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红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用

基于红外热成像原理的轮机故障诊断技术

编写日期：2013年11月

目录
一、技术概述 3
1.1 红外热成像技术测温的原理 5
1.2 红外热成像技术测温的误差分析 13
1.2.1 物体表面发射率的影响 13
1.2.2 被测物体表面吸收率的误差影响 13
1.2.3 大气透射率误差的影响 14
1.2.4 环境温度误差的影响 14
1.2.5 辐射温度的影响 14
二、系统功能 15
2.1 机械设备的红外检测 15
2.1.1柴油机红外检测 16
2.1.2电机的红外检测 16
2.1.3 分油机的红外检测 18
2.1.4 空压机的红外检测 18
2.1.5 电力系统红外检测 19
三、系统创新 20
3.1缺陷的识别与定量 20
3.1.1 缺陷的位置、类型检测 21
3.1.2 缺陷的大小检测 21
3.2本章小结 22
四、其他说明 23

一、技术概述
图1.1所示，光线是指可见光，是人眼能够感觉到的电磁波，其波长为0.38～0.79μm。比0.38μm长的电磁波，人眼都看不见。波长0.76～1000μm的电磁波统称为红外线，又称红辐射，其中波长为0.76～3μm的电磁波称为近红外，波长为3～6μm的为中红外，波长为6～15μm的为远红外，波长为20～1000μm的电磁波成为极远红外红外波段的前三个部各包含一个大气窗口，分别为2～2.5μm、3～5μm、8～12μm。在大气窗口内，大气对红外线的吸收较少，因此大多数红外系统都选用这些波段。热辐射也具有电磁波的共同特征：都已横波的形式哎空间传播，并且在真空中都具有相同的传播速度
m/s
式中，——波长（）；
——频率（）。

图1.1 电磁波的频谱
照相机成像得到照片，电视摄像机得到电视图像，都是可见光成像，自然界中，一切绝对零度以上的物体都可以辐射出红外线，热像仪是按普朗克定律，以黑体为参考，利用红外成像原理来测量物体的表面温度分布。也就是说，它摄取来自于被测物体各部分射向仪器的红外热辐射通量的分布，由红外探测器直接测量物体各部分发出的红外辐射，综合起来就得到物体发射红外辐射通量的分布图像，这种图像称为热像图像。
目标的热图像与目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标的可见光图像，而是目标表面温度的分布图像，换句话说，红外热成像可是人眼不能直接看到目标的表面温度分布变为人眼可看到的代表目标表面温度分布的图像——红外线热成像。
我们周围的物体，只有他们的温度高达1000℃以上是才能发出可见光，但温度在绝对零度以上的物体都会不停的发出红外线。一个正常的人所发出的热红外线能量大约为100W。从另一个角度来说，热红外线或称热辐射是自然界中最广泛的辐射。
1.1 红外热成像技术测温的原理
红外热成像是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接受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，在光学系统和红外探测器之间，有一个扫描机构，对被测物体的红外热成像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或者标准视频信号通过电视屏或者监视器显示红外热像图。如图1.2所示，被测物体辐射能量高低（温度大小）通过先进的红外探测器在仪器内部感应而形成热分布图像，能量辐射（温度）高的部分图像就亮，反之则稍暗。红外图像即是对温度灵敏的图像，红外图像的亮与暗直接反应物体温度的高低，两者成递增比例关系。凭借成像的明亮并配以两者递增的比例关系公式计算，就能诊断出物体温度的高低，从而判断船舶设备是否有运行故障。

图1.2 扫描式热成像仪的结构示意图
红外线热像仪测温是靠接收被测物体表面发射辐射来确定温度的。实际测量时，热像仪接收到的有效辐射包括目标自身辐射、环境反射辐射和大气辐射三部分。对不透明的物体，被测物体表面的辐射亮度为
(1.1)
式中，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；
为被测物体表面温度；
为环境温度；为表面辐射率；
为表面反射率；
为表面对环境辐射的吸收率。
作为热像仪入瞳的辐射
(1.2)
式中，为热像仪最小空间张角对应目标的可视面积；
d为该目标到测量仪器的距离；通常在一定条件下，为一个常值；
为大气的光谱透射率；
为大气辐射率。
入射在热像仪镜头上某一波长的辐射功率为
(1.3)
式中，为热像仪透镜面积。
通过热像仪光学系统的辐射通量为
(1.4)
式中，为光学系统的透过率。光学系统产生的杂散辐射与热像系统的平均温度有关，它还包括由光阑和系统的机械元件产生辐射散射到探测器的部分。这部分辐射可在设计阶段采用高投射材料和冷光阑使其最小化。
探测器敏感元件接收到的辐射为

