红外热像技术培训教程

红外热像技术培训课程一、红外成像技术理论基础1、温度华氏温标(°F)与摄氏温标（°C）、热力学温度关系：摄氏温度和华氏温度的关系：T℉=1.8t℃+32（t为摄氏温度数，T为华氏温度数）摄氏温度和开尔文温度的关系：°K=℃+273.15一、红外成像技术理论基础1、温度温度与机器设备的运行状态密切相关，是表征设备运行状态的一个重要指标，设备出现故障的一个明显特征就是温度升高，同时温度的异常变化又是引发机械设备故障的一个重要因素。因此温度监测在设备故障诊断技术体系中占有重要的地位。一、红外成像技术理论基础1、温度温度测量方式可分为接触式与非接触式两类。（1）接触式测温：将温度计和被测物的表面很好地接触，并使其经过足够长的时间达到热平衡，则二者的温度相等，此时温度计显示的温度即为被测物表面的温度。如热膨胀式温度计、电阻式温度计、热电偶温度计等。（2）非接触测温：利用物体的热辐射能随温度变化的原理来测定物体的温度。由于感温元件不与被测物接触，因而不会改变被测物体的温度分布，且辐射热与光速一样快，故热惯性很小。如红外点温仪和红外成像仪等。一、红外成像技术理论基础2、红外线红外线是国外著名科学家赫歇尔在一次科学实验中发现的，他发现在太阳的可见光线以外存在着一种神奇的光线，人的肉眼无法看见这种光线，但它的物理特性与可见光线极为相似，有着明显的热辐射。由于它位于可见光中红光的外侧，故而称之为红外线，红外线的波长范围很宽，介于0.75——1000微米之间。一、红外成像技术理论基础2、红外线（红外光是电磁光谱中介于可见光的红光和微波之间的波段）伽马射线X射线紫外可见红外无线电可见光0.4近红外中红外远红外超远红外0.7537.5-1515-1000微米一、红外成像技术理论基础2、红外线红外线特点：红外能量是一种肉眼看不见的能量，它的波长很长，无法被肉眼探测到。它是电磁波谱中的一部分，人类将它感知为热量。与可见光不同，在红外领域里，凡是温度在绝对零度以上的物体都能够散发热量。即使如冰块这样表面非常寒冷的物体，同样能够发射红外能量。物体的温度越高，它所辐射的红外能量就越强。红外热像仪能够帮助我们看见肉眼无法看见的情况。红外线是由物体表面辐射出来的，不能穿透大部分物体，因此，红外检测设备检测的是物体表面的温度。一、红外成像技术理论基础3、红外成像技术●简单地说：-热像仪是一台红外相机●原理和用途：-通过检测物体发射和反射过来的红外光强度，算出物体表面每一点的温度，以不同的颜色显示不同的温度。●可以用于检测物体整个面的温度！一、红外成像技术理论基础3、红外成像技术红外光谱红外热像技术是一门利用非接触式热像设备获取和分析红外光谱波段在7.5-15微米热信息的科学技术。一、红外成像技术理论基础3、红外成像技术FLIR–ITC给出的定义：红外热像技术是一门利用非接触式热像设备获取和分析热信息的科学。近年来电力设备的维修正向预知性维修变化，依据每个设备的工作状况进行定期的监测，根据其劣化和损害程度来计划维修；实现了这种预知维修，设备才会获得更高的可靠性，并能减少维修的人力物力。据统计，工业中的电力设备故障，其25%是由于连接松动引起的。因为大量的电气接头和连接件由于磨损、腐蚀、胜污、氧化、材料不合格、工艺设计等方面的问题都可造成过热。任何电力设备很少事先没有征兆就发生故障的，任何电力设备，不管维护得多么好，都会在每次检查时发现些新问题。一旦设备有一处开始发热，若不予以维修，那它发生故障仅仅是个时间早晚的问题。通过红外检测诊断，可预防设备的电气和机械事故及灾难性火灾，改变维修管理体制，使其从预防性的，甚至是紧急状态下的抢修变成为预知性维修。一、红外成像技术理论基础3、红外成像技术优点：（1）可进行非接触检测；（2）可给出空间分辨率和温度分辨率都较好的设备的温度场的二维图像；（3）可进行快速、实时测量，允许人们进行瞬态研究和大范围设备的快速观测，并可记录与重放物面温度场及其演变过程，进行数据显示、计算、处理和分析；（4）具有全天候的特点。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪红外热像仪能够接收红外线，生成红外图像或热辐射图像，并且能够提供精确的非接触式温度测量功能。几乎所有物体在发生故障之前，温度都会产生变化，因此在很多领域内，红外热像仪是一种经济有效的检测工具。由于很多行业都将高效生产、能源管理、提高产量和生产安全作为企业发展的重要目标，因此红外热像仪正在被不断的应用在各种行业和各种应用领域中。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪成像仪主要结构光学系统探测器处理系统显示系统热像仪主要的特性是由所采用的探测器及处理系统决定的。现在在电力系统使用的探测器一般有热释电型、160×120非制冷焦平面、320×240非制冷焦平面，使用的处理系统有FPGA（可编程控制器）、DSP（嵌入式操作系统）及FPGA与DSP相结合的处理系统。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪探测器结构Microbolometer阵列示意图IRFPA探测器一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪•斯蒂芬-玻耳兹曼定律------辐射功率随温度的变化规律Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σεT4式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数；ε为物体的发射率，与物体材料性质、表面状况等有关，电力系统设备一般为0.9。斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。公式可以看出物体红外辐射的功率与物体的温度与发射率成正比关系，辐射率与温度越高物体红外辐射的热能越强。所以探测红外线的强度即可探测物体的温度。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，如图所示：Iθ=I0COSθ法线I0θIθ=I0COSθ•朗伯余弦定律------辐射的空间分部规律在实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成一定角度检测，则有可能会测量温度偏低。