紅外測試技術理論與實踐

2008.8.26

紅外輻射的發(fā)現(xiàn)

--1840年WilliamHerschel1800年英國的天文學家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應。他發(fā)現(xiàn)，當水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區(qū)的時候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復試驗證明，在紅光外側(cè)，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。紅外線就在我們身邊！?任何溫度高于絕對零度（-273.16K）的物體都會發(fā)出紅外線。比如冰塊也會輻射紅外線。?不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。紅外線的分類根據(jù)紅外線的波長分為：?近紅外線--0.75μm~3μm；?中紅外線--3μm~6μm；(中波)?遠紅外線--6μm~15μm；(長波)?極遠紅外線--15μm~1000μm儀器發(fā)展

Thermovision680 Thermovision550

AB點溫計紅外檢測與診斷技術的基本原理紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，自然界一切絕對溫度高與絕對零度的物體，不停地輻射出紅外線，輻射出的紅外線帶有物體的溫度特征信息，這就是紅外技術探測物體溫度高低和溫度場分布的理論依據(jù)和客觀基礎。風速對測溫的影響TemperatureT

[°C]0m/s

1m/s

2m/s

3m/s

4m/s5m/s10nm100nm1μm10μm100μm1mm10mm100mm1m10m100m1kmX-RayUVVisibleIRMicrowaveRadiowave2μm13μmGamma-Ray

紅外線是一種電磁波(是肉眼看不見的)。波長在0.75μm~1000μm之間。

近紅外線--0.75μm~3μm；

中紅外線

--3μm~6μm；

遠紅外線

--6μm~15μm；

極遠紅外線--15μm~1000μm。

自然界任何物體只要溫度高于絕對零度(-273.16C?)就會產(chǎn)生電磁波(輻射能)。

不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強度都不同。

紅外線（紅外輻射）

用紅外線熱像儀來捕捉(接收)物體表面發(fā)出的紅外輻射，顯示物體表面輻射能量密度的分布情況(紅外熱成像)。

通過觀察物體的紅外熱分布圖，并測量所需位置的溫度，來判斷設備故障所在的位置及程度。是被動的、非接觸式的檢測。

紅外檢測紅外熱像圖和可見光圖比較可見光圖紅外熱圖

影響紅外線穿過大氣的主要因素

由物體所發(fā)出的紅外輻射在穿過大氣到達測量系統(tǒng)時會受到衰減，而衰減主要來自氣體分子(水蒸氣等)和各種微粒(塵埃、雪、冰晶等)的吸收與散射。氣體分子吸收輻射，而微粒散射輻射。

{水氣(6.3μm);二氧化碳,硫和氮的氧化物等(2.7μm和15μm)

}

大氣衰減與波長密切相關。在某些波長，幾公里的距離也只有很少的衰減，而在另一些波長，經(jīng)過幾米的距離輻射就衰減得幾乎沒有什么了。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1~5μm之間，而長波窗口則是在8~14μm之間紅外輻射特性（規(guī)律）輻射的光譜分布規(guī)律－－普朗克輻射定律紅外輻射峰值波長與對應的溫度近紅外0.76～1.5μm3540～1658℃中紅外1.5～15μm1658～-80℃遠紅外15～750μm-80～-269℃極遠紅外750～1000μm-269～-270℃電力設備的紅外輻射位于中紅外的范圍內(nèi)我們通常所說遠紅外是對大氣窗口而言IncidentradiationWReflectedradiationWAbsorbedradiationWTransmittedradiationW基本輻射規(guī)律輻射的空間分布規(guī)律－－朗佰余弦定律

IΘ=I0COSΘ黑體輻射紅外輻射與介質(zhì)的作用SW:3.6–5mmLW:8-12mmLWSW輻射率影響物體發(fā)射率的因數(shù)很多，如物體表面的溫度，光潔度、平整度、厚度、紅外線波長等。氧化發(fā)黑的導線接頭發(fā)射率約0.9，而拋光的表面金屬，發(fā)射率只有0.1左右。對運行的電力設備進行紅外測溫探測，多數(shù)情況下是通過比較方法來判斷的，因此一般只需求出相對溫度值的變化或相對溫差的比值，而無需過分強調(diào)被測目標物體的紅外發(fā)射率，但若要精確測量目標物體的真實溫度時，必須事先知道和了解物體的紅外發(fā)射率（或稱輻射率）ε的范圍。否則，測出的溫度與物體的實際溫度將有較大的誤差。國內(nèi)、外紅外熱成像