热像仪通常工作在2～5μm或者8～13μm两个波段，探测器将工作波段上的入射辐射积分，并把它转化成一个与辐射功率相应的响应电压为
(1.5)
在热像系统中，输出电压信号必须达到一定的电压值，才能保持与显示器件的一致。第一阶预放将在信号中增加一个直流电压，使它达到平均视频信号的水平，这样就可以保证显示单元具有不同的灰度等级。
(1.6)
信号可放大到不同的倍数，这通常对应热像系统的不同量程，与系统的灵敏度和动态测量范围有关，最终的信号电压为
(1.7)
或
(1.8)
式中，为探测器的光谱响应度，对某台确定的热像仪为常值。
令，取
(1.9)
则式(1.8)变为
(1.10)
式中，

由于红外热像仪接收的是目标自身辐射、环境的反射辐射和大气辐射的总和，无法确定各自的份额。通常假定其接收的辐射为某一黑体发射的辐射，因此将红外热像仪指示的温度成为辐射温度或表观温度。
令
(1.11)
式中，也成为红外辐射热像仪的刻度函数，通常是通过标定得到与黑体温度的关系，则式（1.10）变为
(1.12)
当被测表面为黑体，且大气透射率=1，=0时，=，热像仪测量的辐射温度就是物体表面的真实温度。当时，热像仪的辐射温度不等于物体的真实温度。式（1.10）中，若，即认为被测物体为灰体，且时，式（1.13）就是热像仪灰体测温修正计算常用的基本公式。
(1.13)
对近距测量，有
(1.14)
如果已知环境温度和物体表面发射率就能准确测出物体表面的真实温度。如图1.3所示，已知环境温度为300K时，不同辐射率时红外热像仪的刻度函数与目标温度的关系曲线，通常也称为标定曲线。由图可知，只要知道了环境温度和目标辐射率以及热像仪的输出刻度值，就能由该曲线确定目标的真实温度。对物体的表面辐射率的情况，当环境温度小于目标温度时，目标温度大于热像仪指示的辐射温度；而当环境温度高于目标温度时，情况正相反。

图1.3 红外热成像仪输出值与温度的关系
当环境温度不同时，标定曲线就不同，利用该方法就比较复杂，且精度不高。所以要给出一个多项式来近似计算函数，利用（1.14）计算求解出真实温度。
由普朗克辐射定律可知
(1.15)
式中，红外成像仪的基本，分别为第一、第二辐射常数。
对红外探测器，当不考虑随波长变化时,在近环境温度条件下，对式(1.15)在2～5μm和8～13μm积分，可分别得到随温度的变化关系，如图1.4所示。他们近似，满足如下关系：
(1.16)
式中，在，2～5μm ，=9.2554；在，8～13μm， =3.9889。

图1.4 不同波段黑体辐射能随温度的变化关系
当测量范围比较宽时，可采用推荐的标定曲线

其中，A、B、C为取决于热像仪的实际光圈、滤镜、摄像头型号等常数。A、B、C可通过对黑体测得的一系列不同温度下对应仪器的输出值，采用最小二乘法拟合得出。
将式(1.16)带入式(1.12)得
(1.17)
故被测表面的真实温度的计算公式为
(1.18)

