紅外熱成像攝像頭在軸承測溫方面的研究

文/侯新玉

（唐山海運職業(yè)學院，河北唐山 063200）

隨著《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》的頒布和實施，國家對安全生產(chǎn)工作越來越重視?；馂念A防是安全生產(chǎn)工作的重要內(nèi)容,火災的發(fā)生需要助燃劑、可燃物和引火源。在生產(chǎn)過程中，車間內(nèi)有大量的可燃物。只有有效控制引火源，才能有效避免火災的發(fā)生。車間內(nèi)的引火源主要包括電器、高溫介質(zhì)和運轉(zhuǎn)部位摩擦產(chǎn)生的熱量。軸承在長期工作狀態(tài)下，難免會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在長期過熱的狀態(tài)下工作，軸承的運行狀態(tài)往往不受控制，從而造成設備停止運行、引發(fā)火災等隱患。在車間容易發(fā)生火災的重點部位，工作人員需要監(jiān)測軸承的溫度，評估軸承的工作狀態(tài)，并且預防異常情況的發(fā)生，從而及時發(fā)現(xiàn)和消除軸承轉(zhuǎn)動部位摩擦生熱引起的火災隱患。因此，工作人員應高度重視軸承檢測工作。

近年來，國內(nèi)外研究人員對紅外熱成像攝像頭測溫和軸承溫度檢測等方面進行了大量研究。然而，軸承測溫局限于點式測溫，企業(yè)實時檢測軸承溫度的能力非常有限。點式測溫方法存在隨機性大、延時長、需要接觸等缺點。因此，本文提出了紅外熱成像攝像頭在軸承測溫方面的應用方法。

1.紅外熱成像攝像頭模塊化原理

被測物體的發(fā)射率為被測物體在溫度T時發(fā)出的輻射功率E與黑體在溫度T時發(fā)出的輻射功率E0的比值ε。

因為物體表面的發(fā)射率與對應的波長和溫度相關(guān)，所以發(fā)射率ε（λ，T）的定義為：物體表面在相同波長λ和溫度T下輻射的功率E(λ，T)與黑體輻射的功率E0(λ，T)的比值。

物體表面的發(fā)射率為0和1之間的數(shù)，發(fā)射率為1的是黑體。在相同溫度下，物體向外輻射的能量越大，物體的發(fā)射率也就越大，黑體的發(fā)射率最大。

高于絕對溫度的一切物體，都不斷地輻射紅外能量，物體表面的溫度與物體輻射的紅外能量存在著密切聯(lián)系。工作人員通過測量物體輻射紅外能量的大小，可以確定物體表面溫度。紅外熱成像攝像頭是采用紅外輻射測溫原理來測量物體表面溫度的。紅外熱成像攝像頭采用的是非接觸式測量方式：首先，被測物體輻射的紅外能量通過光學鏡頭反射到紅外探測器中；然后，紅外探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)成電信號；最后，電信號經(jīng)過斬波器、濾波器處理后，生成紅外熱圖像。紅外熱成像攝像頭模塊化原理如圖1所示。紅外熱成像攝像頭的測溫系統(tǒng)如圖2所示。

光電陰極的激發(fā)，產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生的光電子的效率與輸入功率P成正比。由此可知，當確定探測器的探測元時，其特性參數(shù)將不會改變。效率和輸入功率存在如下關(guān)系：

式中，μ為常數(shù)。

一個確定了探測元的探測器，其電流I由探測器產(chǎn)生的光電子數(shù)目決定。

式中，ν為常數(shù)。

探測器的探測元的輻照度和像元的輸出功率有關(guān)。

式中,s為探測元的像元面積。

由式（5）可以看出，探測元的輸入功率P和物體的溫度T的四次方、物體表面的發(fā)射率ε、像元面積s成正比。聯(lián)立式（3）、式（4）、式（5）三個等式，可以得出探測像元的輸出電流為：

式中，μ′=mμsδ。

從μ的表達式可以看出，同一個探測元的系數(shù)μ值不變。由此可知，在式（4）中，目標物體的表面發(fā)射率只與物體表面的溫度和像元輸出光電流有關(guān)。假如物體發(fā)射率已知，只物體的溫度T只與像元輸出的光電流I有關(guān)，那么工作人員就可以確定物體溫度了。

輸出電流只有轉(zhuǎn)化成256個灰度級，才能被測溫系統(tǒng)識別和處理。輸出電流的大小通過灰度級的大小來表示。因此，物體的輸出電流I與灰度U的關(guān)系如式（7）所示：

式中，U為物體灰度；[]為取整符號，取值范圍為0～255；α為灰度與電流之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；ο為修正因子。

由式（6）可知，物體灰度與物體的目標溫度之間是一一對應的關(guān)系。

最后，筆者利用圖像的偽彩色方法表示紅外熱圖像。

2.試驗研究

為驗證本文提出的方法的可行性，筆者在企業(yè)生產(chǎn)線對電機軸承進行試驗。在試驗過程中，紅外熱成像攝像頭采用浙江大華DHTPC-BF5300型紅外熱成像槍形攝像頭。在設備運行過程中，本文提出的紅外熱成像攝像頭測溫法能夠在線測量軸承溫度。紅外熱成像槍形攝像頭的測溫距離為10m。

筆者利用Web Service軟件，對紅外熱成像攝像頭采集的熱圖像圖片進行規(guī)則設計，將輻射率設置為0.97，并且調(diào)節(jié)圖像標度，將被測物溫度控制在溫度標度范圍內(nèi)。筆者還根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，將開松鼓軸承附件位置作為基準點，在線監(jiān)測剝棉滾和開松鼓軸承的溫度，將被測點和基準點溫度差閾值設為20℃。當溫差≥20℃、持續(xù)時間≥30s時，設備就會進行高溫報警，提醒現(xiàn)場工作人員檢查軸承并采取相應的措施。另外，在日志中，工作人員可以查看一個月內(nèi)的報警事件。

本文的測溫點選用的是一個圓形區(qū)域，軸承溫度為該區(qū)域的平均溫度，其更具代表性和準確性。同時，選取基準點采用溫差閾值進行報警設置，可以有效避免外界環(huán)境溫度變化引起的誤報警，從而實現(xiàn)了軸承溫度的實時測量，最終保證了企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

圖2 紅外熱成像攝像頭的測溫系統(tǒng)圖

3.結(jié)語

綜上所述，本文研究了紅外熱成像攝像頭在軸承測溫方面的應用方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、精確度高、實時在線測量等優(yōu)點。筆者通過現(xiàn)場試驗，驗證了紅外熱成像攝像頭在線測溫法的可行性，從而為做好軸承監(jiān)測工作奠定了基礎。