熱成像系統(tǒng)是集紅外熱成像技術、紅外測溫標定技術和計算機圖象處理技術等多種高技術的綜合體。它借助于紅外熱成像技術將目標的熱輻射轉化成二維可視圖象, 利用計算機圖象處理技術和紅外測溫標定技術實現(xiàn)對物體表面溫度場分布的顯示、分析和精確測量。北方工大“智能自動化與計算機應用研究所”從事熱成像的系列產品開發(fā)研制和推廣應用已近十年，研制成功的ＢＲ型工業(yè)熱像儀、ＪＲＤ型高溫在線監(jiān)測近紅外熱電視和用于監(jiān)測多臺回轉窯窯殼溫度的熱釋電型熱電視系統(tǒng)均已通過部級鑒定，并在冶金工業(yè)系統(tǒng)中取得良好的應用效果［1］［2］。 　　任何溫度高于絕對溫度零度的物體都有熱輻射，即輻射紅外波長的電磁波，熱成像系統(tǒng)就是通過測定物體的熱輻射，用二維可視圖象顯示物體的熱狀態(tài)分布，并進行溫度測量的。著名的斯蒂芬——玻爾茲曼定律是熱輻射的理論依據，根據這一理論，物體的全波段輻射度 M 與其絕對溫度 T 的四次方成正比，即： M=σ×ε× 樝4 其中 σ=5.7×10-8瓦/米2 °K: 斯蒂芬——玻爾茲曼比例系數(shù)； ε≤1: 物體的發(fā)射率，當物體為絕對黑體時 ε= 1。 　　因此，可以通過測定目標的輻射度確定其溫度。熱成像系統(tǒng)就是通過測定目標的輻射度實現(xiàn)用二維圖像表示物體表面溫度分布的。 　　紅外輻射是波長為 0.75——1000μM 的電磁波，物體熱輻射的總能量中包含各個波長的成分，而且不同波段的輻射能量大小也不同，對應于輻射能量最大的波長稱為峰值波長，一般用 λmax表示。根據維恩位移定律: λmax = 2897 / T 式中 Ｔ- 為絕對溫度 （ °K ） ； λmax - 輻射峰值波長 （ 微米 ）。 在熱成像系統(tǒng)的設計中，要選擇與測溫范圍相適應的波段，使探測器在該波段內響應最靈敏?！　? 　　由于大氣的吸收作用，紅外線在大氣中的傳輸會產生衰減，其衰減的程度與波長有關。大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧和氧化氮等對紅外線的吸收對一定波長的吸收具有選擇性。能夠順利通過大氣的紅外輻射主要有三個波段,它們是 0.7——2.5μM （短波近紅外）、3——5μM （中波紅外） 和 8——14μM （長波紅外）。大氣對這三個波段的熱輻射接近于透明，故把它們稱為大氣窗口，這三個大氣窗口正好分別適于測量高溫、中溫和低溫范圍。紅外熱成像系統(tǒng)的工作波長大都選擇在大氣窗口內，由此，在一定距離（小于300米）內測量結果受大氣吸收的影響很小，可以忽略不計。 　　熱成像系統(tǒng)一般由紅外攝像頭、圖象監(jiān)視器、接口電路板、微型計算機、圖象處理軟件和彩色打印機等組成 （ 見圖 1 ） 。不同類型熱成像系統(tǒng)的攝象頭工作原理、性能和特點有很大差別，下面分別予以簡要介紹。 ＢＲ型工業(yè)熱像儀采用單元銻鎘汞元件，光機掃描成像，需用液氮制冷；其特點是溫差分辨率極高（可達0．1℃），但是儀器比較嬌貴，不宜作在線測溫用。工作波長８～１２μM ，測溫基本量程0～１００℃（可擴展到８００℃）。儀器設計成便攜式結構，可由蓄電池供電，它特別適于用于電力和電器設備的故障診斷。 　?。剩遥男驮诰€監(jiān)測熱電視的攝像頭采用近紅外固體電荷耦合器件 （ ＣＣＤ ）將被測目標的熱輻射變成電信號，它提供的是每秒２５幀的標準電視制式信號，可以象有線電視信號那樣用電纜長距離傳輸；工作波長為0.8～1.4 μM近紅外波段，適于測量８００—２４００℃的高溫對象；攝像頭不需致冷；能抗強磁場干擾；能工作于惡劣環(huán)境，適用于對高溫對象的非接觸測溫、溫度在線監(jiān)測或為過程控制系統(tǒng)提供溫度信息。