（机械工程专业论文）基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 在工程实践中，机械设备由于长期运行及工作环境恶劣，事故频发，不仅造成设备 损坏，影响正常生产，也对作业人员的人身安全造成了严重的威胁。为了确保机械设备 的安全，事前的故障诊断是非常重要的。随着科技进步，红外热成像技术得到了充分的 发展，其应用方面也越来越广泛，特别是对于机械设备潜在故障的诊断，红外热成像技 术具有安全性高、非接触性和无需停止设备就能进行检测等诸多优点。以红外热成像技 术为基础的机械设备潜在故障诊断成为一个非常有意义的研究方向。 红外热成像技术在实际中的应用首先是通过红外热像仪采集机械设备的红外热信 息，再进一步对红外热信息进行分析就可以对设备的潜在故障进行诊断。本文在红外热 辐射的基础上引出红外热成像诊断的基本原理，利用红外热成像技术对机械设备潜在故 障进行分析、诊断。具体内容包括机械设备红外图像的采集和故障诊断两大方面。红外 图像采集方面，对影响红外图像采集的因素进行了分析研究，制定了相应的措施，为提 高红外图像采集的准确性提供了重要的依据；故障诊断方面，首先利用专业软件提取热 像仪采集的红外热信息，再通过故障诊断系统对红外热信息进行判断，确定机械设备的 工作状态，同时诊断系统也可对设备潜在故障进行原因分析和制定对应的措施。论文的 最后以工程实际中的机械设备红外诊断为例，分析研究了红外热成像技术的具体应用。 本文的红外图像的采集和故障诊断系统，在实践应用中取得了良好的效果。通过红 外热成像诊断，能够及时发现设备中潜在的故障，通过事前采取相应的措施，避免了设 备发生故障；同时通过对设备红外图像的分析，可以充分了解设备的工作状态，实际作 业中可以适当调整设备的维护保养时间和项目，提高了设备的有效利用率，降低了维护 方面的成本。本文的故障诊断系统与生产实际相结合，具有很强的可操作性，提高了设 备潜在故障诊断的可靠性，降低了设备故障的发生概率。 关键词：红外热成像技术；红外图像的采集；故障诊断 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 p o t e n t i a lf a u l t sa n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no f m a c h i n e r y b a s e do ni n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u e a b s t r a c t i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，a c c i d e n t so fm a c h i n e r yh a p p e n e dal o td u et ot h el o n gr u n n i n g a n dp o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t i tn o to n l yd a m a g e sm a c h i n e r ya n da f f e c t sp r o d u c t i o n ，b u t a l s op o s e sas e r i o u st h r e a tt oh u m a ns a f e t y i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fm a c h i n e r y ，t h e i m p o r t a n c eo fd i a g n o s i n gi na d v a n c ei so b v i o u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ， i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u eh a sb e e nf u l l yd e v e l o p e da n dw i d e l ya p p l i e d ，e s p e c i a l l yi n t h ef i e l do f p o t e n t i a lm a c h i n e r yf a u l t sd i a g n o s i n g i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u eh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs a f e t y ，n o n c o n t a c ta n dn o s t o p p i n gd u r i n gt h ep r o d u c t i o n t h e s t u d yo np o t e n t i a l sf a u l t sd i a g n o s e so fm a c h i n e r yb a s e do ni n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u e i sq u i t em e a n i n g f u l