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1、分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文基于红外测温技术的电力变压器过热故障在线监测系统的设计与开发（题名和副题名）尹海晶 （作者姓名）指导教师姓名 徐 志 良 教 授 申请学位级别 硕士 专业名称 检测技术与自动化装置 论文提交日期 2010.06 论文答辩日期 2010.06 学位授予单位和日期 南 京 理 工 大 学 答辩委员会主席 评阅人 2010年 月 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号。声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的
2、材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日 65 / 73摘 要变电站电力变压器是电力系统的核心设备，所以它在现代电气设备的运行和维护中占有重要地位，对于其存在的故障隐患，通常采用人工定期巡检的方法，但这种方法费时费力，如今在电力行业大规模使用的是变压器在线监测技术，这种技术能够节
3、省大量人力物力，而且使得变压器的维护质量得到质的飞跃。红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，是实现我国电力系统从计划检修向预知状态检修改革的重要手段，本课题的最终目的就是利用红外热像仪对某市供电局的110KV的变压器实施24小时不间断在线监测，利用热像仪采集的数据实施智能化超温报警，并将数据上传至远程服务器，实现对该变电站的远程监控。本课题首先分析影响热像仪测温准确性的因素，然后对某市供电局的变压器运行环境进行了考察，选择了适合本课题的热像仪，利用与购买的热像仪配套的软件开发包开发适合本系统的后台处理软件。该系统软件的主要研究工作如下：1) 根据电力变压器的运行状况，设置合适的在线监
4、测方式，并根据热像仪的安装位置和监测距离，设计程序监测流程；2) 根据热像仪采集的热像的特征，设计图像预处理方案，使最终显示的热像具有最佳的视觉效果；3) 选择合适的数据库，设计数据存储结构，方便系统存储和查询数据； 4) 根据最新的电力系统红外诊断依据，设计相应的红外诊断算法，从而可以通过采集的温度数据准确的了解设备的运行状况；5) 根据供电局现有的网络结构，选择合适的传输协议，设计合适的传输流程，保证数据能实时可靠的上传，使监控中心的工作人员能够及时了解设备的运行状况。关键词：电力变压器，红外热像仪，在线监测IIAbstractPower transformer in a converti
5、ng station is a key equipment of the electrical power system, as we know power transformer may has some potential fault, the traditional method is using some wokers to check the equipment constantly, but this method is too time-consuming and laborious. Nowadays in the electric utility industry the m
6、ethod used on a large scale is on-line monitoring technology. This new method not only saves a lot of manpower and resources, but also enables the maintainance of the power transformer to get better results. The ultimate goal of this project is to use thermal infrared imager to implement a 24-hour u
7、ninterrupted on-line monitoring on a 110 kv transformer.The system uses the data collected by thermal infrared imager to realize intelligent temperature alarm, and upload the data to a remote server. This topic firstly analyzes the factors that influence the temperature measurement accuracy of therm
