（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电力检测红外热像仪硬件设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 电力设备在运行状态下的热分布是判断设备状态是否良好的一个重要依据，而 设备的热像图是设备在运行状态下热状态及其温度分布的真实描写。通过红外成像 技术对设备热图像的分析可以诊断设备的状态及其隐患缺陷，满足电力设备在高温、 高压、高速旋转和大电流运行状态下的测温要求，可作为对电力系统进行可靠性分 析、故障预测和改革维修制度的有力工具。 红外热像仪需要对红外图像进行实时处理，因此要求很高的数据传输速率，在 限定的时间内要完成大量的数据操作和运算。本文将最新d s p 技术运用到红外图像 的后续处理中，采用了具有高运算速度的t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 。与其它数据处理设备相 比，d m 6 4 3 7 具有处理速度快、可编程性好、电路系统简单和可靠等优点，适合数 据密集型运算场合，在红外热像仪中使用该芯片可使系统硬件和软件的实现更加容 易。 本文在介绍了红外热像仪的结构和工作原理基础上，从红外诊断的角度研究了 电力设备的故障分类和诊断机理，根据电力检测要求总结了红外热像仪的性能需求 分析。在此研究背景下，论文提出了基于高速d s p 的红外热像仪硬件设计方案并介 绍了核心处理芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 的性能和架构，同时结合系统的功能需求和 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 的外设接口完成了系统其他芯片的选型。文章重点描述硬件各模块 电路的详细设计，包括电源模块、监控及复位模块、时钟模块、外部存储器模块和 其它外设接口等电路，以及p c b 的设计。详细阐述了硬件调试的方法、步骤以及底 层调试软件的设计，对调试过程中遇到的问题进行了分析并提出解决方法。然后， 论文对所设计的系统进行实际测试，通过各项测试结果表明系统达到了实时性、可 靠性和稳定性等性能指标，同时在功能上具有一定的通用性和可扩展性。最后，对 研究成果进行了总结并对如何进一步提高系统的性能提出几点建议。 关键词：红外热像仪，电力检测，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 ，硬件设计 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e r m a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ti nt h eo p e r a t i n gs t a t ei sa n i m p o r t a n tf e a t u r eo ft h ee q u i p m e n tf o rj u d g i n gw h e t h e rt h ee q u i p m e n ti sg o o do rn o t , a n d t h et h e r m o g r a p h yo ft h ee q u i p m e n ti st h et r u ed e s c r i p t i o no ft h et h e r m a ls t a t ea n di t s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ee q u i p m e n tu n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n i n f r a r e di m a g i n g t e c h n o l o g yc a nb ea c h i e v e db ya n a l y s i n gt h et h e r m o g r a p h yo f t h ee q u i p m e n tt ok n o wt h e s t a t eo ft h ee q u i p m e n ta n di t sh i d d e nd e f e c t s ，s ot h a ti tm e e t st h e t e m p e r a t u r e r e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti nh i g h - t e m p e r a t u r e , h i g hp r e s s u r e , h i g h s p e e d r o t a t i o n , h i g h - c u r r e n to p e r a t i n gs t a t e t h u s ，i n f r a r e di m a g i n gc a l lb eu s e da sap o w e r f u l t o o lf