i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u ei np r a c t i c ei sa p p l i e dt oa c q u i r ei n f r a r e di m a g e s ，a n d t h e ng e tt h ed i a g n o s i so fp o t e n t i a lf a u l t st h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f r a r e di m a g e s t h i sp a p e r d e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fi n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gd i a g n o s i n go nt h eb a s i so fi n f r a r e d t h e r m a lr a d i a t i o na n de x p l a i n si n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gd i a g n o s i n go fm a c h i n e r y i ti n c l u d e s t h ea c q u i s i t i o no fm a c h i n e r yi n f r a r e di m a g e sa n dd i a g n o s i so fp o t e n t i a lf a u l t s a st oi m a g e a c q u i s i t i o n ，t h i sp a p e rl i s t so u tf a c t o r st h a tm a ya f f e c tt h ei n f r a r e di m a g ea c q u i s i t i o nf i r s t ，a n d t h e ni m p l e m e n t sc o r r e s p o n d i n ga c t i o n s t h i sp r o c e s si sq u i t ei m p o r t a n tt oi m p r o v i n ga c c u r a c y o fi n f r a r e di m a g ea c q u i s i t i o n i nf a u l t sd i a g n o s i sa s p e c t ，t h i sp a p e rf i r s tu s e sp r o f e s s i o n a l s o f t w a r et oa c q u i r ei n f r a r e di m a g e sf r o mt h ei n f r a r e da c q u i s i t i o nd e v i c e ，a n dt h e na n a l y z e s t h ei m a g eu s i n gt h ed i a g n o s i ss y s t e mt og e tt h em a c h i n e r yw o r k i n gs t a t u s ，m e a n w h i l e ， a n a l y z e st h ep o t e n t i a lf a u l t sa n ds o l v e st h e m t h el a s tp a r to ft h i sp a p e rt a k e si n f r a r e di m a g e d i a g n o s i so fm a c h i n e r yi np r a c t i c ea se x a m p l ea n dp r e s e n t st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u e t h ei n f r a r e di m a g ea c q u i s i t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e mp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a sg o tg o o d r e s u l t si np r a c t i c e i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i cd i a g n o s i st e c h n i q u ec a nh e l pw o r k e r sf i n dp o t e n t i a l m a c h i n e r yf a u l t si na d v a n c ea n dt a k ea c t i o n st oa v o i dp r o d u c t i o nh a l t b e s i d e s ，w ec a nf u l l y s u p e r v i s et h ew o r k i n gs t a t u so fm a c h i n e r yt h r o u g ht h e s