红外热像仪的原理及其在电气设备检测中的应用

红外热像仪的原理及其在电气设备检测中的应用

作者：夏杰

来源：《硅谷》2008年第10期

[摘要]红外热像仪是利用现代高科技手段，对运行的电气设备进行无接触检测的一种仪器设备，详细介绍红外热像仪的工作原理、系统组成、分类、性能参数及其在电气设备检测中的应用。

[关键词]红外热像仪电气设备检测

中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520067－02

一、引言

红外热像仪是利用现代高科技手段，对运行电气设备进行无接触检测的一种仪器设备。使用红外热像仪可以得到电气控制设备、电动机、变压器、电缆接头、电气开关以及处于探测温度范围内的任何设备的热像图。红外热像仪是一种可以将热信息瞬间可视化，显示温度分布情况，显示热故障，并通过非接触温度测量加以量化，在专业的红外分析软件的帮助下，数秒内便可自动完成分析报告。使维修人员及时掌握设备的实际技术状态，以便对设备技术状态的劣化采取恢复措施。目前，红外热像仪在电力行业进行预防性维护检测中发挥了巨大作用。

二、红外热像仪的工作原理

红外是红外辐射、红外线或红外光的简称，它是太阳光谱红光外的不可见光，其波长范围相当宽，波长为0.75～1000μm之间。太阳光从紫光到红光的热效应逐步增大，而红外光具有最大的热效应。除了太阳能辐射红外光外，自然界中的任何物体，只要本身具有一定的温度，都能辐射红外光。

利用红外热像仪探测物体发出的红外辐射，并将物体辐射的功率信号转换成电信号，通过成像装置的输出就可以完全模拟被扫描物体表面温度的空间分布，得到与物体表面热分布相应的热像图。即将不可见的热辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。红外热像仪非常灵敏，能探测到小于0.1℃的温差。当物体内部存在缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布发生变化，红外热像仪可以测量表面温度分布变化，探测缺陷的位置。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，掌握电气设备的运行状况，及时进行预防性检修。

三、红外热像仪分类

红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统。

（1）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，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。

（2）非扫描成像的热像仪，如近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。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焦在上面，并且图像更加清晰，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，仪器采用PC卡，存储容量可高达500幅图像。

四、红外热像仪的系统组成

图1是光机扫描成像红外热像仪的系统组成方框图，系统由光学成像扫描系统、红外控测器、信号放大器、信号处理转换和显示记录装置等组成。

（1）光学成像扫描系统工作原理是从左到右，从上到下对目标依次扫描探测，将目标分成一个个像元，并将分解的被测物体的热像性质、程度和位置的像元一次摄入，在小于0.2s的时间内转换成不同明亮的、连续逼真的图像，送人红外探测器。

（2）红外探测器是红外辐射能量转换器，进行光电转换，产生与目标变化相对应的信号电流，送入电子放大系统处理、放大。根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子(即电子和/或空穴)数目的变化。由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数，而热探测器的响应正比与所吸收的能量。光子探测器非常灵敏，灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度，就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为斯太林（Stirling）或液氮。热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度但在室温下也有足够好的性能，因此不需要低温冷却。

（3）信号处理与转换将目标和电信号转换为标准的视频信号或可记录信号。

（4）显示记录将被测目标的信号显示出来，显示有黑白和彩色。需要说明的是色彩并不是被测目标的自然色彩。因为红外辐射是看不见的热线，所谓色彩是热像图中同一信号电平的模拟，是采用了等密度分层的“伪色彩”处理。

记录方式：目前较为先进的是PC卡存储和电子存储。

（5）同步解决被测目标和显示是同一个信号的功能。

高性能热像仪配有功能强大的后台热图分析软件，软件界面友好，使用简单。图像自动下载后经过分析自动生成WORD文档报告，给出红外检测成果

五、红外热像仪主要技术性能

(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或8～12μm。

(2)视场视光学系统视场角的简称。一般是α×β矩形视场。

(3)空间分辨率将黑白相间的矩形条纹标准测试图案，用目视的方法从荧光屏上所能分出的每毫米黑白线对数，即以线对／mm(1 p／mm)表示，或换算成角秒、毫弧度表示。例

12º×12º等。

(4)温度分辨率简单的定义是指仪器可使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温差ΔT。还有一个定义是当信号与噪声之比等于1时的目标与背景之间的温差(称为噪声等效温差，排除了操作人员的主观因素)。

(5)帧频帧频是指热像仪每秒产生完整图像的画面数，单位为Hz。根据热像仪的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类，选型时应注意，帧频在20Hz以上才好使用。

(6)探测器类型是指热像仪使用的是属于何类型红外线器件。

六、红外热像仪在电气设备检测中的应用

几乎所有电气设备在发生故障之前，温度都会随之升高，因此红外热像仪绝对是一种经济有效的检测工具。仅仅通过红外图像来寻找故障往往是不够的，事实上，一台只能生成红外图像而无法测量温度的红外热像仪并不能反映电气或者机械故障的所有情况。很多电气设备能够在自身温度显著高于环境温度的情况下仍然可以正常运行。因此一台不具备测温功能的红外热像仪可能将误导您发现了一个根本不存在的故障。具备测温功能的红外热像仪能够正确引导预防性维护专家对电气或机械设备的运转情况进行准确判断。可以将测量温度值同历史温度进行比较，或者与相同时间同类设备的温度读数进行比较，以准确判断是否发生了显著的温升，是否会导致部件失效，带来生产隐患。

下面是需要采用红外热像仪进行检查的部分设施：

（1）电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。

（2）变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。

（3）电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏；有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。