o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，f a i l u r ep r e d i c t i o na n dm a i n t e n a n c es y s t e mr e f o r m a t i o no f p o w e rs y s t e m h i g hd a t at r a n s f e rr a t ea n dal a r g en u m b e ro fo p e r a t i o n ss h o u l db ea c c o m p l i s h e di n l i m i t e dt i m ei sr e q u i r e db yi n f r a r e dt h e r m a li m a g e ra c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f r e a lt i m e p r o c e s s i n go fi n f r a r e dt h e r m o g r a p h y i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h en e w e s tt e c h n o l o g yo fd s p i s a p p l i e di nt h ep o s tp r o c e s s i n g , i nw h i c ht h eh i g hs p e e dt m s 3 2 0 d m 6 4 3 7i su s e d c o m p a r e d 谢n lo t h e rd a t ap r o c e s s i n ge q u i p m e n t s ，耵s 3 2 0 d m 6 4 3 7s h o w si t sv i r t u e so f l l i g hp r o c e s s i n gs p e e d , p r o g r a m m a b l ea b i l i t y , s i m p l i c i t yo fc i r c u i ts y s t e ma n db es u i t a b l e f o rd a t a - i n t e n s i v ec o m p u t i n gf o r u m , w h i c hs u i t a b l yb e f i t st h er e a l - t i m ei n f r a r e di m a g e p r o c e s s i n g , a n dm a k et h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo ft h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e rb e i m p l e m e n t e de a s i l y b a s i n go nt h ei n s t r u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et h e r m a l i n f r a r e di l 】g e f ，c l a s s i f i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e n tf a u l t sa n dd i a g n o s i sm e c h a n i s m f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h ei n f r a r e dd i a g n o s i s ，a n dt h ef u n c t i o na n a l y s i so fi n f r a r e d i m a g i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep o w e rt e s t i n gr e q u i r e m e n t sw e r es t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n u n d e rt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d , t h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ei n f r a r e d t h e r m a li m a g e rb a s e do nh i g h - s p e e dd s pw a sp r o p o s e d a l s ot h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n s o ft h ec o r ep r o c e s s