技術的發(fā)展過程

焦平面、非制冷探測器（1997年第一代，1999年第二代，2001年第三代，2002年第四代)焦平面、內(nèi)循環(huán)制冷探測器（1994年）光機掃描探測器(1958年至今)工業(yè)檢測已不用內(nèi)循環(huán)制冷熱電制冷液氮制冷國外紅外探測技術的發(fā)展過程進口焦平面、非制冷探測器國內(nèi)組裝儀器（2001年）光機掃描探測器(研究機構一直在研制發(fā)展中)熱電視(熱電視管)

國內(nèi)紅外探測技術的發(fā)展過程

紅外熱成像系統(tǒng)

用途:

目標追蹤監(jiān)控，多用于國防軍事領域。

功能要求:圖像越清晰越好，發(fā)現(xiàn)目標的距離越遠越好。（5Km看到人游水）

紅外熱

成像檢測系統(tǒng)

用途:

以工業(yè)檢測為目的，對設備進行預知性檢測或研究，包括觀察熱分布圖像、測量溫度、建立設備資料庫、分析采集的數(shù)據(jù)以判斷設備潛在故障的程度等。

功能要求:圖像盡量清晰；溫度測量不止要準確，還要穩(wěn)定，不受環(huán)境影響；現(xiàn)場操作簡單方便；后處理分析軟件功能強等因素均應考慮。紅外線熱像儀按使用用途可大概分成兩大類:紅外熱成像技術的應用1.狀態(tài)監(jiān)測冶金機械化工電力“工業(yè)檢測用”紅外熱成像儀1.成像部分物體鏡頭光柵探測器紅外熱圖輻射線2.

測溫校準系統(tǒng)物體對大氣系數(shù)的校準熱圖對儀器本體輻射的校準A.B.**評估一臺工業(yè)檢測用的紅外線熱像儀的性能，這兩部分都是非常重要的，缺一不可！工業(yè)檢測用熱像儀簡單的工作示意圖性能良好工作穩(wěn)定的檢測用紅外熱像儀自動有效的測溫校準系統(tǒng)

成熟先進的圖像采集系統(tǒng)功能強大使用方便的后處理軟件紅外熱像儀兩個重要參數(shù)溫度分辨率溫度分辨率標志著紅外成像設備整機的熱成像靈敏度，是一項極為重要的參數(shù)指標，它可以用主觀參數(shù)或客觀參數(shù)表示。目前常用的主觀參數(shù)為最小可分辯溫差（MRTD）和最小可探測溫差（MDTD）。它是通過觀察人員對特定的目標進行主觀判斷，以臨界顯示為標準，來確定目標與背景的最小溫差。溫分辨率的客觀參數(shù)是噪聲等效溫差（NETD）。它是通過儀器的定量測量來計算出熱電視的溫度分辨率，從而是排除了測量過程的主觀因素。它定義為當信號與噪聲之比等于1時的目標與背景之間的溫差。空間分辨率熱電視的溫度分辨率通常是在零空間頻率下測定的。在任意空間頻率下的溫度分辨率［ΔT（f）］，不僅取決于噪聲等效溫差，而且與熱電視的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）有關。即［ΔT（f）］=NETD/MTF空間可探測到的最小的點

1毫弧度10米＝1厘米一、溫度二、溫差與相對溫差同一被測的物體的不同部位，或不同被測物體之間的溫度差值稱為溫差。三、溫升溫升是反映被測物體的測量溫度與周圍環(huán)境溫度之差的溫度值。四、相對溫差