图1.5 物体表面真实温度与发射率的关系
由式(1.18)知，即热像仪指示的辐射温度相同，而使用的热像仪工作波段不同，或物体表面发射率等参数不同，修正的物体表面真实温度也将有很大的差别，如图1.5所示，即 时，热像仪的辐射温度才等于物体表面的真实温度，而时，物体表面的真实温度不等于热像仪显示的辐射温度。
当被测表面满足灰体近似时，，且认为大气,则式(1.17)和式(1.18)分别变为
(1.19)
(1.20)
这就是计算灰体表面真实温度的计算公式[2]。近距离测量时，则式(1.20)可变为
(1.21)
当被测物体表面温度很高时，即很小可忽略，则
(1.22)
1.2 红外热成像技术测温的误差分析
1.2.1 物体表面发射率的影响
一个物体的发射率与他的材料形状表面粗糙度氧化程度颜色厚度等有关，并且在不停的温度和波长有不同的值，这些因素是红外热成像一起现场应用的主要测量误差的来源。比如大多数的非金属材料，特别是金属的氧化物，它们的红外发射率很高，而绝大多数的纯金属的发射率很低。物体表面粗糙不平时，它的反射率必定大大降低，而发射率提高，尤其是金属材料，其表面粗糙度对发射率的影响很大。
发射率还与测试方向有关，尤其被测量物体为光洁表面时，方向性更为敏感，为了准确测量物体的真实温度，当被测物体的发射率小于0.9时，测温仪最好垂直于被测物体表面，至少应使测量方向与被测物体表面的法线方向保持在30°之内，任何情况下不要超过45°，否则，应对发射率做进一步的修改。
1.2.2 被测物体表面吸收率的误差影响
当物体为灰体时，即时，被测物体表面吸收率误差的影响与被测物体表面辐射率的影响是一样的。需要指出的是，有很多物体表面吸收率误差不能简单地看做灰体，即就是，尤其是在一些特定的波长，比如物体对太阳辐射的吸收，它吸收的热量也远大于发射的热量，这也可能造成相当大的误差，这时和就必须分开讨论。
1.2.3 大气透射率误差的影响
由于大气吸收和散射使到达热像仪的红外辐射能量衰减，引起透射率的降低。在地表附近的大气中，吸收红外线的气体主要是水蒸气和二氧化碳。大气吸收程度随大气湿度变化，被测物体的距离越远，大气透射率对测温误差的影响就 越大。同时仪器至物体的距离与仪器定标的距离不同，对大气衰减做补偿的任何红外热像仪的精度都会受到影响。辐射能量在大气吸收中的衰减程度可由大气模式补偿，此模式可计算出大气的吸收程度与物体距离、相对湿度及大气温度的对应关系，但目前大多一起没有此补偿作用，以致造成误差。
另外大气中的尘埃及悬浮粒子的散射作用，使红外辐射偏离了原来的传播方向和偏振度，这也是造成透射率的降低的主要原因，从而影响测温的准确性。
1.2.4 环境温度误差的影响
测温误差是各项误差的一个线性组合，但是当环境温度与被测物体本身温度相差较大时，环境温度对测温误差也有较大的而影响。当环境温度比被测物体的温度高时，会带来较大的测温误差，而当环境温度比被测物体的温度低时，会有较高的测温精度。
1.2.5 辐射温度的影响
由于大多数红外热成像仪辐射温度的精确度大约为±2%，根据此精度可计算出辐射温度对真实温度误差的影响。只要被测物体温度在红外测温仪器的测量范围之内，实际辐射温度的高低对真实温度误差的影响不大，且基本保持不变，在计算时加以修正即可。

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二、系统功能
船舶是一个相对独立而封闭的空间，是世界上运输能力最强、体积最大的交通工具，除了在岗停泊以及进坞修船的时间外，其余时间均是远离陆地，没有直接与陆地进行交流的途径。船舶上的设备种类繁多，大致可以分为机舱设备和甲板设备。甲板设备由于对船舶的安全航行不起决定性作用，故其故障不会对于船舶的安全生产有关键的影响。然而机舱的设备主要是为船舶提供航行的动力，为全船提供电力供应，其运行状况的好坏事关船舶的航行安全。
当船舶在航行期间，因为船舶故障造成的安全事故屡见不鲜，这会影响到船舶的安全运行，耽误航行时间，更有可能导致恶劣的事故，这会影响到船舶安全、海洋环境安全以及船员的生命安全。要保证船舶的安全运行就要对船舶的各种故障即使发现，提前诊断和维修，尽可能早地排除会影响船舶安全运行的各种不利因素。利用红外热成像技术对船舶的各设备进行无损故障诊断，可以在不影响设备运行的情况下摄取设备的红外热图像，分析图像上的温度分布可以找出温度异常的部分，进一步准确测量异常部位的温度，诊断故障的原因，确定故障的性质，最后对设备进行维修处理。
2.1 机械设备的红外检测
我使用FLIR的E30的红外热成像仪在大连海事大学教学实习船上“育鲲”轮摄取了有关方面的照片，结合照片，有如下分析。
2.1.1柴油机红外检测