ei n f r a r e di m a g e ss ot h a tt oe n h a n c e u t i l i z a t i o no fe q u i p m e n ta n dr e d u c em a i n t e n a n c e sc o s t sb yf l e x i b l ea d j u s t m e n ti nm a i n t a i n i n g t i m ea n di t e m s f a u l t sd i a g n o s i ss y s t e mp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a sb e e na p p l i e di np r a c t i c a l i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 o p e r a t i o n ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o t e n t i a lf a u l t sd i a g n o s i sa n dr e d u c i n gt h eo c c u r r e n c e p r o b a b i l i t yo fe q u i p m e n tf a u l t s k e yw o r d s ：i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ct e c h n i q u e ；i n f r a r e di m a g ea c q u i s i t i o n ；f a u l td i a g n o s i s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王红之i 垫盛倦挞盔的狃撼遮叠澄奎敛瞳佥堑复廑周 作者签名： 壶l 翅二垒日期：丝年上月立日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：兰竺f 翌年上月- 生日 日期：呈翌! 竺年l 月鱼l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 随着科学的发展和技术的进步，现代化水平日益提蒯1 1 。机械设备的工作强度不断 增大，生产效率、自动化程度也越来越高。同时设备也变得更加复杂，各个部分的关联 性也愈加密切，往往某处微小的故障就会导致一系列的连锁反应，轻则导致部分部件受 损，重则导致整个设备损坏或人员伤亡等重大的事故。不仅造成经济损失，而且也影响 企业的正常运行和员工的人身安全。因此，在安全管理上，对于设备的缺陷、故障的检 测和诊断技术日益获得重视和发展【2 j 。机械故障诊断技术是指通过对设备在运行中( 或 相对静态条件下) 状态信息的处理和分析，结合诊断对象的历史状况，识别设备及其部 件的实时技术状况，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状况，从而确定必要对策 的技术1 3 j 。为了进行机械设备的故障诊断，就需要了解设备的工作状况，而实际上设备 的故障绝大多数都以局部或整体过热或温度分布异常为特征，以此对应的是红外图像的 变化，因此通过对设备的红外图像分析和研究就可以对设备潜在的故障进行诊断。 红外热成像技术是近年发展起来的一种新的无损检测方法，实际的应用是通过红外 热像仪探测出物体表面温度分布，从而判断设备的工作状况。它是一种全新的、灵敏的 检测方法，具有无损、快速、非接触等优点。近年来红外热像仪作为一种非破坏性检测 技术，得到了广泛的应用1 4 , 5 】。现在已经在电力、冶金、石油化工、建筑、交通等众多领 域发挥着重要的作用。红外热像仪是基于红外热成像技术将设备的热信息瞬间可视化的 设备，通过红外热像仪可以方便的获取设备的红外图像，利用专业的软件，使检测人员 能够充分了解设备的温度分布信息，从而为掌握设备的工作状态、有效的发现和诊断设 备的潜在故障提供了必要的保障。再依据具体的问题事前采取相应的措施，可以起到降 低设备的突发性故障，确保设备的正常工作的作用。目前，红外热像仪在设备的预防性 维护、故障的事前检测等方面发挥了巨大的作用。 1 1选题背景 近年来，我国因机械设备故障，频发重大的安全事故，造成了大量的国家财产损失， 同时也给人民的生命构成了严重的威胁。因此确保机械设备的安全运行，受到了人们的 极大关注，也成为实际生产中必须解决的问题。 目前，我国大多企业为了确保设备的安全运行，都定期停机进行维修和检测，这在 一定程度上减少了设备发生故障的概率，提高了运行的安全系数，延长了设备的使用年 限。但随着对设备故障的研究水平的提高，人们又逐步认识到停机进行维修和检查存在 着一定的缺陷，一些潜在的故障在停机状态下难以发现，并且也存在着一些不必要的维 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 修和检测，不仅浪费了时间，也造成了维护成本的浪费。同时，在进行定期的维修检测 过程中，也可能因人为因素造成了一些新的故障和隐患。因此，将预防性定期停机维护 和检测过渡到“在线状态检测 已经成为提高生产率的一条重要途径，也符合现代设备 管理的需要1 6 1 。