xiàn)，被測物體發(fā)射率對誤差的影響、熱像圖拍攝相對位置對誤差的影響、熱像儀量程校準(zhǔn)范圍不當(dāng)對誤差的影響可以通過規(guī)范熱像圖拍攝方法來消除；環(huán)境溫度對誤差的影響可以通過溫度補(bǔ)償算法進(jìn)行消除。

2.1 熱像圖標(biāo)準(zhǔn)化采集方法設(shè)計(jì)

為避免各項(xiàng)因素對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性的影響，保證圖像的正確采集，本文設(shè)計(jì)建立熱像圖采集點(diǎn)位置控制圖，通過固定熱像儀及操作人員拍攝元素的方法，標(biāo)準(zhǔn)化熱像圖拍攝工作，從而有效解決由于人員設(shè)備操作及認(rèn)識因素造成的熱像圖數(shù)據(jù)誤差，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、統(tǒng)一。

圖3所示為熱像圖采集點(diǎn)位置控制圖，控制圖標(biāo)注了被測設(shè)備準(zhǔn)確發(fā)射率、拍攝者與被測設(shè)備固定相對位置、設(shè)備溫度量程范圍，規(guī)范熱像圖采集方法，避免各因素對熱像圖數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的影響。

圖3 熱像圖采集點(diǎn)位置控制圖

2.2 熱像數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

船舶機(jī)艙為封閉環(huán)境，機(jī)艙環(huán)境溫度受機(jī)組開機(jī)數(shù)量、工作負(fù)荷、外界環(huán)境溫度、散熱系統(tǒng)效率影響決定。當(dāng)設(shè)備開機(jī)數(shù)量、工作負(fù)荷、外界溫度、散熱效率等影響因素改變時(shí)，機(jī)艙環(huán)境溫度會發(fā)生一定程度的變化。設(shè)計(jì)熱像數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償算法，根據(jù)被測設(shè)備實(shí)際環(huán)境溫度將獲取的熱像數(shù)據(jù)歸一化處理，使熱像數(shù)據(jù)更加趨近于設(shè)備真實(shí)溫度，并增加同一設(shè)備不同時(shí)期熱像圖的比對有效性。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]、[7]提供的理論基礎(chǔ)及測試驗(yàn)證試驗(yàn)，可通過下式獲取被測設(shè)備熱像數(shù)據(jù)的歸一化值：

式中：0為被測設(shè)備真實(shí)溫度值；r為熱像儀獲取的被測設(shè)備測試溫度；u為測試環(huán)境溫度；為被測設(shè)備發(fā)射率；為常數(shù)。對于接收波段為8～12mm的探測器，取＝4。

對同一被測設(shè)備，在不同工作時(shí)段進(jìn)行6組測試試驗(yàn)，記錄設(shè)備的水銀溫度計(jì)示值、環(huán)境溫度值、熱像儀平均溫度值，使用公式(1)計(jì)算該設(shè)備歸一化溫度值，通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)備歸一化溫度值更加接近設(shè)備真實(shí)溫度，溫度補(bǔ)償算法能夠在一定程度消除環(huán)境溫度對測量結(jié)果誤差帶來的影響。測試驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3 設(shè)備故障診斷方法研究

基于熱像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對被測設(shè)備故障定位和故障嚴(yán)重程度判斷，是紅外故障診斷技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的方向。本文實(shí)現(xiàn)的故障診斷方法是基于熱像數(shù)據(jù)區(qū)域分割、數(shù)據(jù)計(jì)算，與標(biāo)準(zhǔn)熱像數(shù)據(jù)進(jìn)行比對來實(shí)現(xiàn)的。

標(biāo)準(zhǔn)熱像數(shù)據(jù)的采集嚴(yán)格按照規(guī)范化的采集方法進(jìn)行，對熱像數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，以設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)溫度最高的熱像圖作為基準(zhǔn)，在關(guān)注的部件上調(diào)整水平跨度，使其呈現(xiàn)出顏色梯度分布，作為設(shè)備隱患預(yù)警的計(jì)算機(jī)參照比較基準(zhǔn)。