i n gd l l i p s t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7w a si n t r o d u c e d m e a n w h i l e , o t h e rc h i p s n e e d e di nt h ew h o l es y s t e r mw e r es e t t l e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so f t h ef u n c t i o n so f t h e s y s t e r ma n dm a t c h i n gt ot h ee x t e r n a li n t e r f a c eo f 田s 3 2 0 d m 6 4 3 7 t h ed e t a i ld e s i g n so f v a r i o u sp a r t sa r eg i v e nb ye m p h a s i s ，i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e s ，p o w e rm o n i t o ra n dr e s e t m o d u l e ，c l o c km o d u l e , e x t e r n a lm e m o r ym o d u l e sa n do t h e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t s a l s ot h ed e s i g no f p c bi si n t r o d u c e d m e t h o d sa n d s t e p so f d e b u g g i n gt h eh a r d w a r ew e r e 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t d e s c r i b e di nd e t a i la sw d la st h eu n d e r l y i n gd e b u g g i n gs o t h t c a r e d e s i g n p r o b l e m s o c c u r r e di nt h ed e b u g g i n gw e r ea n a l ) ，s 也e 也a n ds o l u t i o n sw e r eg i v e n t h e n , a r e rt h e p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t so nt h i ss y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c ew a sp r o v e dt om e e ts u c h r e q u i r e m e n t sa ss t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m ee t c a n df u n c t i o n a l l y , i tw a sg e n e r a la n d s c a l a b l e ，t os o m ee x t e n t a tl a s t , t h ed i s s e r t a t i o ns t a n m a r i z e dt h er e s e a r c h i n gr e s u l ta n d p r o p o s e ds o m ea d v i c e so nf u r t h e l d e v e l o p m e n to f t h ef u n c t i o n so f t h ew h o l es y s t e r m k e y w o r d s ：t h ei n f r a r e dt h e r m a lh 】 1 a g e p o w e rt e s t i n g , t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 ，h a r d w a r e d e s i g n 1 i i 重庆邮电大学硕士论文插图清单 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 插图清单 红外热像仪结构图。6 红外图像数据处理流程7 红外热像仪总体框图1 4 三段灰度拉伸示意图1 7 1 m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 功能框图【1 2 1 1 9 系统时钟电路2 3 j t a g 接口电路一2 5 d m 6 4 3 7 与k 9 f 2 2 0 8 连接示意图2 6 n a n df l a s h 电路图。