例如軋制著的熱鋼錠、漂浮不定的爐內火焰、回轉窯中的熱熟料、流動著的熔融金屬的測溫，由于測量對象在快速運動著，不能采用接觸式的測溫方法；再者，因測量環(huán)境惡劣（高溫、煙塵、水汽）和被測對象溫度分布情況復雜，用通常的紅外測溫儀很難保證測量精度，用ＪＲＤ熱電視能完滿地完成上述任務。ＪＲＤ的攝像頭外加鎧裝保護外殼，并用正壓氣幕保護鏡頭，以防煙塵沾染鏡頭，影響精度。對于工作環(huán)境高于45℃的場合，保護殼外加冷卻水套。為適應不同現(xiàn)場的要求，用戶可選用不同視場角的鏡頭。 　　熱釋電型熱電視系統(tǒng)攝像頭的核心是熱釋電型攝像管，它有用硫酸三甘肽（TGS）制成的靶面，并高度真空，利用紅外輻射引起靶面溫度變化而產生的熱釋電效應，通過電子束掃描讀取信號。工作波長08～14 μM，量程由室溫～5００℃，不需要致冷。用于在線監(jiān)測回轉窯窯殼溫度分布，診斷窯襯耐火材料燒蝕產生的故障，如局部掉磚、剝落等等。若將攝像頭置于遙控云臺上，由計算機遙控掃描，可實現(xiàn)對安裝于同一現(xiàn)場的多臺回轉窯殼溫的在線監(jiān)測。 　　熱成像攝像頭提供的電信號經過接口電路板進入ＩＢＭ—ＰＣ４８６（或３８６）微型計算機，并在圖象監(jiān)視器上顯示出被測對象表面熱輻射強弱分布的黑白圖象。借助于熱輻射標定技術和計算機的運算能力，把熱輻射的黑白圖象在計算機屏幕上變成溫度分布的偽彩色圖象，一般用暖色表示高溫，用冷色表示低溫。借助于圖象處理功能得到一般測溫儀表不可能得到的結果，例如用圖象濾波功能消除干擾影響，求某一指定區(qū)域的最高、最低、平均溫度和溫度分布值方圖等等。還可以用彩色打印機打印出該熱像圖。 熱成像系統(tǒng)的關鍵之一是熱像圖處理軟件。我們自行開發(fā)了基于ＤＯＳ環(huán)境的和基于Ｗｉｎｄｏｗｓ 環(huán)境下（多媒體）的兩種版本紅外熱像圖處理軟件，該軟件的特點是圖象處理功能很豐富，例如可對圖象進行慮波、增強、剪裁、放大等處理，能顯示等溫區(qū)和進行區(qū)域分析等，記錄圖象上多達十個不同位置的溫度值，可存儲、記錄、打印報表等等，從而保證了系統(tǒng)有良好的性能。操作者可用鼠標器或鍵盤輸入命令，以選擇圖形標識或下拉式多級菜單的方式進行，簡化了操作。配有提示行，在線幫助和信息窗口，大大增加了其實用性。?？旎浖Y構，易于擴展。軟件用Ｃ語言編程，充分利用了Ｃ語言的軟件資源，具有良好的移植性。我們開發(fā)的熱像圖處理軟件不僅用于上述三種自行開發(fā)的熱成像系統(tǒng)，還曾經為國內外生產的多種熱成像系統(tǒng)配套。 　　熱成像系統(tǒng)是以圖象的形式顯示出溫度場的測量結果，它能提供的信息很豐富。但是一幀大小為２５６×２５６的熱像圖由6萬5千多個像素組成，需占用很大的計算機存貯空間。因此，需要解決有效的圖象壓縮和恢復方法，不僅要有較大的壓縮比，而且其結果不應影響熱像圖的測溫精度。 近年來，基于小波（Wavelet）的圖象壓縮方法受到國內外廣泛重視。小波之所以能應用于熱像圖壓縮而獲得高壓縮比，主要是在于通過對熱像圖進行小波塔式分解能把熱像圖分解成不同方向和不同頻率下的分量，能使我們能有效地對各分量進行處理，從而獲得高壓縮比。小波理論的核心是多分辨分析，多分辨分析方法為信號分析提供了一種重要途徑［4］。它的快速算法—MALLAT算法在信號分析、圖像壓縮等各方面已得到廣泛應用。MALLAT算法實際上為信號分析提供了一種具體的分解算法［5］，它可表示如下： 這里的 和 分別是低通濾波器和高通濾波器。 上面的分解算法有精確的重構算法： 　　我們很容易把上面的算法推廣到高維的情形，其中二維的情形是我們圖像壓縮的基礎。二維圖像的小波分解具體實施時可如下進行：先分別用低通濾波器和高通濾波器對每一行作濾波，并作隔點抽樣；再分別用低通濾波器和高通濾波器對得到的圖像每一列作濾波并作隔點抽樣，最后得到如圖一所示的圖像的第一層分解.