随着红外热成像技术的发展，基于红外热成像的设备在线检测得到了普 遍的应用，其应用方面越来越广泛，特别是对于机械设备的潜在故障检测，红外热成像 具有非接触、快速、安全、大面积扫描和不需停机就能进行检测等诸多优点，通过红外 热像仪获取的设备红外图像为基础的事前故障诊断成为一个非常有意义的研究方向。 1 2 国内外的研究现状 红外热成像检测也称为热无损检测( t h e r m a ln o nd e s t r u c t i v et e s t i n g ，t n d t ) ，是 建立在传热学理论上的一种方法。由于检测面积大、速度快、检测范围广，对检测物体 无任何影响，所以红外无损检测的应用越来越广泛1 7 j 。在国外，早在1 9 4 9 年l e s l i e 等人 就首次提出利用红外技术探测高压输电线路过热接头的思想，并描述了利用电阻测辐射 热计制成的红外辐射计探测过热接头的具体方法。此后，随着红外探测元器件和仪器系 统的发展，1 9 6 5 年开始应用较先进的红外辐射热像仪测量工业及输热管道温度，检测电 动机、变压器和电缆等设备过热接头，从此，正式开辟了应用红外热像仪检测设备热故 障的新领域，并在此基础上，不断改进和完善红外热像仪，扩大使用范围，逐步提高在 实际中的使用效果瞵j 。此外，2 0 世纪6 0 年代初还研制了利用蒸发照相原理工作的红外 成像仪，迈出红外成像探测的第一步。随着红外行扫描器和军用光机扫描式红外前视系 统的迅速发展与逐步完善，很快诞生了民用光机扫描式红外热像仪代替了蒸发照相原理 的红外成像仪。接着，一些国家迅速把它应用于电力设备众多裸露电气接头及各种高压 电气设备故障的检测和输热管道漏热检测。而近年来美国多家大公司( 如：g e 、g m 、 波音、福特、洛克希德、西屋等) 及政府机构( 如：n a s a 、f a a 、空军、海军) 等已 经在广泛应用和推广该项技术【9 j 。 我国红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展远滞后于国外， 而市场需求却持续强劲，无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间【l o l ，但近几年发 展很快。大体上，国内设备故障红外诊断的发展可归纳为如下几个阶段： 第一阶段 第一阶段( 1 9 8 6 年以前) 为调查研究、基础研究和可行性试验阶段。早在6 0 年代 前半期，国内一些电力研究院所就力图开展红外诊断研究，进行了广泛的调查研究工作。 但是，由于种种原因，花费近十年的时间也未取得明显进展。随着国内红外技术的发展， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 7 0 年代中期，前东北电力技改局电网调度研究所和华东电管局电力中心试验所等单位， 一方面研制适用于电力设备故障监测的红外辐射测温仪，另一方面也着手进行了电力设 备热故障的检测试验。与此同时，原水电部西安热工研究所等单位，开始了光机扫描式 红外热像仪的研制和输电线路劣化绝缘子的红外监测试验研究，都取得了良好的效果， 及时发现和排除了不少事故隐患，有效地防止了一些重大事故的发生。高等院校也进行 了某些基础研究工作。但是，这个阶段的主要特点是：使用的检测仪器以红外辐射测温 仪为主，检测的对象以外部裸露的电气接头过热故障为主。 第二阶段 第二阶段( 1 9 8 7 1 9 9 1 ) 为航测试验阶段。这个阶段的特点是：为改善电力设备故 障红外诊断的技术装备条件，首先在几个电力中试所开始引进国外较先进的红外热像 仪；主要检测对象除仍以电气设备外部裸露接头热故障为主以外，着重对高压输电线路 导线连接件及劣化线路绝缘子进行直升飞机红外航测试验研究，并取得了不少成功的经 验。除此以外，对高压电气设备内部故障的监测也做了一些工作。国内专业红外科研单 位，积极进行光机扫描红外热像仪和红外热电视的研制，并有多种样机通过有关部门的 鉴定。 第三阶段 第三阶段( 1 9 9 2 1 9 9 5 ) 为生产性试验阶段。这个阶段的特点是：第一，除专业电 力科研单位以外，有些生产单位( 供电局) ，看到了红外诊断的技术潜力，开始购置仪 器进行现场生产性检测试验。第二，电力工业部西安热工研究院和一些省电力中试所， 把以往只对电气设备外部裸露接头故障诊断的研究，扩展到对各类高压电气设备内部故 障诊断的研究。通过理论分析、模拟试验和大量现场监测结果的统计分析，搞清了各类 电气设备内部故障的红外热成像特征，为在生产实践中推广红外诊断技术奠定了可靠的 基础。第三，在检测手段上，更多地购置了先进的红外热像仪，并且，国产红外热电视 也开始试用，并在基层单位取得了一席之地。 第四阶段 第四阶段( 1 9 9 6 至今) 为应用、推广和建立诊断标准阶段。这个阶段的重要特点 是得到各级领导的重视，行业主管部门开始以行政手段推广应用红外诊断技术，各网省 局普遍投资购置红外诊断仪器，并着手制订电力设备故障红外诊断的行业标准。为更好 地规范和指导红外热成像技术在电力工业中的应用，在对一些设备的典型故障进行现场 实测和模拟试验的基础上，国家经贸委1 9 9 9 年颁布实施了“带电设备红外诊断技术应 用导则 ( d l t 6 6 4 1 9 9 9 ) ，其中包含有4 0 幅典型故障的热像图谱【l 。 一3 一 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 虽然红外诊断技术在我国电力行业的发展取得了可喜的进步，但在设备诊断工程学 的角度来看，当今的设备故障红外诊断技术水平还处于经验层次的初级阶段。