2 7 d m 6 4 3 7 与k 4 t 5 1 1 6 3 连接示意图2 8 d d r 2 存储器电路图2 9 d m 6 4 3 7 与a i c 2 3 b 连接示意图。3 2 音频输出3 3 s d 卡连接示意图。3 4 s d 卡电路图一3 4 r s 2 3 2 电路图3 5 键盘电路。3 6 1 2 v 转1 2 v 1 8 v 电路。3 7 电压监控及复位电路3 9 d s p 处理板实物图4 3 创建初始化坏块表流程图。4 6 k 9 f 2 8 0 8 标准页编程时序【1 8 1 4 7 k 9 f 2 8 0 8 编程操作流程图4 8 砧c 2 3 工作流程图4 9 i i c 总线上传输的数据位3 1 1 4 9 i i c 总线起始和停止条件【3 l 】5 0 i i c 控制时序图n 6 1 5 0 d m 6 4 3 7 通过i i c 总线控制a i c 2 3 流程图5l c l k s p = 2 h 且c l k x p = 0 时，m e b s p 作为s p i 主设备时序图刚5 2 s d 卡初始化流程图5 4 s d 卡单块写操作流程图5 4 v i 重庆邮电大学硕士论文 插图清单 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 整机调试5 6 调温在2 0 0 c 的电烙铁热像图5 6 两个电烙铁的热像图5 7 设备电源接头。5 7 v i i 重庆邮电大学硕士论文 表格清单 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表格清单 红外热像仪性能参数13 b o o t 相关引脚【1 4 1 2 3 j t a g 接口定义【1 4 】2 4 k 9 f 2 8 0 8 的引脚裂1 8 1 2 6 d m 6 4 3 7 的d d r 2 接口引脚表 2 0 l 2 7 v p f e 弓i 脚【2 2 】3 0 a i c 2 3 数字音频接口引脚表【嘲31 a i c 2 3 串行控制口引脚表【1 6 1 31 a i c 2 3 模拟音频接口引脚表【1 6 1 3 2 s p i 接口引脚表【2 4 】3 3 红外热像仪按键表3 5 接k g f 2 2 0 8 时，a 1 c r 配置表。4 5 k 9 f 2 8 0 8 命令集1 1 8 】4 5 配置m c b s p 为s p i 主设备操作的寄存器字段的值1 2 4 1 5 2 s d 卡部分命令一5 3 v i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 c c d c p u d s p g p i o o v 球p a j r i a g l c d m c b s p m 刀p s o s d p c b s d s d r a m s p i u 燧 缩略语 c h a r g ec o u p l e dd e v i c e c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t d 姆t a ls i g n a lp r o c e s s i n g g e n e r a l - p u r p o s ei op o r t i n s t a n t a n e o u sf i e l do f v i e w i n t i m a t e df o c a l p l a n ea r r a y j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m u l t i c h a n n c lb u f f e r e ds e r i a lp o r t 【i l l i o ni n s t r u c t i o i l sp e rs e c o n d o n - s c r e e nd i s p l a y p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s e c u r ed i 百t a lm e m o r yc a r d s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e u i l i v e r s a la s y n c h r o n o u sr c c c i v e rt r a n s m i t t e r 电荷藕合器件 中央处理器 数字信号处理 通用输入输出 瞬时视场 红外焦平面阵列 联合测试行动小组 液晶显示屏 多通道缓冲接口 每秒百万条指令 屏上显示 印刷电路板 安全数码卡 同步动态随机存取存储器 串行外设接口 通用异步收发器 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 电力系统是一个复杂的大系统，其组成元件多，地域分布广，系统特性复杂， 可能发生的故障情况差异很大，从简单的个别元件故障到造成大面积停电的严重后 果都有可能发生。然而，大多数电力设备故障都是以设备相关部位的温度或热状态 变化为征兆表现出来，因此对电气设备温度的监测管理是国内外一直进行的工作。 