（a） （b）
图2.1“育鲲”发电柴油机的热成像图
船舶柴油机是燃烧柴油的内燃机，将燃油的热能转化成旋转的机械能，通过主轴将扭矩传递给螺旋桨，推进船舶的前进。此外，船舶柴油机还能带动发电机的励磁绕组旋转，将热能转化成机械能最终转化成电能，为全船提供电力供应。如图2.1（a）所示为“育鲲”NO.1柴油发电机的数码照片，图2.1（b）所示为“育鲲”NO.1柴油发电机的红外热成像图像。对比两张图像可以看出1号机的最高温度出现机体的中部位置，最高温度为114℃，这里分布的是燃油的进油管。在此时1号发电柴油机待机工况，根据船舶的电力负荷需求来随时启动，所以其进油管内充满了燃油。由于燃油被加热的温度时110℃以上，这是柴油机正常燃油正常情况下应该保持的温度。假如此处的温度较高，则热应力会增大，影响其性能；假如此处的温度较低，则燃油的粘度增大，导致油管和高压油泵的阻塞，影响柴油机的功率输出。对柴油机温度异常部位进行检测有助于维持柴油机的正常运转，保证船舶的安全航行和生产。
2.1.2电机的红外检测
船舶上使用的电机是三相异步电动机，其工作原理是利用电枢和励磁绕组的相互作用力推动转子的旋转通过轴带动其他机械的运转。电机在船舶上主要是为各种泵的运转提供动力，用来输送燃油、滑油和冷却水等一些液体，维持船舶机械的正常运转。如图2.2所示，（a）为低温淡水泵的电机的热成像图，（b）为电机和泵的联轴节的红外图像。从（a）可以看出，电机的温度是由于导线中的电流的热效应产生的，还有由于绕组的分布是旋转的，还会产生涡流作用，使电机的温度升高。在电机的中部温度比两端高，其最高温度为89.3℃，说明电机的中部位置的散热情况和两端相比较差，所以会导致绕组线圈在这些位置因为温度过高而烧断。电机两端的温度相比较，其上部温度比下部温度较高，这是由于上部设置了一部风扇，加速了气流的流动，降低了上部的温度（b）所示的联轴节为电机轴和泵轴链接处，此时所示的情况是泵在运转情况。从图上可以看出，泵端的温度比电机端的温度高，这是由于泵在运转过程中水流会和泵发生摩擦碰撞，使泵体的温度较高。此处的所受的扭矩比较在泵起动、运行和停止是各不相同，在起动时，电机速度提升，带着泵起动，电机是动力源，其速度和泵的速度有微小的差值，在联轴节处会产生微小的摩擦，使联轴节温度有一定的上升。假如联轴节出现故障或者松动，这里的产生的热量远远大于正常值，在红外热成像图上就可以看出，进而为检修提供依据。用热成像的方法还可以对泵的温度分布进行检测，正常情况下泵是输送液体，其产生的热量会被液体带走，温度保持在正常值。假如泵出现一些机械机械故障，比如轴承润滑不良或者泵轴弯曲，输送的液体的杂质较多，就会导致泵的温度升高，影响泵的吸入和排除，降低了泵的机械效率、水利效率和容积效率。

（a） （b）
图2.2 低温淡水泵的电机和联轴节
2.1.3 分油机的红外检测
船舶分油机是利用高速旋转离心力用来分离燃油或者滑油中的水和杂质，保证机器用油的干净。分油机在工作时是在油的外围用水形成水封，对油形成束缚，保持油在机器中的形状。假如温度太高，水封水容易汽化，造成出水口跑油；假如温度太低，油的粘度太大，影响分离效果，所以把分油机的工作温度保持在一个合适的温度范围内对于分油机的工作会有很大的影响。如图4.3所示为分油机在正常工作时的红外图像。从图可以看出，最高温度为112℃，这是燃油在被加热器加热过的温度。

