第一章 红外热像检测技术

第一节 红外热像检测技术概述

一、红外技术发展历程

1800年，英国人William Herschel在可见光谱红光以外的区域，发现有显著的热作用存在。后来用特殊的感光底片拍摄光谱，证实在红光区域外侧的确有“热像”存在，称为“红外线”，也就是“红外辐射”。

但是由于技术上的困难，对红外辐射的认识一直停留在初级阶段，直到20世纪中期，由于军事、科学和工业上的需要才形成了红外物理这一专门学科，大大地提高了人们对红外辐射的产生、物体红外辐射特性的规律、红外辐射与物质的相互作用、红外辐射的传输及探测等问题的认识，为红外理论的实际应用打下了良好的基础。

红外技术最初应用于军事方面。红外前视系统（Forward-Looking Infrared System）的研究和在战场上的应用，大大加快了红外光学系统和红外探测器的设计与生产，使红外理论研究跨入了军备生产领域，并且形成了以红外装置设计、红外器件生产和红外产品开发应用为主要内容的红外技术。

应用红外物理理论和红外技术成果对设备热状态进行检测，首先是从电力工业开始的。20世纪60年代中期，瑞典国家电力局和阿格（AGA）公司合作把红外前视系统加以改进，并用于对运行电力设备热状态的诊断，开发出第一台工业用的红外热像仪。与此同时，各种各样用于设备热状态诊断的红外测温装置也相继出现。这些红外测温产品不仅可以进行温度测量，更重要的是应用于设备热状态检测。20世纪70年代，红外检测技术又引进了军事领域中夜视装备的开发成果，出现了以电子扫描和热电保测为基础的红外热电视。

目前，红外检测技术与电子计算机技术、图像处理技术相结合，系统通过与可见光组成的多功能传感器，配用多功能目标捕捉处理器以及信息处理技术，对目标实现高速、自动、可靠的探测、识别、测距、定位、跟踪及故障诊断。

二、技术特点

（一）技术优势

1.灵敏度高

现代红外探测器对红外辐射的检测灵敏度很高，因此以这类探测器为基础构成的红外热像仪器对温度也具有很高的分辨率，如使用红外诊断仪器可以发现设备有0.1℃的温度差别。

2.诊断效率高

由于红外探测器的响应速度可以高达纳秒级，因此可以迅速采集、处理和显示设备的红外辐射，大大提高对设备诊断的效率。

3.可以与计算机联合工作

新型的红外诊断仪器输出的设备热状态信息，大都是经过处理的数字化信息，或者仪器本身包含微型计算机。因此，红外诊断技术在使用现有的计算机图像处理技术成果的基础上大大扩展了其功能和应用范围。

（二）技术缺点

1.确定温度值困难

使用红外诊断技术可以诊断出设备热状态的微小差异和细微变化，但是很难准确地测定设备上某一点的温度值。其根本原因是设备的红外辐射除与设备温度有关外，还受其他许多因素的影响，特别是设备表面状况的影响。所以，如要精准地确定设备温度值，单纯使用红外诊断技术是不够的。

2.难以确定设备内部的热状态

设备的红外辐射主要是设备表面的红外辐射，主要反映设备表面的热状态，而不能直接反映出设备内部的热状态。所以，如果不使用红外光纤或窗口作为红外辐射传输途径，红外诊断技术通常就只能直接诊断出设备暴露于大气中的部分的过热故障或热状态异常。

三、应用情况

早在20世纪80年代，国外已将红外热成像技术广泛应用于电力设备的故障检测及飞机巡线，而且成立了专门的协会、学会以及专门的检测机构，并从事红外诊断的有偿服务。

我国电力设备热成像检测技术始于20世纪80年代初，红外检测在发、输、变电等各个方面的应用都很有成效。除试验研究部门外，生产运行部门也积极投入到研究应用红外检测的行列当中。

我国已经开展了大量的电力设备红外检测诊断试验研究，进行了大量现场检测，取得了十分显著的成效。与此同时，这些部门正在探索一套对电力生产行之有效的红外诊断技术，且已经制定了电力红外诊断技术规范。然而，必须清醒地认识到，虽然红外诊断技术在我国电力行业的发展取得了可喜的进步，但如果从设备诊断工程学的角度来评价当今的电力设备故障红外诊断技术水平，应该说还是处在经验层次的初级阶段。

为了促进红外检测新技术在电力行业的迅速推广、应用和健康发展，除了要进一步拓宽应用领域和扩大适用范围以外，还应该在提高诊断技术水平方面做更多的工作。因此，今后还应该在以下三个方面开展更多、更扎实的研究工作。

（一）诊断标准化的研究

由于电力设备运行状态和故障的红外在线监测结果将受到运行工况（如负荷率）、检测条件（如检测距离、方位、环境温度、湿度、风力、风向和背景辐射等环境条件因素）的严重影响，如果不把在各种条件下检测的结果进行标准化处理，那么对于给定的某种设备故障，将会得到不同的诊断结论。尽管某些先进的红外热像仪都增设了测试距离和大气衰减等修正功能，但其修正的可靠性和精确程度往往是有限的。因此，为了保证诊断结果的科学性和唯一性，应该研究红外监测结果的标准化处理方法。只有这样，才有可能真正做到诊断标准化和结果唯一化。

（二）诊断数学的研究。

诊断数学是研究诊断信息的选择、采集、处理和判断的数学原理与方法。要想把电力设备故障的红外诊断以及故障判定方法从现在的经验层次提高到理论层次，就必须针对电力设备故障红外诊断的具体特点，认真研究故障信息的数学处理方法。

（三）诊断智能化研究

为了消除目前电力设备故障红外诊断中对故障判定的人为性和经验性影响，应该深入开展红外诊断中的模式识别等逻辑诊断方法的研究，以便实现故障诊断的智能化。

四、仪器介绍

红外热像仪是当今红外检测与诊断技术所应用的最先进的仪器，分为光机扫描红外热像仪和焦平面数字式红外热像仪两大类。近几年焦平面数字式红外热像仪发展迅速，克服了光机扫描系统的复杂性和不可靠性，有逐步取代光机扫描红外热像仪的趋势。

按照使用方式的不同，红外热像仪可分为以下四类：

（1）手持式红外热像仪：主要用于日常巡检和精确测温。

（2）固定式红外热像仪：主要应用于无人值守变电站，以红外热成像监测和可见光视频报警为主。

（3）机载吊舱式红外热像仪：主要应用于城市配网和线路巡检。

（4）机器人红外热像仪：集机电一体化、多传感器融合技术、机器人视觉技术、红外检测技术于一体的智能系统。