8、al infrared imager, then do some reserch on the operating environment of the power transformer to choose the thermal infrared imager that fit for our system, finally use the SDK which is consistent with the thermal infrared imager to develop the backstage monitoring software system. The main researc
9、h work for the software of this system are as follows：1) According to the operational status of power transformer, choose the best on-line monitoring mode, and design the capturing process on the basis of the install position of the thermal infrared imager and the monitoring distance of the device.2
10、) According to the characteristics of the infrared image, choose the right image processing algorithm for the image preprocessing so that the infrared image can get the best visual effect.3) Select the appropriate database based on this system, design the proper data storage structure to facilitate
11、the system to store and query data from the database.4) Design the right algorithm for infrared diagnosis on the basis of the latest diagnostic norms of infrared diagnosis so that the system can use the temperature data capturing by the thermal infrared imager to aquire the running state of the powe
12、r transformer.5) According to the existing network structure of the power supply bureau, select the right transport protocols and transport process to ensure that real-time data can be uploaded to the monitoring center quickly so that the electrician can get the running state of the device.Key word:
13、 power transformer, thermal infrared imager, on-line monitoring目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 电力系统红外诊断技术的国内外研究与应用现状11.2.1 国外研究与应用现状21.2.2 国内研究与应用现状21.3 变压器传统在线监测方法简介21.4 变压器红外在线监测的目的和意义31.5 课题研究的主要内容42 红外热像仪的选择和使用72.1 红外热像仪的工作原理72.1.1 红外辐射原理72.1.2 红外点测温原理82.1.3 红外热像仪的系统组成92.2 红外热像仪技术性能指标102.3 影响红外