图2.3 工作时的分油机
2.1.4 空压机的红外检测
空压机是船舶上对空气进行压缩的机器，增加空气的密度，供给各压力瓶或者主机起动时使用。由于压缩机的内部环境是高压，所以它对于工作部件的气密性的要求比较高。如图2.4所示，（a）是“育鲲”上的空压机的数码图像，（b）是空压机的红外热图像。这台为两级活塞式压缩机，从热像图可以看出，低压级的温度较高为101℃，高压级的温度相对较低，这是由于在低压级中空气的压缩比较大，释放的热量较多，温度比较高，空气从低压级排除后要经过中间冷却器到达高压级，又由于高压级的压缩比比低压级小，所以其温升不大，温度较低压级低。假如高压级的温度过高或者低压级的温度过低，这时便要考虑是否气阀存在故障，导致两级的压缩空气的温度异常，影响到压缩机的工作性能。

（a） （b）
图2.4 工作中的空压机
2.1.5 电力系统红外检测
船舶用电经过发电柴油机发出后送至集控室的总配电板，然后再送至分配电板或者用电设备，用来维持船舶正常的航行。在送至用电设备的过程中，要经过电缆的传导以及各种保护装置，比如保险丝和空气开关，此外还有一部分的生活用电要经过变压器。由于电力系统的复杂性，假如出现故障将会很难排查，还会为火灾的发生留下隐患，影响到船舶的安全航行和船员的生活。用红外热成像仪对船舶电力系统的发电机、断路器、变压器、导线等进行检查，可以发现存在的不易察觉的问题，尽可能早地排除电力隐患。船舶设备用电为三相电，三条线路之间的功率分配是相同的，对其进行检测，如果发现三相之间有温差，则要对温度异常的那条线路进行排查，找出异常点，如图2.5为电力系统的导线的热图像，其温度的差异是由于进过导线的电流的大小不同。发电机是船舶上的重要设备，用红外热像仪对发电机的定子铁芯、绝缘缺陷、定子线棒接头、电刷和集电环接触不良等部件进行检测，及时发现过热部件，做到预知维修，消除故障隐患，确保安全生产。
红外热成像技术还可以用在船舶的空调系统、锅炉系统以及其他系统设备的检测，其原理和以上设备相同。