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪红外成像仪和点温仪的区别点温仪主要用于测量目标某一点的大致温度数值。红外热成像仪以“面”的形式对目标整体实时成像，使操作者通过屏幕显示的图像色彩和热点追踪显示功能就能初步判断发热情况和故障部位，然后加以后续分析，从而高效率、高准确率地确认问题所在。一、红外成像技术理论基础4、红外成像仪E系列T系列P系列新一代T系列一、红外成像技术理论基础5、红外成像仪的基本参数1）视场角它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围,当目标位于以光轴为轴线,顶角为视场角的圆锥内的(任一点在一定距离内)时候被光学系统发现,即成像于光学系统像平面的视场光阑内.即使物体能在热像仪中成像的物空间的最大张角叫做视场。热相仪镜头的度数就是以视场角的度数来表示的，比如：14°×10°一、红外成像技术理论基础5、红外成像仪的基本参数2）像素像素越高成像的细节越多，同样度数的镜头下，像素越多可以测量的有效距离就越远3）热灵敏度热像仪能分辨的最小温度变化，热灵敏度(数值)越低热像仪能观测到的温度变化就细微。4）帧频帧频是热像仪每秒钟产生完整图象的画面数,单位为HZ。一般电视帧频为25Hz。根据热像仪的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类。电力系统所用的设备一般采用快扫描热像仪(帧频在25Hz以上)。一、红外成像技术理论基础5、红外成像仪的基本参数5）空间分辨率空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率。空间分辨率直观的理解就是通过仪器可以识别物体的临界几何尺寸。通常用瞬时视场角（IFOV）的大小来表示（毫弧度mrad）一、红外成像技术理论基础6、影响红外测温的几个因素热量发射来自物体本身.反射来自于其前面的物体;有时候操作者也会包括进去.TT发射和反射是互补的.发射反射大气（各种气体、水雾、尘土、微粒等）一、红外成像技术理论基础6、影响红外测温的几个因素影响因素：物体本身发射红外光的能力物体反射红外光的能力红外光穿过大气等传播介质时的衰减一、红外成像技术理论基础6、影响红外测温的几个因素结果：对长波热像仪----发射率对测温结果影响最大反射温度其次近距离室内测量，其他因素影响很小一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率ε(T)，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。发射率是介于0－1之间的一个数值。发射率（辐射率）斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为：M(T)=ε(T)σT4一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率对于不透明的物体，有下列因数影响物体发射率的大小：不同材料性质的影响不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异，因此它们的发射性能也应不同。一般当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于0.8，非金属电介质材料的发射率一般在0.9左右。总的来说，非金属物体有较高的发射率，金属物体发射率较低。发射率有关的特性一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率表面状态的影响任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态，将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是，对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；当表面状况为抛光，温度为310K时，发射率就仅为0.28。发射率有关的特性一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施加润滑油及其他沉积物(如涂料等)，都会明显地影响物体的发射率。因此，我们在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下，我们不了解发射率，那么只有用相间比较法来判别故障。综上所述，对于电力设备中变压器套管、避雷器、耦合电容器等使用非金属电介质材料的设备，其发射率一般在0.90左右；而对于导线、母线、隔离开关、并联电容器等使用金属材料的设备，一般由于表面有涂料标识、热塑套管标识、污秽覆盖、氧化等现象的存在，其发射率一般也在0.85-0.95之间。对于有条件的设备我们可以做简单的测试可以定出设备的发射率。但对于密封开关柜等设备，由于其发热元件与外部表面之间没有传导路径或传导不良，因此不便于红外检测，这一点在红外检测时要注意。一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率物体的发射率与反射率关系发射率＋反射率＝1这个公式的意义在于：物体的发射率大时，反射率就低，反之则反射率高。在实际测试中，当测试的是发射率高的物体时，其反射率低，所以环境反射温度可以忽略不计；测试发射率低的物体时，因为其反射率高，所以环境物体的反射对测试的影响很大，有时候测试的温度可能完全是环境的温度。所以，测试温度时，对发射率低的物体测试一定要注意是否有反射温度的影响，有可能的情况下多换几个测试角度测试，判断是否是反射温度。一、红外成像技术理论基础7、物体的发射率如何测得材料的发射率？步骤：•一、用可靠手段，如高精度热电偶测出被测物实际温度，或把绝缘胶带粘到被测物体上提高被测物的发射率，待温度恒定后用热像仪（发射率设为0.97）测出实际温度。•二、避免高温反射源的干扰，用热像仪测被测物体，调节发射率，当显示数值与实际温度相等时，记录下当前发射率，此数值即为被测物的发射率。一、红外成像技术理论基础8、关于反射温度从目标反射进热像仪的辐射叫做反射表象温度.常常写做TRefl.反射总是存在的!!!!对于热像专家来说会伴随一生.一、红外成像技术理论基础8、关于反射温度实例：反射是错误分析的罪魁祸首.问题在这里.你看到的是铜牌上的反射，这里没有热点.一、红外成像技术理论基础8、关于反射温度这里有