14、热像仪测温的因素及相关对策122.4 热像仪选择基本原则132.5 系统热像仪的选择132.6 本章小结143 在线监测系统总体方案设计153.1 在线监测系统整体结构设计153.2 在线监测系统的硬件实现163.2.1 电源模块163.2.2 防护罩简介173.2.3 热像仪简介173.2.4 工业控制计算机简介193.2.5 TLC485串口转接模块203.2.6 云台简介213.3 在线监测系统的软件设计213.4 本章小结234 变压器过热故障在线监测系统软件设计244.1 系统软件主界面介绍244.2 系统工作流程介绍264.3 参数设置模块284.4 监测点设置模块294.5 在线
15、监测方式设置模块314.5.1 定时器简介324.5.2 定时监测324.5.3整点监测334.6 云台控制模块344.6.1 串口控制软件实现344.6.2 Pelco-D协议及其软件实现354.6.3 云台控制软件实现364.7 采集模块374.7.1 DLL调用方式的选择374.7.2 热像仪数据采集函数384.7.3 采集流程394.8 图像预处理模块414.8.1 热图的锐化414.8.2 热图的伪彩色增强434.9 查询模块444.9.1 数据库的选择454.9.2 数据库的访问454.9.3 温度报警数据查询474.10 远程数据通信模块484.10.1 Windows多线程技术
16、494.10.2 Windows网络编程技术504.11 系统报警模块534.11.1 红外诊断依据534.11.2 红外报警软件实现554.11.3 故障热像报表实现564.12 软件调试与运行574.12.1 Visual C+6.0调试方法简介584.12.2 实验室下的测试584.12.3 现场安装运行594.13本章小结595 总结与展望605.1 研究内容总结605.2 工作展望61致 谢62参考文献631 绪论1.1 引言随着国民经济持续快速稳定的发展，电力系统的规模也随之越来越大，人民对电力系统的依赖性也越来越强，国家对电力系统的安全性、稳定性的要求也越来越高。但是，许多国家在
17、夏季仍然发生大面积停电事故，特别是2003年8月14日美国和加拿大的大停电事故，期间上百台机组跳机，事故波及约5000万人，造成的重大的经济损失，是美国历史上最严重的停电事故1。通过对这些事故进行调查分析，导致事故发生原因是多方面的，由此，各国都进一步认识到如何提高大规模电力系统的安全性是一个重大而迫切的问题。如何利用高科技手段进行系统化、标准化的管理，消除危险点，是摆在电力系统科研单位面前的新问题2。随着电网规模的扩大以及自动化水平的提高，设备检修维护的任务也越来越重，费用也越来越高。采用定期检修方式使很多设备存在过修或失修的问题，不仅造成巨大的资源浪费，而且埋下了安全隐患。20世纪80年代
18、以来，随着电子技术的发展和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术等各领域间的相互渗透，电力系统监控技术中也广泛使用这些先进的科研成果，电气设备在线监测技术也从此走向实用化阶段。与预防性试验相比，在线监测系统采用更高灵敏度的传感器采集运行设备的劣化信息3，信息的处理和识别依靠有丰富软件支持的计算机网络，引进一些新的能更真实反应设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备由定期试验向状态检修过渡4。强化对电网设备的运行管理和可靠性维修是电力安全生产的重要环节，电力企业对先进的在线监测设备投入比例逐年增加，而这其中红外诊断技术的运用是最值得关注的。从经济学的角度看，这
19、种监测技术具有较高的“投入产出比”，具有广阔的应用前景；从技术角度看，红外诊断技术也是电气设备在线监测的一项行之有效的技术手段，利用红外技术对电气设备进行检测和诊断具有不停电、不取样、不接触，直观、准确、灵敏度高及应用范围广等优点5 ，可以查出各种设备缺陷，对提高设备运行的可靠率有着重要作用。1.2 电力系统红外诊断技术的国内外研究与应用现状温度是确定物质状态最重要的参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用67，而红外测温技术又是所有温度检测方法当中颇为先进的一种方法，红外热像仪就是利用这种技术的典型产品，而这种先进的设备最初是使用在军事上8，在电力系统当
20、中的运用始于上世纪六七十年代，但现在其对电力系统的诊断效果已经得到了国内外的广泛认可。1.2.1 国外研究与应用现状国外从60年代中期开始将红外技术应用于电力设备监测，瑞典国家电力局成功的运用红外热像仪对电力设备进行故障诊断，70年代将红外热像仪装在直升机上对输变电设备故障做生产性巡回检测，并制订出相应的技术规范和故障判定标准。1990年的国际大电网会议(CIGIE)充分肯定了电力设备故障红外诊断技术，指出该技术在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先进的预知性状态维修体制改革中将发挥巨大的作用。目前，国外比较知名的大电力公司都已将红外诊断技术广泛运用于电力系统运行状况的检修，并取得了较好的效
