基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究

基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究

贾小倩

  中航长城计量测试(南京)有限公司

摘要：随着科学技术的不断发展，红外热像仪已在各行各业得到了广泛的应用，并在电力系统中也取得了良好的应用效果。电力系统设备运行过程中，需要对设备温度进行监测，进而确保其安全运行。而红外热像仪可通过对设备表面温度进行检测，实现对设备的状态评估。本文对红外热像仪的结构特点进行了分析，并结合实际应用情况，对红外热像仪在电力系统中的应用进行了详细分析，研究结果表明，红外热像仪在电力系统中具有重要的应用价值，可为电力系统运行的稳定性提供保障。

关键词：红外热像仪；温度测量技术；应用实践

随着我国经济的快速发展，各行各业对电力的需求量也越来越大，因此，电力系统在社会发展中具有重要的作用，是国民经济和社会发展的基础。而随着社会经济的不断发展，我国电力系统也取得了一定的成就，但是，在运行过程中仍存在一定的安全隐患。例如，由于电力系统设备在运行过程中会受到环境因素和人为因素的影响，导致其在运行过程中容易出现异常情况，这就需要相关技术人员对电力系统设备进行监测和分析。而红外热像仪作为一种新型的测量工具，能够将电力设备表面温度进行检测和评估，这就为电力系统设备运行稳定性提供了保障。

1 红外热像仪的结构

1.1 光学系统

光学系统是红外热像仪最主要的组成部分，其主要由视场、光学系统和镜头三个部分组成。视场即红外探测器所接收到的目标红外辐射能量，它的大小取决于探测器的像素大小。光学系统是实现红外热像仪的一个重要组成部分，它是由多个光学元件组合而成，实现对目标辐射能量的采集、处理和输出。根据光学系统所采用的成像方式不同，可将其分为球面镜成像系统、非球面像差校正透镜成像系统和扫描式光学系统等。

（1）球面镜成像系统：它由多个透镜组合而成，通过它们之间的相对位置关系和安装位置关系，实现不同视场大小的红外热像仪。

（2）非球面像差校正透镜成像系统：其组成结构一般是由物镜、准直镜、主视场校正透镜、焦平面阵列探测器等组成，通过它们之间的相对位置关系，实现不同视场大小的红外热像仪，其视场内的光轴与光学系统的光轴一致，通过校正焦平面阵列探测器探测器接受到的红外辐射能量。

（3）扫描式光学系统：扫描式光学系统是指通过机械运动来改变焦平面阵列探测器的位置，从而实现红外热像仪的视场扩大和焦距调整，其组成结构一般是由扫描透镜、扫描控制单元、驱动电路和红外探测器等组成。

1.2 焦平面探测器

在红外热像仪中，焦平面探测器是非常重要的组成部分。它负责将目标的红外辐射转化为电信号，并转换成相应的数字信号。因为在红外波段中，环境温度和目标本身温度相差很大，所以必须通过探测器将这个信号转换成数字信号。焦平面探测器是通过一定方式将目标辐射转换成电信号，并进行处理和记录。通常情况下，焦平面探测器包括两种形式：

（1）单波段红外焦平面探测器：主要应用于0.55μm~1.55μm的中低端红外焦平面探测器。这种探测器主要应用在可见光的波段范围内，通过接收人眼能看见的目标的红外辐射，将其转化为电信号。

（2）双波段红外焦平面探测器：主要应用于1.55~2.7μm的中低端红外焦平面探测器，它主要应用在可见光波段，通过将目标辐射转换为电信号，然后通过电路对其进行处理，再将处理后的数据以数字信号的形式进行显示。

1.3 信号处理电路

在红外热像仪中，通过探测器输出的信号经过光电转换、放大和A/D变换后，可以得到被测目标的红外辐射。探测器输出的信号为模拟信号，需经过信号处理电路处理后才能被应用于后续的成像显示。

在红外热像仪中，信号处理电路包括前置放大电路、自动增益控制电路、数字相关器和数字滤波器。前置放大电路用于将探测器输出的微弱红外信号放大，并消除噪声干扰；自动增益控制电路用于控制探测器输出信号的大小，提高系统灵敏度；数字相关器用于把探测器输出的微弱红外信号进行相关运算，以确定系统的噪声等效温度；数字滤波器用于滤除输入的噪声。

1.4 显示器

红外热像仪的显示器是连接外部电路和内部电路的接口，它将接收到的信号转换为模拟电信号，并输出显示在屏幕上。

显示器的选择取决于红外热像仪的工作温度，使用环境等因素，在这里我们主要选择低温下使用的黑白显示器。目前市场上有两种显示器：一种是冷背光源型；一种是光学式。冷背光源型的显示器，在低温度下它会出现显示不清晰，亮度不够，易老化等现象，而且它的成本也比较高。光学式显示器其温度适用范围较宽，有可能在-70℃到+100℃之间变化。由此在选择显示器时主要考虑两个因素：一是显示温度范围；二是价格。