因此，为 了促进红外诊断技术的迅速发展，今后主要以诊断标准化、诊断数学、诊断智能化的方 向进行研究。另外红外自动诊断检测技术还不成熟，大多依靠人工手持红外热像仪来判 断故障。 1 3 课题的研究内容和意义 与其它的无损检测方法相比，红外热成像技术的特点有【1 2 j ： ( 1 ) 测量速度快。因为红外探测器通过物体表面发射的红外辐射能来测得物体表 面的温度，所以响应极快，能测得迅速变化的温度场。 ( 2 ) 非接触性。拍摄红外图片时，红外摄像仪与被测物体是保持一定的距离的， 对被测温度场没有干扰，操作安全、方便。 ( 3 ) 测量结果直观形象。热像图以彩色或黑白的图像形式对结果进行输出，从图 上可以方便地读取各点的温度值，并且热像图中还包含有丰富的与被测物体有关的其它 信息。 ( 4 ) 测温范围广。由于是采用辐射测温，与玻璃测温计和热电偶测温计相比，测 温范围大大扩展，理论上可从绝对零度到无穷大。 ( 5 ) 测量精度高。 ( 6 ) 易于实现自动化和实时观测。 本文研究的主要内容是基于红外热成像技术，利用红外热像仪对设备的潜在故障进 行诊断、分析并通过采取相应的措施，提高设备正常运行时间，减少停产事故和维护成 本。通过对机械设备进行红外检测，收集其红外热辐射图像，针对不同部位的红外图像 信息进行分析研究，确定其潜在的故障。通过对设备事前的故障诊断，能够及时发现设 备中潜在的问题，避免发生事故造成设备损坏和影响企业的生产。同时，通过红外热成 像诊断可以充分掌握设备的工作状态，对于不存在故障隐患、运行良好的设备，可以减 少其不必要的维修保养，节约时间和设备的维护成本，提高了设备的有效利用率。 本文主要拟通过以下几大方面对机械设备进行红外诊断，通过对红外诊断能够充分 了解设备的运行状态，找出设备潜在的故障，有效的将事故防患于未然。 ( 1 ) 机械设备红外图像的获取 在设备红外图像的获取中需要考虑各方面因素的影响，尽量降低外界因素的影响， 最大程度真实的反映出设备的红外热信息。同时，受技术条件和外界因素的影响，在进 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 行设备红外图像的获取过程中要充分考虑时间、环境等多方面因素，避免发生较大的误 差或无法获取正确的红外图像。 ( 2 ) 红外热信息的处理及分析 红外图像是反映设备状态的基本信息，通过专业软件的处理，可以充分了解设备的 温度分布状况。另外，在软件的处理过程中要充分考虑到设备表面发射率等方面的参数 影响，同时通过软件掌握设备各部分的红外分布状况图也是掌握温度分布状况不可缺少 的。再通过建立的故障诊断数据库对温度的状况进行诊断，解析出潜在的故障。 ( 3 ) 潜在故障的处理 故障诊断数据库不仅可以分析设备潜在的故障，同时也能分析出导致故障的原因、 可能导致的危害和应采取的措施。根据实际状况可能需要停机进行维修、更换零部件或 加强监控等。同时对于现状还不需进行维护的地方，通过定期的红外诊断，能充分了解 设备的状态，可以有效的发挥设备的效率、降低维护方面的成本。 通过对机械设备的红外诊断，可以充分了解机械设备的工作状况，避免了设备故障 带来损失的同时，也降低了不必要的维护成本。其主要意义有： ( 1 ) 通过对设备的检测，能够及时发现异常状态，减少和避免重大事故发生，不 仅能获得巨大经济效益，而且能获得很好的社会效益。 ( 2 ) 通过对设备工作状况的检测，可以充分掌握设备的状态，减少维修时间，降 低维修费用，提高生产效率和经济效益，避免“过剩维修”，防止因不必要的拆卸使设 备精度降低，延长设备寿命。 ( 3 ) 通过对建立的设备故障诊断系统，规范了设备从红外图像获取到故障的具体 判别依据。 本文拟通过红外诊断，加强以上方面的设备管理，预防事故于未然，降低设备的维 护时间和成本，确保设备的正常运行。 1 4 总体框架 本文的内容是以机械设备的红外热图像的获取、处理为基础，通过红外图像分析设 备潜在的故障，及时采取相应的对策，通过事前预防等方法，降低设备的故障率，确保 设备的安全。同时，也可以为制定设备的维修保养计划提供重要的参考依据，降低企业 的维护成本和维护时间。本文的结构安排如图1 1 ，主要内容包括以下方面： 第一章是引言部分，主要介绍该课题的背景及国内外的研究现状。 第二章介绍红外热成像技术与红外诊断理论。 一5 一 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 第三章是对机械设备的红外图像与潜在故障诊断进行具体的研究，主要包括如何提 高红外图像的获取精度和如何对红外图像进行处理和分析。 第四章则是红外热成像技术在实际中的具体应用实例分析。 结论部分是对全文的总结及以后工作的展望。 图1 1 论文的结构 f i g 1 1 f r a m e w o r ko ft h et h e s i s 一6 一 一_一_。一。_，一。一。 一 一究析 一 一 一 一开一兮一 一 | 蓦赢一 | |二竺竺竺 一 面石磊一 一 一上，匿岢 一 一 一忙一十一参一 一 瓦磊蒜一 舱一撇一撇一撇一论 绪红机一机一 一 - 一 一 一 一 匕 ，一234结一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 红外热成像技术与红外诊断理论 2 1红外热成像的基本原理 红外热成像技术是研究物体红外辐射的产生、传递、转换、探测并实现在实际工作 应用中的一门技术。