它是由四個子圖像組成的，它們分別代表原圖像不同頻率特性與方向特性的濾波。我們首先對它進行三層小波分解，然后對分解后的各子圖像進行量化，本文采用的量化手段是一種迭代算法［6］，并采用如下幾種性能指標對壓縮結果進行評價：（1）壓縮比;（2）信噪比;（3）壓縮前后圖像最高最低溫度的之間的差值；（4）平均溫度誤差。我們研究的工作表明［3］，通過對熱像圖進行小波塔式分解的方法能獲得高壓縮比（可達1：20～1：50），而且其結果產生的測溫附加誤差很小。上述成果已被包含到我們開發(fā)的圖象處理軟件中，由此大大降低了貯存圖象所占用的存儲空間。 　　ＢＲ型工業(yè)熱像儀于91年6月通過部級鑒定，已擁有一批用戶，并取得良好應有效果。例如1991年在某氧化鋁廠的15天測試，取得68張很有意義的熱像圖，共查找出15處故障隱患（圖２），其中一例是測出該廠核心變電站直配母線刀閘穿心絕緣子下部壓線螺絲溫度高達166℃，經及時處理，避免了一起重大故障。又如，某冶金機電設備診斷中心１９９４年用ＢＲ熱像儀對上海市的八家冶金企業(yè)電氣設備進行了檢測，取得明顯效果。共發(fā)現(xiàn)電氣接頭有過熱現(xiàn)象的將近50處，其中較嚴重的發(fā)熱10處。由于檢測時負荷不滿，有的隱患點的溫度并不太高，但是三相接點間溫差較大，從而發(fā)現(xiàn)隱患處。熱像儀的溫差分辨率很高，圖象清晰，便于發(fā)現(xiàn)電氣故障隱患。 ＪＲＤ型近紅外高溫電視系統(tǒng)于１９９４年初研制成功，并通過部級鑒定。研究過程中曾在鋼鐵企業(yè)的熱連軋在線測溫（對象快速運動）、氧化鋁回轉窯熟料測溫（運動對象環(huán)境惡劣,圖3）和鋁電解槽火眼測溫（強磁場干擾環(huán)境）等用常規(guī)測溫方法很難工作的場合進行實驗，測試效果良好。該系統(tǒng)已在某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的“八．五”重點攻關項目中得到正式應用。通過風口直徑為１０厘米的視孔監(jiān)測燃燒過程的溫度，以達到改進工況、節(jié)能降耗的目的。由于被測溫度近２０００℃，同時存在固、液、氣三相高速回旋運動，環(huán)境惡劣，給測量帶來極大困難。測量結果表明：ＪＲＤ系統(tǒng)測量響應速度快，分辨率高，溫度圖象提供的信息量大，能真實反映燃燒的動態(tài)過程。得到用戶高度評價。ＪＲＤ備有Ｄ／Ａ接口，能為工業(yè)過程控制系統(tǒng)提供溫度信號。ＪＲＤ系統(tǒng)可用于冶金、建材、電氣、機械加工等工業(yè)高溫非接觸測溫，特別適合對運動對象和惡劣環(huán)境（高溫、粉塵、水汽）的測量，如熱軋、冶煉、焊接、淬火、退火、連鑄和爐窯觀火••。ＪＲＤ能實現(xiàn)在線監(jiān)測、故障報警和為過程控制提供溫度信號。 　　“氧化鋁熟料燒成窯殼溫度在線監(jiān)測紅外熱電視系統(tǒng)（ＲＳＤ）”是國家“八•五”開發(fā)項目，該系統(tǒng)由計算機控制熱電視攝像頭對并列安裝的六臺大型回轉窯燒成帶殼溫進行巡回檢測，由監(jiān)視器顯示窯殼體溫度分布，能記錄、存儲、打印、報警。其用途是用于及時發(fā)現(xiàn)窯襯局部脫落，預防燒壞殼體，避免發(fā)生事故；連續(xù)監(jiān)測窯殼體溫度，防止因操作不當，造成燒成溫度過高，燒壞窯襯；通過窯殼溫度變化掌握耐火磚的燒損情況，合理安排檢修計劃（圖４）。該系統(tǒng)已于１９９４年投入運行，１９９６年春通過部級鑒定。 　　　　　　　　 　　紅外熱成像系統(tǒng)是多種高新技術的綜合體，它為冶金工業(yè)自動化提供了全新的手段，在工業(yè)故障診斷、復雜環(huán)境的非接觸測溫、和過程控制等方面有很廣泛的用途。 轉自：中國工控網