δt＝（τ1－τ2）/τ1測量技術大氣傳輸.環(huán)境溫度的影響測量功能色板灰度等級溫度范圍等溫線SW、LW輻射系數(shù)ε輻射系數(shù)消除誤差的方法1、模擬黑體法2、參考黑體法3、涂料法4、直接測定法5、接觸測溫法測量輻射系數(shù)

紅外診斷技術在電力工業(yè)中的應用電力設備在正常工作的時候，由于電流電壓的作用，將產(chǎn)生發(fā)熱。這些發(fā)熱的形成有多種多樣。一、各種發(fā)熱形成

1.電阻損耗按照焦耳定律，電流通過導體存在的電阻將產(chǎn)生熱能，其發(fā)熱功率為P=KfI2R（W）式中：P—發(fā)熱功率（W）T—電流強度（A）R—電器或載流導體的直流電阻（Ω）Kf—附加損耗數(shù)

2.介質(zhì)損耗電氣絕緣介質(zhì)，由于交變電場的作用，使介質(zhì)極化方向不斷改變而消耗電能并引起發(fā)熱，由此而產(chǎn)生的發(fā)熱功率為P=U2ωctgδ（W）式中：U—施加的電壓（V）ω—交變電壓角頻率C—介質(zhì)的等值電容（F）tgδ—介質(zhì)損耗角正切值這種發(fā)熱為電壓效應引起的發(fā)熱。

3.鐵損當在勵磁回路上施加工作電壓時，由于鐵芯的磁滯、渦流而產(chǎn)生的電能損耗并形成發(fā)熱。以上三種發(fā)熱形式，在正常運行的設備中也同樣存在，這時設備表現(xiàn)為正常的熱分布。若設備出現(xiàn)異常，這些發(fā)熱機理將加劇或表現(xiàn)異常，則其熱分布圖像也與正常情況不一樣。電力設備熱故障分類

①電氣設備的外部故障所謂高壓電氣設備的外部故障，主要是指對外界可以直接觀測到的設備部位發(fā)生的故障。其中又可以分為兩種類型：一類是長期暴露在大氣中的各種裸露電氣接頭因接觸不良等原因引起的過熱故障。另一類則是由于表面污穢或機械力作用引起絕緣性能降低造成的過熱故障，如絕緣子劣化或嚴重污穢，引起泄漏電流增大而發(fā)熱。這類故障可以直接暴露在紅外診斷儀器的視場范圍之內(nèi)，所以，檢測和診斷都比較容易，能夠做到直觀且一目了然。

（1）設備設計不合理（2）安裝施工不嚴格，不符合工藝要求。如連接件的接觸表面未除凈氧化層及其它污垢；焊接工藝差；或緊固螺母不到位；末擰緊；或者是末加彈簧墊圈；或者是由于連接件內(nèi)導體不等徑等。（3）導線在風力舞動下或者外界引起的振動等機械力作用下，以及線路周期性過載及環(huán)境溫度的周期性變化。也會使部件周期冷縮熱脹，引起連接松馳。（4）長期裸露在大氣環(huán)境中工作，因受雨、雪、霧有害氣體及酸、堿、鹽等腐蝕性塵埃的污染和侵蝕，造成接頭表面材料氧化等。（5）長期運行引起彈簧老化等。