当物体受热时，其分子内原子的相对振动，分子的转动以及晶体中 原子的振动均随温度升高而加剧。受热使物体内的原子或分子从受热中获得能量，从低 能态跃迁至高能态，在回到低能态的过程中发射出多种频率的辐射能，这类辐射称之为 热辐射，热辐射是一种电磁波l l 引。在自然界中任何温度高于绝对零度( 2 7 3 1 5 ) 的物 体都是红外辐射源1 1 4 1 。因为，这种红外线辐射载有物体的特征信息，这就为利用红外热 成像技术诊断机械设备潜在故障提供了客观的基础。 红外热成像技术利用红外探测器将不可见的红外辐射转换成可见图像，通过对设备 表面温度场进行测定，进而评估其状态。热成像技术的发展与红外探测器技术的发展密 切相关，红外探测器技术的发展经历了从单元到多元、致冷到非致冷的发展过程，探测 技术的每次进步都在不同程度上推动了热成像技术从一个台阶跃进到另一个新高度【l5 1 。 红外辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射的能量愈大，表明物体的表面温度愈 高。反之，表明物体表面的温度愈低。温度是反映物体冷热程度的物理量，温度的数值 是通过温标来表示的，有了温标，物体的冷热程度，才能准确客观地表示出来。 通常机械设备在发生故障前往往相关部位的温度会出现异常的变化，因此，通过监 测设备的这种温度异常状态的变化，就可以对设备的工作状态进行了解，从而确定设备 中潜在的故障。设备故障红外诊断的前提，是用红外方法监测设备运行状态的变化及故 障信息。运行良好的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 当设备潜在故障时在运行中将出现异常的温升及热分布。因此我们可以从温升及热分布 正常与否来判断设备是否潜在故障。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，从而获得设备的温度及热分布，即设备的热图像， 通过这种热图像的变异，可以分析、判断设备中可能存在的各种故障。 2 2 红外热成像技术的依据 红外线是一种电磁波，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃。利用某种特殊 的电子设备将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示出物体表 面温度分布的技术称之为红外热成像技术，而这种电子设备就称为红外热像仪。 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 目前，红外热像仪在军事和民用方面都得到了广泛的应用。随着热成像技术的成熟 以及各种低成本适用于工业是用热像仪的问世，它在国民经济各部门发挥的作用也越来 越大。在工业生产中，许多设备常处于高温、高压和高速运转的状态，应用红外热像仪 对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能及时发现异常情况，事前 排除潜在的安全隐患。同时，利用热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。此外， 红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。 工业设备的红外检测，实质上就是对设备发射的红外辐射进行探测及其显示处理的 过程。通常一台新设备在最初几个小时或几周运转时间内出现故障的可能性非常高，这 些故障通常是由制造或安装问题引起。过了这段初始时期之后，在较长时间内出现故障 的可能性相对较低。在此正常运转期之后，出现故障的可能性会随着机器运转时间或小 时数的增加而急剧增加。图2 1 为机械设备的平均无故障时间曲线，通过红外热成像技 术不仅可以有效地确定设备的异常状态，还可以确定设备的故障状态点，通过润滑、维 修或改制等手段可以适当延长设备的使用寿命。 故 障 次 数 正常寿命 设备损坏 图2 1机械设备的平均无故障时间曲线 f i g 2 1 m t b fc o j v eo fm a c h i n e r y 时间 当机械设备出现的故障一旦能够以温度变化特征表现出来时，则通过探测设备就可 以获得其红外相关的信息。因此，为了研究机械设备的红外探测，首先应掌握物体发射 红外辐射的基本规律【1 6 ，l r l 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁辐射。任何物体在常规环境下都会产 生自身的分子和原子的无规则运动，并不停的辐射出红外能量。分子和原子的运动越激 烈，辐射的能量越大，反之，辐射的能量越小。当红外辐射投射到物体表面时，和可见 光一样，会发生吸收、反射和透射。图2 2 为红外辐射到物体表面后的能量分布状况。 在投射到物体表面上的总能量q 中，一部分g 被物体吸收，另一部分。被物体反射， 其余部分9 穿透过物体。根据能量守恒定律有： q = q + 绋+ g ( 2 1 ) 其中，各能量的百分比q 饱、q p q 和9 q 分别称为该物体对投入辐射的吸收比、 反射比和透射比，记为a 、和) ，则有： 口4 - + 7 = l( 2 2 ) 人们把吸收比a = l 的物体称为黑体，它能够吸收所有方向和波长的辐射能。黑体只 是一种理想化的物体，自然界中并不存在，但却是辐射理论分析的基础。 