21、果9。1.2.2 国内研究与应用现状我国从70年代初开始研究开发电力设备红外监测技术，并逐步开始利用国内自行研制的红外测温仪检测运行中的输变电设备裸露过热接头。国内一些电力专业研究所从80年代中期开始先后使用光机扫描热像仪，积极开展变电设备故障检测试验和220KV及110KV输电线路的直升机巡线红外检测试验，并取得了良好结果。从2000年以后随着红外成像技术的成熟和红外热像仪价格的降低，国家鼓励电力企业应用红外热像仪对电力系统进行检测，因为这样不仅可以对高压电气设备内外部故障类型做出定性诊断，而且还能给出故障位置和严重程度的定量诊断。除此之外，对影响电力设备红外成像故障诊断准确性的诸因素及对策
22、也做了深入研究，制订了一系列的红外诊断操作规范。总的来说，可以将我国电力设备红外诊断发展的状况分为4个阶段2：1) 1986年以前的十年为调查研究、基础研究和可行性试验研究，红外诊断技术逐渐引入我国；2) 1987到1991年，主要运用红外设备测量电气设备外裸露接头的过热故障，着重对高压输电线路用直升机进行航测试验研究；3) 1992到1995年，全国各供电局进行红外测温生产性试验，在实验中发现了高压设备的大量过热缺陷，试验结果表明，红外检测在电力系统故障检测中具有广阔的应用前景；4) 1996年至今，主要处于红外诊断作业技术的推广和建立相应的红外诊断标准阶段，完善我国的电力系统红外诊断体系。
23、1.3 变压器传统在线监测方法简介在电力系统中，电力变压器的地位是举足轻重的，一旦发生故障，极有可能导致电网崩溃，造成巨大的经济损失，也就是说，只要能够成功的发现电力系统中处于运行核心地位的电力变压器存在的故障并及时检修，就可以很大程度上提高电力系统运行的稳定性。变压器的绝缘检测一直是定期的绝缘预防性试验，预防性维修在保证安全可靠性供电方面起着很好的作用。但是，预防性维修需要停电检修，影响了供电的可靠性；定期检修中更换的设备有些是没有必要更换的，降低了经济性；试验条件有可能不同于变压器的实际运行条件，试验结果不能及时、准确再现绝缘缺陷和潜在故障。针对这一情况，电力企业利用相关技术对电力变压器进
24、行24小时连续在线监测，持续获得各种类型的特征量数据，准确的反映变压器的实时运行状态10。有关专家通过对十几年来变压器发生故障的资料进行分析，得出的结论是：尽管不同的变压器老化趋势和使用方式并不相同，但发生故障的诱因还是基本相似的。多种因素都可能影响到绝缘材料的预期寿命，对这些因素加以归纳，得出导致变压器故障的原因有雷击、线路涌流、工艺制造不良、绝缘老化、过载和受潮等几个方面 11，需要注意的是线路涌流在所有因素中列首位，这类故障主要是由过电流或过电压冲击引起的。常用的变压器在线监测方法：1)局部放电的监测：变压器由于老化等原因会产生局部放电，在局部放电时会伴有声光电等现象及对放电空间介质的化
25、学作用，对应这些物理化学反应可以找到相应的测量方法，可采用超高频电脉冲法测量变压器油中的局部放电，超高频法是通过检测变压器局部放电产生的数百甚至数千兆赫兹的超高频电磁波信号来测量局部放电的大小和位置121314；2)局部过热的监测：当变压器内部发生局部过热时除过热点温度升高外，同时发热会使变压器油分解生成氢气和烃类气体，在发热比较严重的情况下氢气含量会很高，因此在局部放电较弱时如果含量较高可以判定为变压器油中有过热故障，系统可以利用对变压器油中含量进行监测并结合局部放电监测来间接监测变压器的运行情况15；3)介质损耗的测量：绝缘介质老化往往反映在绝缘介质在交变电场的作用下其极化过程发生了改变，
26、非弹性极化增强使极化过程中的有功损耗增加，使绝缘介质的介质损耗率增大，因此可采用测量电力变压器绝缘套管电压与套管末屏接地电流间相位差的方法对绝缘套管介质损耗判断，根据绝缘套管介质损耗的情况判断变压器的运行情况16。1.4 变压器红外在线监测的目的和意义自从无损检测技术引入到电力行业中来以后，电力设备的维护质量得到了质的飞跃，这其中尤以红外诊断技术发展最快。红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外辐射，然后将其热像显示出来，用户可通过热像准确判断物体表面的温度分布情况
27、，这种检测方法具有准确、实时、快速等优点2。红外诊断可以做到对故障点的准确直观检测，也可以做到预知检修，从而降低了维修成本，提高了设备的可靠性。用红外检测技术对电力诊断具有如下优点：诊断效率高、判断准确、图像直观、安全可靠、非接触探测、不受电磁干扰、探测距离远、探测速度快以及可以进行在线检测等。特别是对悬空的或者运动的带电设备，红外诊断技术更具有突出的优点。红外诊断技术是检测设备温度异常的理想技术，它将成为对电力系统进行可靠性分析、故障预测和改革维修制度的理想工具17。目前比较常用的是采用手持式热像仪定期对电力设备进行人工巡检，这种方式使得检测人员工作量大，再加上节前保电、迎峰度假等非计划测温