以往，监测温度采用接触式办法，如水银温度计、热电偶、蜡片，还有测量设备热 头的“测直阻法、“贴温度标志法等，这些方法都要与被测设备良好接触才可进 行测量。对于带电的、高速旋转以及处于高空部位的设备，除有预埋测温元件外， 都必须事先停电、停机或登高爬上设备安装测温元件后才能进行测量，不仅费时、 费力、不安全、不方便，且测温范围狭窄，结果准确度差。随着电压等级的提高， 设备绝缘距离的加大，在更高电压、更远设备上，其测量难度大大加深。因此，电 气设备的温度监测必须改变接触测温的方式，寻找新办法，开展遥感、遥测技术， 在不接触运行设备的前提下，进行不停电、不停机的测温【l 】。本课题就是基于这样 的需求背景下提出的。 1 2 课题来源及意义 论文的研究课题属于校企合作的红外测控系统研发项目“用于电力检测的 红外热像仪的研发”。研究的主要内容根据电力设备红外检测相关标准研制用于电 力检测的红外热像仪。研究课题属于工程应用性的研究。 采用红外热像仪进行电力检测的意义在于： 电力设备的故障有多种多样，但大多数伴有发热的现象。红外热成像仪可将人 眼不可见的红外辐射转化成可见的温度图像，能够很清晰地显示设备的温度场，对 设备的整体发热情况作很直观的观察，对同一设备的不同点温度的异常也能很快发 现，因此可作为对目标进行远距离热状态成像和测温分析方便有效的方法【2 】。和其 它在线形式的电力故障诊断技术相比，红外诊断技术具有以下突出优点【3 】： 测试时不接触设备、不需要取样、不解体设备和不要求设备停运，而且操作 简单，这对于开展状态诊断工作尤为重要： 检测速度快、工作效率高：一座大中型变电站几百台设备几个小时便可检测 完，这是常规方法所无法比拟的； 直观而且明确地显示故障部位和故障的严重程度； 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 可诊断的设备类型、故障类型较其他检验方法多而广，并涉及到其他检验方 法无法涉及的领域了； 在实际运行状况下测试，比其他停电检验方法真实、准确； 经济效益好、安全性高。 因此，红外热像仪可作为检测电气设备温度异常隐患的理想仪器。 1 3 本课题的主要任务 本文设计和完成了一套红外热像仪硬件平台，通过该平台能够完成对i r f p a 信 号的正确读出，之后经过中心数字信号处理器进行必要的处理，包括红外图像信号 的消噪、校正、拉伸以及显示变换等，最后输出到l c d 显示屏上正确显示采集到 的红外图像，并可抓取某一时刻或某一段时刻的红外图像数据进行储存。 项目开始后详细分析系统的整体需求，与国外多种解决方案进行了比较，最终 采用u l i s 公司生产的非制冷红外探测器与本平台配套使用，探测器决定了本系统 输入的图像格式。由于非制冷红外焦平面探测器自身的特点，需要对探测器的输出 信号进行a d 转化，同时为了形成人眼可清晰分辨的热图像，还需进行大量的运算。 高速d s p 器件以其强大的数据处理能力和极快的运算速度，使其在红外焦平面图像 处理系统中具有巨大的应用潜力。t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 是t i 公司推出的3 2 位定点d s p ， 内部时钟高达6 0 0 m h z ，峰值处理能力高达4 8 0 0 m i p s ，再加上两级缓存结构、6 4 路独立的d m a 通道、灵活的e m i f 和丰富的外设接口，使得构成低功耗、便携式 的红外热像仪成为可能。本系统的电路以高速d s p 芯片d m 6 4 3 7 为核心器件、数据 存储器、程序存储器、和电源等组成。选择芯片时充分考虑了性能、信号接口上的 匹配，尽量消除制约处理性能的瓶颈。 本研究工作主要分为以下几个阶段： 深入研究非制冷红外热像仪的工作原理及其在电力检测方面的应用，作出详 细的热像仪性能分析，根据功能需求设计硬件整体方案； 根据功能需求及成本预算等因素确定系统所用d s p 型号，并深入学习 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 的相关资料； 基于d m 6 4 3 7 进行各外围芯片的选型及整个硬件电路的的详细设计； 对各个功能模块进行硬件调试； 完成硬件和软件的联合调试； 进行最终的产品测试。 在每一个阶段和各个阶段之间，都需要反复的优化。在每一步进行严格的质量 把关。在开发过程中，硬件和软件设计人员的相互协调对开发提供了有力保障。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 论文结构 论文以红外热像仪d s p 系统硬件部分的设计为主要研究内容，详细设计了功能 实现的处理流程并进行了模块框图的实现论述。整个论文共分为以下几章： 第一章介绍了论文课题的研究背景、来源及意义，论文的主要工作以及论文结 构。 第二章介绍了红外热像仪的原理，结构和优点，以及其在电力行业检测方面的 应用。 第三章通过对热像仪功能需求分析提出基于d s p 设计硬件平台的整体框架， 介绍了各模块的功能，并对系统的各芯片进行选型。 第四章详细阐述了红外热像仪的硬件电路设计，包括电源模块、外部存储器模 块、外设接口等电路的详细说明，并介绍了p c b 的设计。 