②電氣設備的內(nèi)部故障所謂高壓電氣設備的內(nèi)部故障，主要是指封閉在固體絕緣、油絕緣以及設備殼體內(nèi)部的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的各種故障。故障出現(xiàn)在電氣設備的內(nèi)部，無法象外部故障那樣能夠從設備的外部直接檢測出來。根據(jù)各種電氣設備的內(nèi)部結(jié)構和運行狀態(tài)，依據(jù)傳熱學理論，分析傳導、對流和輻射三種熱傳遞形式沿不同傳熱路徑的貢獻（多數(shù)情況下只考慮導與對流），結(jié)合模擬試驗與大量現(xiàn)場檢測實例的統(tǒng)計分析和解體驗證，從電氣設備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖，分析判斷與其相關的內(nèi)部故障。（1）內(nèi)部電氣連接不良或觸頭不良故障。如封閉在絕緣盒內(nèi)的發(fā)電機定子線棒接頭焊接不良、各種上高壓電氣設備內(nèi)部導電體連接不良、斷路器觸頭不良、高壓電力電纜出現(xiàn)鼻端連接不良等。此類故障的發(fā)熱機制與外部故障相同，。（2）介質(zhì)損耗增大故障。各種以油作絕緣介質(zhì)的高壓電氣設備，一旦出現(xiàn)絕緣介質(zhì)劣化或進水受潮，都會因介質(zhì)損耗增加而發(fā)熱。其發(fā)熱機制屬于電壓效應發(fā)熱，發(fā)熱功率可用P=U2wctgδ表示。（3）絕緣老化，開裂或脫落故障。許多高壓電氣設備中的導電體絕緣材料因材質(zhì)不佳或運行中老化，引起局部放電而發(fā)熱；或者因老化、開裂或脫落，引起絕緣性能劣化或進水受潮，這種故障發(fā)熱也屬于電壓效應發(fā)熱。（4）電壓分布不均勻或泄漏電流過大性故障。（5）渦流損耗（鐵損）增大性故障。對于由繞組線圈或磁路組成的高壓電氣設備，由于設計不合理、運行不佳和磁回路不正常引起的磁滯、磁飽和與漏磁；或者由于鐵芯片間絕緣破損，造成短路時，均可引起局部發(fā)熱或鐵制箱體發(fā)熱。其發(fā)熱機制為鐵損或渦流損耗發(fā)熱。（6）缺油故障。油浸高壓電氣設備由于漏油而造成油位低下，嚴重者可引起油面放電，并導致表面溫度分布異常。這種熱特征，除放電時引起發(fā)熱外，主要是由于設備內(nèi)部油面上下介質(zhì)的熱物性不同所致。其他發(fā)熱特殊運行方式。過負荷或電壓變化過大、單相運行等引起的故障，或者冷卻系統(tǒng)設計不合理與堵塞、散熱條件差等引起的故障。紅外診斷的影響因素及對策大氣吸收的影響紅外輻射在傳輸過程中由于大氣的吸收作用總要受到一定的能量衰減。大氣中的水蒸氣H2O，二氧化碳CO2，臭氧O3，氧化氮NO，甲烷CH2，一“大氣窗口”的三個波長區(qū)域1～2，5μm、3～5μm和8～14μm受大氣吸收的影響盡管很小，但輻射能量仍會被衰減，有選擇地吸收一定波長的紅外線。應在無雨無霧，空氣濕度最好低于75%的環(huán)境條件大氣塵埃及懸浮粒子的影響大氣中的塵埃及懸浮粒子的存在是紅外輻射在傳輸過程中能量衰減的又一個原因。這主要是由于大氣塵埃的其它懸浮粒子的散射作用的影響，使紅外線輻射偏離了原來的傳播方向而引起的。懸浮粒子的大小與紅外輻射的波長0.76～17μm相近，當這種粒子的半徑在0.5～880μm之間時，如果相近波長區(qū)域紅外線在這樣的空間傳輸，就會嚴重影響紅外接收系統(tǒng)的正常工作。應在無塵或空氣清新的環(huán)境條件下進行

風力的影響當被測的電氣設備處于室外露天運行時，在風力較大的環(huán)境下，由于受到風速的影響，存在發(fā)熱缺陷的設備的熱量會被風力加速散發(fā)，使裸露導體及接觸件的散熱條件得到改善，散熱系數(shù)增大，而使熱缺陷的設備的溫度下降輻射率的影響一切物體的輻射率都在大于零和小于1的范圍內(nèi)，其值的大小與物體的材料、表面光潔度、氧化程度、顏色厚度等有關。輻射率與測試方向有關，最好保持測試角在30℃之內(nèi)，不宜超過45℃。當不得不超過45℃時，應對輻射率做進一步修正。鄰近物體熱輻射的影響當環(huán)境溫度比被測物體的表面溫度高很多或低很多時，或被測物體本身的輻射率很低時，鄰近物體的熱輻射的反射將對被測物體的測量造成影響。太陽光輻射的影響