28、工作，造成检测人员容易疲劳，增加了工作的不安全性，同时也降低了设备故障的检出率；另外由于近年来电力系统发展较快，电力设备较多，而且有些变电站路途遥远，从而导致测温往往不在负荷高峰期进行，以致部分热缺陷不能及时地被发现，同样也降低了设备故障的检出率。变压器红外在线监测系统通过软件控制热像仪，实现每天定时自动巡检，易于及时发现存在过热性缺陷的设备。另外通过自动采集，能形成输变电设备整个运行寿命期内的红外图库，可以为输变电设备全寿命周期的研究工作提供技术资料，还可以通过软件实现对输变电设备的远程监控，快速生成红外分析专业报告，为专业人员远程实时分析设备缺陷提供依据18。变压器红外在线监测兼具了红外诊
29、断技术和远程监控的优点，具有非常广阔的应用前景。1.5 课题研究的主要内容本课题是某市供电局的一科技项目，对该局城西变电站的一110KV的主变压器进行在线监测，监测现场如图1.1所示。根据对以往该变电站变压器故障原因的总结，在变压器存在潜在故障时，首先出现明显温升的是图1.1中标注的高压侧和中压侧的三相接头，本课题的主要目的是通过这六个接头的温度和一些辅助区域温度来判断变压器的运行情况，发现潜在隐患，从而提前做出预警，及时检修。在这些隐患引发更大规模的停电事故之前将其排除，保证系统的稳定运行，将其可能造成的损失降至最低；另一方面本课题所设计的系统实现了远程监测，也就是说该变电站使用本系统以后，
30、无需专人定期巡检，节省了人力物力，由此可见，这是一种一举多得的监测方法，有很强的应用价值。根据电力变压器运行中发生故障的特有特点和运行现场的监测条件，本课题选择合适的热像仪，搭建了系统的软硬件平台，设计实现了电力变压器过热故障在线监测系统。目前该系统已在该市城西变电站稳定工作，且运行效果良好，达到了设计要求，实现了用户预期的目标。低C低B低A高C高B高A图1.1 变电站的110KV的主变压器本论文研究的主要内容如下：1) 深入研究了红外测温原理，并在此基础上分析热像仪的硬件组成及其工作原理。然后根据热像仪最终监测现场的环境条件，分析有可能导致热像仪测温误差的因素，选购合适的热像仪和相应的配套设
31、备。2) 制定了电力变压器过热故障红外在线监测系统的整体设计方案，硬件主要由热像仪、云台和工控机组成，软件需要实现的功能包括监测区域设置、定时或整点自动巡检、温度数据显示、温度数据的远程监测等功能。3) 阅读国内电力设备红外诊断标准，了解常用的红外诊断方法，最终确定使用绝对温度和相对温度两种判别方法来实时反馈设备的运行状态。4) 根据本系统采集的红外热像性噪比高，但对比度低、图像细节比较模糊的特点，拟先对热像进行锐化，增强图像的细节，然后对采集的黑白图像进行伪彩色增强，使最终在主界面上显示的热像具有较好的视觉效果。5) 根据供电局现有网络的结构特点，选择合适的网络通信协议，设计远程通信模块，保
32、证现场采集的数据能准确的上传至远程监测模块。6) 基于Windows平台利用Visual C+6.0开发了系统后端处理软件，确定软件界面的风格和功能模块的分布，软件编码过程充分利用面向对象的编程思想，在完成各种用户所需的功能的同时，注意代码编写的风格，使得程序在获得较高的运行效率的同时又方便其日后的维护。论文共分5章，除本章外各章的具体内容如下：第二章主要介绍了红外测温原理和红外热像仪的工作原理，并分析了在购买和使用热像仪的过程中需要注意的一些问题。第三章详细介绍了本课题所设计的在线监测系统的整体实现方案，并简要介绍了系统的硬件和软件的整体功能划分。第四章详细介绍了系统软件操作流程以及软件各个
33、模块的使用方法和实现方式，并介绍了部分硬件控制协议的软件实现。第五章对全文进行总结，指出了系统有待改善的部分。2 红外热像仪的选择和使用本课题最终要实现的是变压器过热故障在线监测，顾名思义，即对变压器上各监测点的温度进行测量。红外热像仪是利用红外测温技术实现的一种先进的测温仪器，是本系统最终实现的核心部件，但其价格昂贵，并且使用寿命有限，所以如何使购买的红外热像仪具有较高的性价比也是本课题需要注意的，也是决定本课题所设计的监测系统后续能否进行推广的重要因素。由于红外测温是一种非接触式测温，很多因素都能影响其最终的测温结果，如环境温度、大气温度、太阳辐射等，对这些因素加以分析可以帮助用户更好地使