第五章详细介绍了硬件调试的方式方法，并对其中遇到的问题予以解决。并对 系统进行成像测试，证实其达到预定性能指标。 第六章对全论文的工作情况作了总结，同时也对本课题的开发前景作了评价， 对以后本课题的开发工作提出了一些有价值的建议。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 2 1 红外热像仪介绍 自然界一切温度高于绝对零度( - 2 7 3 1 5 ) 的物体( 物质) 无不在每时每刻产生着 红外辐射，且这种辐射都载有物体的特征信息，这就为探测和识别各种目标提供了 客观基础【4 】。红外热像仪将物体发出的红外辐射转化为可见的热图像，利用物体的 辐射能量与温度有关的原理对物体进行测温，通过观察物体的热图像就可以直观得 到物体的温度信息。 2 1 1 红外热像仪测温原理 红外线辐射是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的 运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大， 反之，辐射的能量愈小。目标辐射能量的大小与目标温度间存在着固定的对应关系， 测出目标的热辐射能量，就能计算出目标的表面温度，这就为红外热成像测温奠定 了理论基础。 普朗克黑体辐射定律 4 1 ： 黑体定义为任何温度下，能全部吸收入射到其表面上的任意波长的辐射能的物 体。黑体只是一种理想化的物体，在自然界中并不存在。辐射出射度的定义为辐射 源单位表面积向半球空间( 2 万立体角) 内发射的辐射功率。在相同温度下，黑体的 辐射出射度最大，而实际物体的辐射出射度总是低于黑体。 当黑体处于温度t 时，在波长五处的辐射出射度按普朗克公式： 蚝= 等t e x p ( h c 2 k t ) - 1 】 式( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：为黑体的光谱辐射出射度( 叫( 朋2 , u m ) ) ，名是波长( m ) ，t 是绝对温度( k ) ，h 为普朗克常数( j s ) ，c 为真空中的光速( m s ) ，k 为波尔兹曼常 数( j k ) 。令q = 2 ，r h c 2 ，c 2 = h c x ，则( 2 - 1 1 ) 式可改写为 pr 、， = 参。 e x p ( z ) 一l 】4 试( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中：c 1 是第一辐射常数( w , u m 2 m 2 ) ，c 2 是第二辐射常数( , u m k ) 。 普朗克公式表示单位面积的黑体，在单位波长间隔内向周围空间发射的辐射功 率与波长和温度的关系。由此定律可以得到黑体辐射的几个特点： 1 ) 辐射出射度是随温度的升高而迅速增大的： 4 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 2 ) 光谱辐射出射度的峰值波长随温度升高向短波方向移动； 3 ) 温度越高，所有波长上的光谱辐射出射度越大。 维恩位移定律【4 】： 维恩位移定律可由普朗克公式( 2 2 ) 对波长求导数，并令导数等于零求得，即 令 百d m a b b ：旦( 导弓l ) 式( 2 3 ) d 允d 2 、允5 色一1 7 恤吖 求解式( 2 3 ) 得到维恩位移定律的表达式为 丸t = 6式( 2 4 ) 上式中，常数6 = 钐= 2 8 9 8 8 + 0 4 ( a m k ) 。 维恩位移定律表明，黑体光谱辐射出射度峰值对应的峰值波长丸与黑体的绝对 温度t 成反比。由此可以计算出，一般室温( 3 0 0 k ) 下的黑体，其辐射峰值为9 7 a m ， 集中在8 - - 1 2 a m 之间。 基尔霍夫定律 4 1 ： 实际物体在指定温度t 时的辐射量与同温度黑体的相应辐射量的比值定义为物 体的发射率( 也叫比辐射率) 。根据基尔霍夫定律，物体的辐射出射度m ( d 与发射率 占的比值等于同一温度下黑体的辐射出射度蚝( r ) ，表达式为： 弘器 搬5 ) g = _ 二二 j 瓦1 2 1 m 也q 、) 、1 由上可知，只要知道了某物体的发射率，利用黑体的基本辐射定律就可找到该 物体的辐射规律，计算出其辐射量。 基尔霍夫定律不仅把物体的发射与吸收联系起来，还指出了一个好的吸收体必 然是一个好的辐射体。根据基尔霍夫定律和发射率定义可知，物体的发射本领( 发射 率) 与吸收本领( 吸收比) 相等， = 口 式( 2 。6 ) 一般发射率不易直接测定，故常可以通过测量吸收系数口的值来确定发射率的 值。 探测器的响应率定义为单位辐射功率入射到探测器上产生的信号输出【5 1 。红 外探测器接收入射的辐射功率，并根据其响应率将该辐射功率转化为电信号。当输 出电信号是电压时，用公式表示为【5 】： r ：兰 p 式( 2 7 ) 上式中，r 为探测器的响应率，p 为入射的辐射功率，v s 为转化的电压值。