熱像數(shù)據(jù)的區(qū)域分割思想是將圖像劃分成若干互不相交的小區(qū)域，小區(qū)域的選擇通常是具有共同特征屬性的區(qū)域，或是重點(diǎn)關(guān)注部件所在的區(qū)域。故障判別方法是先對各特征區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲取該特征區(qū)域熱像數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值等信息，再通過將各特征區(qū)域熱像數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果及其所占權(quán)重判斷設(shè)備故障狀態(tài)。

針對圖像的分割識別目前有較多的研究方法，但現(xiàn)有方法需要基于被測設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過分析設(shè)備特點(diǎn)對圖像進(jìn)行特征部位精確分割，由于本文研究對象為各類船載電氣設(shè)備，種類、結(jié)構(gòu)方式較為多樣，直接使用現(xiàn)有方法需要對每個(gè)被測對象進(jìn)行建模，工程應(yīng)用難度大，適用對象不廣泛。通過研究熱像圖拍攝行為，被測設(shè)備熱傳導(dǎo)規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了以熱像圖中心區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，環(huán)形逐級分割的區(qū)域分割方法，如圖4所示。

圖4 熱像圖區(qū)域分割示意圖（n＝4）

表3 溫度補(bǔ)償算法測試試驗(yàn)

圖5 熱像圖處理及比對分析界面

由于本文研究目標(biāo)是為船載各類電氣設(shè)備提供一套通用的熱像圖區(qū)域分割方法，方法的實(shí)現(xiàn)效果較之通過數(shù)學(xué)建模設(shè)計(jì)的專用圖像識別方法在數(shù)據(jù)處理精度上還有一定差距，這也將是本文后期的研究重點(diǎn)。

3 小結(jié)

紅外檢測技術(shù)作為一種簡便、有效的在線監(jiān)測手段，不但可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備存在的故障隱患，還可以通過與其他試驗(yàn)方法相結(jié)合進(jìn)行故障定位、故障狀態(tài)判斷，為電氣設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、故障檢修提供了良好的技術(shù)手段[8]。本文根據(jù)船載電氣設(shè)備工作實(shí)際，通過克服紅外檢測各影響因素對熱像圖拍攝準(zhǔn)確性的影響，設(shè)計(jì)了一套能夠獲取被測設(shè)備準(zhǔn)確熱像數(shù)據(jù)，通過熱像數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷的工程應(yīng)用方法，通過工程實(shí)踐表明，基于該方法設(shè)計(jì)的船載電氣設(shè)備紅外故障診斷系統(tǒng)在船載電氣設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)、故障預(yù)警、搶修中發(fā)揮了積極的作用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

[1] 張樹軍, 魏汝祥, 范春利. 電氣設(shè)備紅外故障診斷中的影響因素分析[J]. 激光與紅外, 2007, 37(2): 140-146.

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The Research and Application of Infrared Fault Diagnosis for Shipboard Electrical Equipment

YANG Yang，SUN Chao-bin，BAI Yong-bin，HAN Lu

(,214431,)

By analyzing the affecting degree of each factor on thermal image accuracy in infrared detection, the method is proposed to adjust thermal image shooting accuracy by acquisition position control chart and temperature compensation algorithm in thermal image.And, thermal image segmentation method is designed being combined with working characteristics of shipboard electrical equipment, to diagnose equipment failures by the thermal image data sub-regional comparison methods. Verification experiments show that the method is applicable, which can meet most of the shipboard electrical equipment heat map fault diagnosis image analysis needs by adjusting the parameters ratio.

infrared thermal imager，fault diagnosis，shipboard electrical equipment

TN219

A

1001-8891(2014)02-0166-05

2014-05-05；

2014-09-08.

楊洋，（1983-）男，工程師，主要研究方向：無線電計(jì)量、電氣工程與自動(dòng)化技術(shù)。E-mail：yy1167@163.com。