34、用热像仪，降低这些因素对红外测温带来的影响。因此，了解红外热像仪的工作原理、技术指标、工作条件、如何操作和维修等是用户正确选择和使用热像仪的基础，本章的主要内容就是对上述问题加以研究。2.1 红外热像仪的工作原理2.1.1 红外辐射原理在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于其内部热运动的存在，物体会以电磁波的形式向外辐射能量。其辐射能包括各种波长，其中波长范围在之间的称为红外线。红外测温技术的理论基础是普朗克黑体辐射定律。自然界中并不存在黑体，黑体是为了研究红外辐射的规律而提出的一种理想化的模型，它吸收所有的红外辐射，没有能量的反射和透射，其表面的发射率为1，而黑体辐射定律揭示了黑体辐射
35、能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学表达式为式(2.1)： (2.1)式(2.1)中：为黑体光谱辐射通量密度；，为辐射常数；为光谱辐射的波长；为黑体的绝对温度。式(2.1)表明在绝对温度下，波长处单位面积上的黑体辐射功率，由此式可得到图2.1所示的黑体辐射分析图。从图2.1中曲线可以看出：1) 温度越高，物体的辐射能力越强。这是红外测温理论的基础，也是单波段红外热像仪的测温依据。2) 随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动。这就是为什么高温红外热像仪多工作在短波处，低温红外热像仪多工作在长波处的原因。图2.1 不同温度下的黑体光谱辐射度3) 辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处
36、工作的热像仪相对信噪比高(灵敏度高)，抗干扰性强，热像仪应尽量选择其工作波长在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要19。斯蒂芬玻尔兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率随其温度的变化规律。因此，该定律由普朗克辐射定律对波长积分得到20： (2.2)式(2.2)中称为斯蒂芬玻耳兹曼常数。斯蒂芬玻耳兹曼定律表明：黑体单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。只要当物体温度有较小变化时，就将会引起其辐射功率很大变化。物体温度越高，辐射的红外线能量越强。在对电力设备进行测温时，红外热像越亮的地方，就是红外辐射越强的地方，也是温度最高的地方
37、。2.1.2 红外点测温原理物体的红外辐射能量和波长取决于普朗克公式。红外热像仪测温时采用逐点分析的方式，把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上。换句话说，物体某一单位面积，对应于最终采集的热像的一个像素点。由于物体的发射率是已知，所以可以通过相关处理将辐射功率转化为温度。本节将从理论上推导如何将辐射功率转化为温度。在理想情况下，目标物体的任意成像点对应于热像仪探测器所输出的图像信号幅度，与下述因素有关，可表示为式(2.3)： (2.3)由2.1节分析可知，为物体光谱辐射的通量密度；为热像仪工作波长范围；为热像仪的瞬时视场角；为玻尔兹曼常数；为被测物体的温度；为被测物体的发射率；为大气透
38、过率；为热像仪的总光谱响应。在式(2.3)中、为常数，近距离测量时，近似为1。而在一定范围内，对于常见材料，即发射率为一个常数，记为，因此可将表示为式(2.4)： (2.4)在一定的波长范围内，只与黑体的温度有关，是个常数，只与系统增益有关。红外热成像时，热像每一个像素的灰度值实际上就是经过放大、量化后得到的电压，记为，在一般使用的线性量化的情况下，它与之间是正比例关系，因此可表示为式(2.5)： (2.5)式(2.5)中，是个常数，只与热像仪的放大倍数有关，可见图像每一个像素点的灰度值对应着一个电压值，而这个电压值与物体温度之间有确定的函数关系，根据和，可以确定物体的温度。对于黑体，恒为1，
39、如果其温度也为，通过同一个热像仪成像得到的图像同一像素点灰度值对应的电压值为式(2.6)： (2.6)由式(2.5)和式(2.6)可得式(2.7)： (2.7)根据红外热像仪测得的实际物体的加上物体的发射率，通过式(2.7)可以得到相同温度下的黑体成像灰度值。通过实验的方法可以确定与的对应关系，得到黑体电压温度曲线，从而可得值即被测物对应区域的温度值21。2.1.3 红外热像仪的系统组成922232.1.2节介绍了单个红外探测器是如何将被测物体上单位区域映射到最终热像上的一个包含温度信息的像素点的。现在大规模使用的焦平面热像仪的红外探测器呈二维平面状，具有电子扫描功能，被测物体的红外辐射通过光