图2.5 导线的红外图像
三、系统创新
故障诊断就是在机械设备不解体的情况故障诊断就是在机械设备不解体的情况下，对设备完成规定工作的能力和影响因素进行判断和预测。故障诊断技术有很多种，如振动诊断技术、声发射诊断技术、逻辑诊断技术、故障树分析技术以及近几年新兴的红外故障诊断技术等。红外检测技术受到国内外学者的普遍关注，是分析设备状态、查明故障原因、判断故障部位和预测维修的一种非常有效的技术手段。与其他的无损检测相比，红外检测效率更高，尤其是对于一些新材料(如复合材料)。
3.1缺陷的识别与定量
缺陷的检测主要有：类型检测(当缺陷的导热率小于平板本身的导热率时，可以将缺陷看作是在热流中放置的一个阻碍热流传递的热阻，此类缺陷可以称为热阻型缺陷，与热阻型缺陷相对的是热容型缺陷)；位置检测；大小检测 (包括缺陷的深度、面积等参数检测)。有源检测中的源可分为瞬态源和非瞬态源。瞬态源即非周期性激励源。在瞬态源激励的作用下，试件承受的加热温度较高。非瞬态源采用按正弦曲线规律调制的卤素灯对试件进行周期性加热，所以这种技术又叫做锁相技术。由于激励源采用的频率很低，可避免损伤试件，因而非瞬态源检测被广泛应用于受热易损伤的试件检测。锁相技术由于采用很低的频率所以测试时间很长。对于不同厚度的待测试件，为了能对待测测试件中的所有缺陷进行全面的检测，激励源必须选择一个恰当的频率。
3.1.1 缺陷的位置、类型检测
利用温度变化梯度曲线进行缺陷检测，采用函数变换、双精度浮点数转换、滤波、微分对获得的热图像数值矩阵进行一系列处理。根据温度变化梯度曲线的突变情况判断缺陷位置；也可以利用比较图像法，对由红外热像仪得到的待测试件温度场或温度变化曲线与无缺陷试件的温度场或温度变化曲线进行比较。根据比较结果判断缺陷存在的位置，这种方法又称为差动检测法。
3.1.2 缺陷的大小检测
缺陷大小的检测理论都是利用圆柱体或长方体等规则几何形状对缺陷进行模拟后提出然后通过验证得出的。
3.1.2.1纵横比趋于1的缺陷检测
(1)面积检测
对圆柱体缺陷的面积检测等同于对模拟缺陷孔径的检测。孔径的大小可由得到的红外热图像通过实测得到。随着孔径尺寸的增大，测量误差会减小。通过数值模拟温度场的方法测量长方体缺陷的长和宽，获得了更好的精度，可准确测量1 mm的长度。上述两种方法中孔径尺寸的测量都是在坐标图像上通过实测得到的，因此有较大的测量误差。根据温度对时间的导数确定了缺陷的直径， 目前该方法只用于表面缺陷的检测。
(2)深度检测
目前，人们主要根据能量随时间变化的关系来建立缺陷的深度与温度之间关系的理论模型的。对试件加热后，基于缺陷处热辐射强度会发生变化理论，利用红外热像仪得到各孔缺陷处热辐射强度随时间变化的曲线。热辐射强度与孔的深度成反比，而与面积成正比。以某一缺陷为基准，根据其他缺陷的相对热辐射强度峰值的出现时间建立起峰值时间与缺陷深度间的关系。由于热辐射强度主要反映为温度效应，因此也可采用比较温度法即温差峰值时间测量法测量缺陷深度。温差峰值时间测量法通过将缺陷处温度场随时间变化的关系式与无缺陷区域温度场随时间变化的关系式相减，求出最大值对应的时间，该特征时间恰是缺陷深度的函数。
3.1.2.2大纵横比缺陷的大小检测
上述缺陷的检测理论都建立在模拟缺陷的纵横比趋于1的情况下，激励源常采用闪光灯。而经研究发现，对于给定的深度，探测大而窄的缺陷要难于探测小而宽的缺陷。经实验验证，当产生涡电流的感应器与待测裂缝垂直时，涡电流激励法的检测结果更加精确 。在此理论基础上，根据加热后缺陷处的能量随时间变化的曲线定量分析了碳纤维材料表面模拟裂纹缺陷的深度和宽度对于铁磁和非铁磁材料，非铁磁材料中电流产生的热变化对裂缝几何形状更加敏感 。
3.2本章小结
在现有理论条件下，通过缺陷模拟建立起缺陷与温度之间的理论模型。缺陷的纵横比对缺陷检测有极大的影响，当纵横比趋于1时，检测能力会得到提高。故人们大多采用圆柱形进行缺陷模拟。但该影响因素的研究一直处于空白。实际工程中，需检测缺陷的形状通常是不规则的，在这种通过规则柱形模拟缺陷建立的热图像中，缺陷处亮度的高低与缺陷大小关系的理论模型是否成立仍值得商榷。根据表面温度测量结果准确识别缺陷尺寸的理论模型尚需进一步研究。

四、其他说明
本技术的主要内容包括以下方面。首先对于红外热成像技术研究的背景以及红外热成像技术的发展历史进行介绍。红外热成像技术最初应用于军事领域，近年来，随着民用红外热成像技术的快速发展，红外热成像技术作为一种迅速灵敏的无损检测技术在近年来越来越多的应用于工程领域。其次，是对红外热成像技术的原理进行了理论推导。红外热成像技术是利用电磁波的红外线部分进行工作的，红外线有电磁波的性质，从基本的公式出发，结合可能会影响的热成像的因素进行了公式的推导，最终得出了热成像测温的数学理论表达式。分析实际因素分析了可能存在的误差，方便在测温的时候注意和调整。再次，在现有理论条件下，通过缺陷模拟建立起缺陷与温度之间的理论模型。最后，结合“育鲲”上的设备的红外热图像，对于设备可能存在的故障的原因进行假设性的探究。
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