红外辐射 厂_ j l - 、 图2 2电磁波与物体间的相互作用图 f i g 2 2 t h ef i g u r eo fi n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i cw a v e sa n dt h eo b j e c t 2 2 1 黑体的红外辐射规律 研究物体的辐射规律，一般要先从研究黑体开始。所谓黑体，就是吸收比5 = 1 的物 体。黑体发射能量的能力比其它物体都要大，是其它发射热和光的比较基准【1 8 1 。图2 3 可视为理想的黑体辐射模型。 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 图2 3 理想黑体辐射模型 f i g 2 3 i d e a lm o d e lo fb l a c k b o d yr a d i a t i o n 黑体能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射，在任何情况下对一 切波长的入射辐射都全部吸收。因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐 射都有一定的反射( 即吸收率不等于1 ) ，所以，黑体仅是人们抽象出来的一种理想化 的模型。黑体热辐射的基本规律是红外检测研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红 外热辐射随温度及波长变化的定量关系。 ( 1 ) 黑体辐射的光谱分布规律( 量子理论) 、普朗克定律 红外检测的基本理论是基于热辐射的普朗克定律，即利用物体的辐射能与温度的关 系进行检测的一种方法。它通过扫描、记录被检测物体表面上的热特性引起的温度变化 来进行红外检测。一个绝对温度为丁的黑体，单位表面积在波长a 附近单位波长间隔内 向整个半球空间发射的辐射功率( 简称为光谱辐射度) m ( 2 ，乃与波长a 、温度丁满足下 列关系： 9 口厶p 2 1 m ( 2 ，t ) = 等赫 ( 2 3 ) t ,c一1 其中，h 为p l a n c k 常数，h = 6 6 3 x 1 0 小j s ，c 为光速，k 为波尔兹曼常数( b o l f z m a n n ) ， 肛1 3 8 0 6 x 1 0 彩j k 1 ，t 为绝对温度，聊，乃为辐射出射度。上式表明黑体辐射的普朗克 辐射定律的数学关系，它给出了黑体在温度r 时的辐射光谱分布特征。如果以不同的温 度值代入上式，则可计算出黑体在不同温度下辐射的光谱分布曲线如图2 4 所示。 由此可以看出，黑体辐射具有以下几个基本特征： 任何温度下，黑体的光谱辐射度都随波长连续变化，每条曲线仅有一个极大值。 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减少。 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提升。在任意指定波长入处，与较高温度 相对应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 波长小于波峰波长厶部分的能量约占总量的2 5 ，波长大于厶部分的能量约占 总量的7 5 。且每一曲线下面的面积等于盯矿。 波长x ( 1 a i n ) 图2 4 黑体在不同温度下辐射的光谱分布曲线 f i g 2 4 t h es p e c t r u md i s t r i b u t i o nc t l f v eo fb l a c k b o d yr a d i a t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( 2 ) 黑体辐射光谱的移动规律维恩位移定律 维恩位移定律揭示了黑体辐射光谱分布的峰值波长厶是随其绝对温度t 成反比。 其表达式： 气t = 2 8 9 7 8 , u m k( 2 4 ) 由上述公式可计算出一般室温( 3 0 0 k ) 下的黑体，其辐射峰值为9 7 9 , um ，集中在8 1 2 m 之间。 ( 3 ) 辐射功率随温度的变化规律斯蒂芬玻耳兹曼定律 斯蒂芬玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的 总辐射功率旭7 ) ( 简称为全辐射度) 随其温度的变化规律。因此，该定律为普朗克辐 射定律对波长积分得到： m ( r ) = o t 4( 2 5 ) 其中，a = 5 6 7 1 0 罐w ( m 2 k 4 ) ，称为斯蒂芬玻耳兹曼常数。斯蒂芬玻耳兹曼定律表 明，凡是温度高于绝对零度( - 2 7 3 1 5 ) 的物体，都会向外发射红外热辐射，而且，黑 体单位表面积发射的总辐射功率与绝对温度的四次方成正比。由此当物体温度发生微小 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 的变化，就将会引起物体发射的辐射功率很大的变化。因此如果能探测到黑体的单位表 面积发射的总辐射功率，就能确定黑体的温度。所以，斯蒂芬玻耳兹曼定律是所有红 外测温的基础。 ( 4 ) 辐射的空间分布规律朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律，即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2 5 所示。 