在 5 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 探测器的工作波段内，其响应率是只与吸收的辐射功率有关，而与波长无关的常数， 因为其温度的变化只取决于吸收的能量。不同的探测器其响应率不同，具体值参考 探测器的手册。 由上述可知，通过探测器输出的电压值v 及其响应率可得到所测物体入射到探 测器的辐射功率，然后根据基尔霍夫定律可得与所测物体同温度黑体的辐射功率， 进而通过普朗克黑体辐射定律得到此时的温度t ，最终建立v 与t 的映射关系。将 电压值v 数字化后表示为v d ，则可以得到整个系统的温度标定查找表t b 。测量温 度时，以v d 为索引，找出相应的温度。具体的推导过程及牵涉的其他定律不再一 一赘述。 2 1 2 红外热像仪的组成及各部分功能 普通照相机是一种可见光成像装置，它的成像原理基于目标表面的反射和反射 比的差异，但红外热像仪与此不同，其利用目标与周围环境之间由于温度与发射率 的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热 像 。由于人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光转变为可见光 的功能，将红外图像变为可见图像。在红外热像仪中，红外图像转换成可见光图像 分两步进行：第一步是利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变为电信号， 该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱；第二步是通过信号处理系统将反映目标 红外辐射分布的电子视频信号在显示屏上显示出来，实现从电到光的转换，最后得 到反映目标映像的可见图倒卯。红外热像仪结构如下图所示。 + 红外辐射 + 图2 1红外热像仪结构图 各部分的功能分别为： 红外光学组件：重新改善光束的分布，以便更有效地利用光能。其大幅提 高灵敏面上的照度，经过光学系统的入射照度比入射到光学系统表面上的照度高出 若干倍，提高了仪器的信噪比，增大了系统的探测能力。 红外探测器：红外探测器是红外热像仪的核心器件。光学系统把被测物体的 红外辐射传递到红外探测器的光敏元上，红外探测器对接收到的被测物体的像进行 6 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 合成与分解，完成视场内图像的扫描取样，同时也通过光电效应将入射辐射转换为 电信号，成像装置的输出可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布【5 】。 另外为了降低热噪声，屏蔽背景噪声，提高探测器的信噪比和探测率，得到较短的 响应时间，红外探测器元件必须具有较低的温度。焦平面探测器按其制冷方式分为 制冷型和非制冷型。以非制冷型微型辐射热量探测器为例，这种探测器的工作原理 类似热敏电阻，即探测器通过吸收入射的红外辐射使自身的温度升高，从而导致探 测器阻值发生变化，在外加电压的作用下可以产生电压信号输出。 信号处理模块：在红外热像仪中，探测器输出的电信号非常微弱，一般仅 为微伏量级，因此需要经过放大和交换处理，以使其能反应各部分之间的温差。同 时，在实际应用中，被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱， 与可见光图像相比，缺少层次和立体感，并伴有图像的串扰和畸变，因此，为更有 效地判断被测目标的红外热分布场，需采取去噪、校正和伪色彩描绘等图像处理技 术【5 】，具体工作流程如下图所示： 图2 2 红外图像数据处理流程 1 ) 物体发出的红外热辐射经红外光学组件聚焦到红外焦平面阵列上，再由红外 焦平面阵列将红外辐射转换为电信号，经信号预处理电路滤波、放大送入a 仍转换 器进行模数转换，转换后的红外图像数据为一个灰度矩阵g 1 。 2 ) g 1 灰度图像不仅包含物体的图像信息，还伴有诸如热噪声、散粒噪声、光子 电子涨落噪声等分布复杂的多种噪声，使得红外图像的信噪比低于普通图像，因此 需要对图像进行消噪处理，得到g 2 。 3 ) 由于红外热探测器各探测单元的响应特性的不一致，造成红外图像的非均匀 性，使得图像的固定图案串扰和畸变。所以在红外图像处理过程中，必须对每帧图 像中的每个像素进行非均匀性校正处理，才能得到较好的显示效果。 4 ) 红外图像的灰度值非常集中，其动态范围很小，导致图像的对比度偏低，图 像边缘模糊、可见度差。为了增加图像的对比度就需要对灰度图像进行灰度拉伸， 将较小的动态范围拉伸至较大范围之内。 5 ) 人眼对色彩变化的敏感度要远远大于对灰度变化的敏感度，色彩丰富的彩色 7 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 图像可以给人以更直观的显示效果，因此，为了提高图像对人眼的分辨率，增加图 像的色彩和立体感，而对灰度图像采取伪彩处理以将原本为灰度图像的红外热图按 指定的方式变化为彩色图像。 6 ) 红外热像仪除了呈现热图像外，还具备测温功能。而经过消噪和校正后的灰 度图像，其每一个点的灰度值与被测物体上该点发出的并到达光电转换器件的辐射 能量很好的对应起来。因此，在此处进行对温度的测量。 