40、学系统聚焦到红外探测器的阵列平面上成像，然后通过探测器转换成电信号，再通过放大电路、补偿电路及线性处理后，利用热像仪内置的图像采集单元生成被测物体表面温度分布的热像图，最终将热像存储到图像存储器中或者利用终端进行显示。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外热像仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似。系统主要由光学系统、焦平面探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其核心是红外探测器，探测器的主要功能是将入射辐射能转换成可测量的电信号，其结构如图2.2所示，其中调制电机是用来对j镜头进行调焦的。被测物体红外辐 射光学镜头焦平面探测器调制电机信号处理电路补偿电路红外热
41、像红外热像仪 图2.2 红外热像仪系统组成结构红外热像仪的工作原理其实与人的眼睛看物体原理相近，人眼是将光线汇聚到视网膜上，视网膜再将信号传送到大脑，产生明暗的区别；而热像仪是通过一组透镜将物体发射的红外辐射汇聚到探测器上，探测器被汇聚到的辐射光线照射便产生电信号，然后电信号被传到后面的处理电路，从而计算出物体的温度分布。2.2 红外热像仪技术性能指标对红外热像仪的主要技术性能指标加以了解，可以帮助用户更深刻地掌握热像仪的工作原理，在实际使用过程中，用户需要对测量要求进行详细的分析，然后与各种型号的红外热像仪的性能指标相对照，在几种指标之间遇到矛盾难以取舍时，可在功能、价格和指标之间寻找平衡点
42、，选择性价比较高的热像仪24。1) 测温范围测温范围是红外热像仪能够测量的温度上限和温度下限，目前红外热像仪总的测温范围能到达-50到3000。每个型号的热像仪都有自己的测温范围，对被测目标的温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。如果测温范围过宽，仪器动态范围越大，不但增加了仪器的成本，而且导致测温精度下降。所以测温范围是红外热像仪最重要的一个性能指标，应优先考虑。2) 工作波长工作波长是根据红外热像仪的测温范围所选择的红外辐射波段，因为如果热像仪工作在合适的工作波段内，能使被测物体有较高的辐射率和较低的透射率、反射率，提高测温精度。例如在高温区，一般选择0.81.0的近红外进
43、行测量；在低温区，一般选用814的长波段，从这里可以看出，热像仪工作波段的选择与图2.1的结论是一致的25。3) 测温精度测温精度是指黑体温度的测量值与其真实值之间的最大误差，通常以测温范围的上限的百分数加以表示。例如2%，当测温范围上限为100时，仪器的最大测量误差为2，当然这不能完全代表现场可能出现的误差，因为测温精度通常是在确定的环境下通过多次测量获得的。高精度意味着高成本，所以用户在选择的时候只要能够满足基本要求即可，无需盲目追求高精度。4) 距离系数图2.3 距离系数示意图如图2.3所示，距离系数K是指热像仪与被测目标的距离L和被测目标的直径R之比。K越大，红外热像仪的分辨率越高。因
44、此，如果热像仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的，以减小测量误差。红外热像仪工作时，只能测定被测目标表面上确定面积的平均温度。当被测目标的面积大于仪器的视场时，热像仪能显示被测物体位于仪器光学目标内确定面积的真实温度；当被测物体小于仪器的视场时，热像仪显示被测物体及背景二者温度的加权平均值，此时显示出的温度误差与被测物体的背景温度有关，通常情况下，被测目标尺寸应超过仪器视场的50%。5) 响应时间响应时间表示红外热像仪对被测目标温度变化的反应速度，是从温度开始变化到显示值稳定所需的时间。当测量快速运动或温度变化较快的目标时，要选择快速响应的热像仪
45、，否则来不及响应目标温度的变化，导致误差产生；但对于静止的目标或具有热惯性的目标，仪器的响应时间可以放宽要求，所以这个指标要视被测目标的具体情况而定。2.3 影响红外热像仪测温的因素及相关对策262728影响红外测温的因素很多，如大气、测试背景、物体辐射率、距离系数、相邻设备辐射和工作波长区间范围等等，其中有些因素是必然存在的，也是不可避免的。对于这些因素，可以通过选择合适的测温时间或采用特殊的诊断算法来消弱其影响，本节通过对辐射率和仪器工作环境的分析来阐述这些常用的减小误差的方法。1) 辐射率的影响在红外热像仪测温过程中，辐射率的标定是非常重要的。辐射率是描述被测物体相对于黑体辐射能力的大小，理想黑体的辐射率为1，而实际物体的辐射率均小于1。物体辐射率的大小与物体的材料、粗糙度、颜色、厚度等有关，红外热像仪从物体上接收到的辐射能量的大小与该物体的辐射率成正比。不同物体的辐射率是不同的，并随物体表面的状况变化，在不同的温度和不同的波长下其值也会发生变化，所以在进行红外诊断时需根据被测物体的形状、检测角度和方向对辐射率进行修正。若要进行绝对温度的准确测量，就必须事先知道被测物体