2 基于红外热像仪的温度测量技术在电力系统中的应用

2.1 电接触不良过热故障检测

电接触不良的过热故障主要是由于电流在电气连接点处产生的涡流，会导致接触电阻过大，最终形成发热故障。虽然这种故障不会产生较大的破坏性，但是由于这种故障的原因非常复杂，一旦发生就会给电力系统带来较大的影响。例如当电接触不良导致温度过高时，就会出现发热现象。红外热像仪可以在线对接触点进行温度测量，并且能够将测量结果显示在图像上。而当一个接触电阻较大的触点出现了故障时，温度会急剧上升，并且出现严重的发热现象。但是如果没有出现明显的异常，那么可以将这一点作为判断电接触不良过热故障的依据。

在进行电接触不良过热故障检测时，主要是通过红外热像仪对电力系统中各个设备和线路进行检测，如果发现发热故障时，就需要将故障点隔离或者更换设备。并且，在进行电接触不良过热故障检测时，需要在电力系统中选取相对典型的设备和线路。例如当电力系统中的断路器和隔离开关出现电接触不良的过热故障时，就可以选取这些设备作为检测对象。

2.2 绝缘劣化过热故障检测

红外热像仪在电力系统中的另一个应用是绝缘劣化的过热故障检测。所谓绝缘劣化，指的是绝缘材料在长时间运行之后，其表面发生了各种物理性质的改变，使得材料表面产生了明显的局部发热现象。局部发热现象往往会伴随着发热面积的扩大、发热区域温度的升高、发热温度与温度梯度之间存在着明显的正相关关系等。

绝缘材料表面局部过热现象产生的原因有很多，比如：材料表面存在水分或油类物质，在长时间运行后，就会导致材料表面水分或油类物质被消耗掉；材料表面的不均匀性造成材料表面不均匀发热；材料表面出现裂纹或杂质等。局部过热故障的检测方法，可以通过对绝缘材料表面温度的检测来实现。采用红外热像仪进行绝缘劣化故障检测时，可以利用红外热像仪的热成像仪功能，对被测绝缘材料表面的温度分布情况进行观察和分析。

通过对被测绝缘材料表面温度分布情况的观察，可以将被测绝缘材料表面的温度变化分为四个阶段：①绝缘材料表面温度低于材料本身的实际温度；②绝缘材料表面温度高于实际温度；③绝缘材料表面温度高于实际温度且二者之间存在一定的温差；④绝缘材料表面温度高于实际温度且二者之间存在较大的温差。这四个阶段分别对应着不同的故障特征，而不同的故障特征则对应着不同的过热故障类型。

2.3 涡流引起过热故障检测

涡流引起的过热故障是指电流流经导体时，在导体上产生涡流，在一定条件下会产生热量，热量积累到一定程度会引起导体温度上升，若超过某一临界温度就会导致绝缘老化甚至故障的发生。基于红外热像仪的温度测量技术可以快速准确的检测出涡流引起的过热故障。当电流流过一根铜芯导线时，在导线的导体表面会产生涡流，涡流导致内部导体温度上升，超过一定温度就会导致导线绝缘老化甚至故障。基于红外热像仪的温度测量技术对涡流引起的过热故障具有较高的检测准确度，一般检测精度在±2℃以内，具体如下：

（1）当电流流过一根铜芯导线时，在其表面会产生涡流，涡流的涡心一般位于导线的中心，从而在导线的表面形成一个高温区域。

（2）当电流流过一根铜芯导线时，在其表面会产生热量，热量积累到一定程度会引起导体温度上升，超过某一临界温度时就会导致导线绝缘老化甚至故障的发生。

（3）当电流流过一根铜芯导线时，其表面的温度是固定不变的，其温度受周围环境的影响较小，但当周围环境发生变化时如外界空气温度升高、风速降低等，则会引起铜芯导线表面温度的变化。

（4）在实际应用中，可以根据需要选择一定数量的铜芯导线作为检测对象进行检测。

结束语

总而言之，红外热像仪在电力系统中的应用是非常广泛的，本文对其原理、特点、测量范围和实际应用等方面进行了简单的阐述，并通过实例对红外热像仪在电力系统中的应用进行了分析，从而了解红外热像仪的应用优势和特点。随着我国经济水平的不断提高，对电力系统也提出了更高的要求，这就需要不断加强对红外热像仪的应用研究，从而提高电力系统运行的安全性和可靠性。

参考文献

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