2 1 3 红外热像仪的优点 红外热像仪具有下列优点【6 】： 直观地显示物体表面的温度场：热像仪不但能显示物体表面某一小区域或 某一点的温度值，还可以同时测量物体表面各点温度的高低红外，并以图像形式显 示出来。 温度分析率高：红外热像仪可以同时显示出两点的温度值，并且能准确区分 很小的温差，甚至可精确至1 。 可采用多种显示方式：红外热像仪输出的视频信号包含目标的大量信息， 可用多种方式显示出来。例如，对视频信号进行假彩色处理，便可由不同颜色显示 不同温度的热图像；若反视频信号进行模数转换处理，即可用数字显示物体各点的 温度值。 可进行数据存储和计算机处理：红外热像仪输出的视频信号，可用数字存 储器存储，或用录像带记录，这样既可长期保持又可用计算机作运算处理。 红外热像仪能非接触、快速地对运动目标和微小目标测温。 因此，热像仪作为一种红外成像仪器，不但在军事应用中占有很重要的地位在 民用方面也具有很强的生命力。 2 2 红外热像仪在电力行业的应用 在电力系统中，由于电能生产、输送、分配和使用的连续性，对系统中设备的 安全运行要求更高，一个环节发生事故，都会造成重大经济损失和人员伤亡。运行 良好的电力设备按其基本结构特点，一般都伴随着正常的温升及热分布，然而具有 某种缺陷的电力设备在运行中将出现异常的温升及热分布。因此，可以从温升及热 分布正常与否来判断某台设备有无缺陷。利用红外热像仪对设备进行红外成像，将 物体发出的红外辐射转变为可见的热分布图像，通过观测物体红外辐射图像的变化 了解物体的温度分布变化，进而发现物体特性上的一些异常变化，由此可以分析判 断设备可能存在的各种故障缺陷，对于及时发现、处理、预防重大事故的发生可以 8 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 起到非常关键而有效的作用。 由于红外线诊断技术对保证电力安全生产和提高可靠性方面取得了明显的效 果，同时其经济效益十分显著，据美国有关应用部门统计，利用红外线检测电力设 备的投入产出比达到1 ：1 9 以上，所以目前该技术在国外的一些电力部门应用已很 广泛。1 9 9 0 年，国际大电网会议( o g r e ) 上，对红外线诊断技术给予了足够的重视 和充分的肯定。1 9 9 3 年，美国动力会议上，底特律爱迪生公司和伊利诺依州电力公 司都分别介绍了在架空线路、变电站和发电厂中应用红外线热像技术检测电力设备 的最新经验，红外诊断技术已成为电力设备检测、普查、及时发现隐患、即时抢修 杜绝恶性突发性设备事故的一种手段 7 1 。 鉴于红外诊断技术的重要性，我国国家电力公司制定并公布了基于相对温差法 的d l t - 1 9 9 9 带电设备红外诊断技术应用导则，我国的红外诊断技术有了对应的 标准。但由于我国红外成像研究起步较晚，基础理论研究和材料工艺比较落后，所 以目前国产的红外焦平面阵列探测器和红外成像系统整机的性能与发达国家相比还 有一定差距，因此，红外热像仪在我国电力检测的应用尚处于起步发展阶段。 电力系统产生温度异常的原因是多方面的，其主要原因是设备内外接触不良， 也有相当一部分是因内部受潮使绝缘体劣化造成。当设备通过电流或施加电压时， 只要其表面出现温差，就可用红外热像仪检测诊断出来。目前，红外诊断技术在电 力系统中的应用主体包括：发电机组、输电线路接头、绝缘部件、变压器绕组及油 冷系统、输配电线路熔断器回路、隔离开关、断路器、转换开关和终端装置、电路 分配调度中心、控制台、配电盘等。在电力检测中遇到的故障缺陷主要分为以下几 类【8 】： 接触不良性缺陷：在电力检测中，遇到最多的就是这种接触不良的电阻性缺 陷。这种缺陷主要包括有：发电机定子绕组端部焊接不良或断股，电机炭刷与集电 环接触不良，变压器、电抗器的导体外部接触不良，高压断路器的触头接触不良， 电流互感器内部连接件接触不良，电力电缆出线接头质量不良等。这类缺陷的热像 特征均是以接触不良或质量问题处为中心的热谱图，比较容易判断。带电设备红外 诊断技术应用导则提供了典型图谱和判别缺陷的依据。 涡流损耗引起的发热：由涡流损耗引起的发热主要包括变压器或电压互感器 机壳或部分连接螺杆受漏磁引起的发热，高压穿墙套管支撑板未开缝引起的涡流发 热、电机定子铁芯局部短路引起的发热，其热像特征表现为以漏磁穿过而形成环 流的区域为中心的热谱图，在变压器外壳上表现尤其明显。 冷却装置或油路系统故障：使用红外热像仪，可以很容易检测出冷却装置和 油路系统故障。常见的油路系统故障主要包括：变压器或电抗器的潜油泵过热，油 枕缺油或假油位，管道堵塞或阀门未开，油枕内有积水，各种高压电气设备套管缺 9 重庆邮电大学硕士论文第二章红外热像仪的原理及在电力行业的应用 油等。这类缺陷的热像特征图也是比较明显的。无热油循环的部分会呈现明显的低 温区，缺油的套管与油枕会有明显的油气分界面。 绝缘缺陷：一般的绝缘缺陷热像表现并不是很明显，其规律也不尽相同。一 般说来，当高压套管或电缆的绝缘出现受潮、劣化时，绝缘温度会偏高，这需要针 对设备的具体情况，综合分析、比较。对于绝缘子，当绝缘子的绝缘电阻值降至 3 0 0 - - l o m 欧时，绝缘子温度升高，其热像特征是以铁帽为中心的热像图；当绝缘 子阻