基于红外热成像原理的轮机故障诊断技术

红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用1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月红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用2目录一、技术概述.....................................................................................................................................31.1红外热成像技术测温的原理...............................................................................................51.2红外热成像技术测温的误差分析.....................................................................................131.2.1物体表面发射率的影响..........................................................................................131.2.2被测物体表面吸收率的误差影响..........................................................................131.2.3大气透射率误差的影响..........................................................................................141.2.4环境温度误差的影响..............................................................................................141.2.5辐射温度的影响......................................................................................................14二、系统功能....................................................................................................................................152.1机械设备的红外检测.........................................................................................................152.1.1柴油机红外检测.......................................................................................................162.1.2电机的红外检测.......................................................................................................162.1.3分油机的红外检测..................................................................................................182.1.4空压机的红外检测..................................................................................................182.1.5电力系统红外检测..................................................................................................19三、系统创新....................................................................................................................................203.1缺陷的识别与定量..............................................................................................................203.1.1缺陷的位置、类型检测..........................................................................................213.1.2缺陷的大小检测......................................................................................................213.2本章小结..............................................................................................................................22四、其他说明....................................................................................................................................23红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用3一、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（）。红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用4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。红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用51.1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)红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用6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红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用7(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)或红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用8(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红外热成像技术的研究及其在船舶上的应用9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。红外热成像技术的研究及其在船舶上