此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际进行红外检测时， 应尽可能选择在被测物体表面的法线方向进行。 图2 5 朗伯余弦示意图 f i g 2 5 t h ef i g u r eo fl a m b e r tc o s i n e 2 2 2 实际物体的红外辐射规律 实际物体的辐射不同于黑体的辐射。黑体的辐射光谱和强弱与温度和波长有关，而 实际物体的辐射量还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。因此要引入一个 材料性质及表面状态变化的辐射系数，把黑体辐射的四个基本定律应用于实际物体。这 个辐射系数称之为发射率，以表示。它定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比， 或称之为比辐射率。我们不考虑波长的影响，只研究物体在某一温度下的全发射率： 占( 丁) = m ( r ) m o ( 丁) ( 2 6 ) 则斯蒂芬玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为： m ( r ) = s ( 丁) t r t 4( 2 7 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 因此，实际物体发射的总辐射功率不但与绝对温度的四次方成正比，而且还与实际 物体的发射率有关。正是该辐射系数的引入，使得黑体辐射的四个基本定律同样适用 于实际物体。 2 2 3 实际物体的红外辐射特性 红外线辐射时除了具有电磁波的本质特性以外，还具有自身两个重要的特性。 ( 1 ) 波长分布与物体表面的温度成反比 物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反 比，温度越高，辐射的波长越短；温度越低，辐射的波长越长。一般红外线可分为近红 外线( o 7 5 3 m ) 、中红外线( 3 - - 一舡m ) 、远红外线( 6 - 1 5 m ) 和极远红外线( 1 5 - - - 1 0 0 0 z m ) 。 红外辐射峰值波长与对应的温度见表2 1 。因此物体红外辐射的能量大小及波长分 布与温度有着十分密切的关系。 根据红外线辐射的这一特性，通过对被测物体红外辐射的探测，便能实现对物体进 行远距离目标表面热状态图像成像和测温，并进行分析判断。 ( 2 ) 红外辐射的“大气窗口 红外辐射电磁波在大气中传播要受到大气的吸收而使辐射的能量被衰减，但空间的 大气对红外辐射的吸收程度与红外线辐射的波长有关，特别是对波长范围在1 3 m ， 3 5 5 m 及8 l 舡m 的3 个区域相对吸收很弱，红外线穿透能力强，透明度较高，这 3 个波长区域被称之为红外辐射的“大气窗口 ，“大气窗口 以外的红外辐射在传播 过程中由于大气中存在二氧化碳( c 0 2 ) 、臭氧( 0 3 ) 和水蒸气( h 2 0 ) 等物质的分子 具有较强的吸收作用而被迅速衰减，由图2 6 可知，从可见光到1 5 m 波段大气的透射 光谱曲线可大致看出这3 个红外波段在大气中透射较好，利用红外辐射中“大气窗口 的特性，使红外辐射具备了夜视功能，并能实现全天候对目标的搜索和观察。目前红外 热像仪器使用的波段为3 5 m 和8 1 私m 。 表2 1 峰值波长和温度的关系 t a b 2 1 p e a kw a v e l e n g t ha n dt e m p e r a t u r e 基于红外热成像技术的机械设备潜在故障分析与应用 零 静 染 熠 大气吸收谱带 波长p m ) 图2 6“大气窗口”3 个波段透射率较高 f i g 2 6 ”a t m o s p h e r i cw i n d o w ”3 - b a n dt r a n s m i s s i o nr a t e sa r er e l a t i v e l yh i g h 2 3 机械设备的红外诊断 2 3 1机械设备故障的红外探测原理 红外热像仪是靠接收被测物体表面发射的辐射来确定其温度的。在实际检测时，热 像仪接收到的有效辐射包括三部分：目标自身辐射，环境辐射和大气辐射。被测物体表 面的辐射亮度为： 厶= 毛厶丑( 瓦) + 办k ( 巧) = q 厶丑( 瓦) + ( 1 一) 厶工( 乃) ( 2 8 ) 其中，第一部分为表面光谱辐射亮度，第二部分为反射的环境光谱辐射亮度。死为被测 物体的真实温度，而为环境温度，翻为表面发射率，肌为表面反射率，a a 为表面吸收率。 作用于热像仪的辐射照度为： 易= 4 , d 吨【k ( 瓦) + ( 1 一) l b 。( 巧) + k ( 乃) 】 ( 2 9 ) 其中，彳d 为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，d 为该目标到测量仪的距离， 在一定条件下，彳。沪为常值，l a 2 为大气的光谱透射率，为大气的发射率。热像仪通 常工作在3 5 t m 或8 l m 两个波段。探测器在工作波段上积分入射的辐射能，并把 它转化为一个与能量成正比的电信号。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 2 热传递的基本规律 对机械设备进行红外诊断的结果正确与否与设备外表面的温度分布密切相关，所以 有必要从理论上弄清设备故障的信息是如何通过传热过程传送到外表面。众所周知，热