矿用红外热成像摄像仪的研究与应用

王乐军，张立亚

1煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

2煤矿应急避险技术装备工程研究中心 北京 100013

3北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

煤矿井下高负荷运行的电气设备较多，在瓦斯体积分数高、烟尘含量大的环境中，易发生火灾，并且井下自燃火源具有较强的隐蔽性，在我国重点煤矿中，56% 以上矿井都存在自燃风险。随着智能化、信息化技术的发展，智能矿山建设在各大煤矿快速推进，煤矿火灾、温度智能监控已成为煤矿智能矿山的主要研究方向。因此，有必要开展火灾隐患智能化监测和识别方面的研究。

目前煤矿火源探测技术不成熟，不能准确、快速确定井下火源的位置及自燃程度[1-4]。针对以上问题，笔者结合红外热成像技术和矿用 5G 通信模组，设计了矿用本安型红外热成像摄像仪。该产品基于物体表面的温度差来捕捉相关的信息，利用物体向外辐射的红外线波段，将煤矿井下的电气设备及人体进行红外成像，实现对电气设备等场景的温度监测。该产品适用于黑暗条件下的矿山隐蔽火源的分布和位置监测，对井下火灾隐患的排除及日常巡检具有重要意义。

1 红外热成像技术

在自然界中，当物体温度高于绝对零度时，物体内部就会产生热运动，并不断向四周辐射特定波段的电磁波。红外线的波段位于 0.75～100 µm，红外热成像技术就是将该波段信号转换成可供人类视觉分辨的图像或图形，进一步计算出温度值，从而反映出物体表面的温度场。红外热成像技术超越了视觉障碍，使人们可以看到物体表面的温度分布状况[5-6]。黑体的辐射功率Pa(λT)与绝对温度T之间满足

式中：Pa(λT)为黑体的辐射出射度；λ为波长；T为绝对温度；C1、C2为辐射常数。

根据斯特藩-玻尔兹曼定理，Pa(T)与温度T的 4次方成正比，即

而实际物体接近黑体的程度

由此可推出所测物体实际温度

根据红外热成像测温方程，可以对红外热成像摄像仪进行校准，为其精确测温提供保证。

2 矿用 5G 通信模组技术

由于煤矿 5G 通信系统已经部署应用，在进行 5G通信模组设计时，通过 5G 模组可以直接接入矿用5G 通信系统，实现大带宽、低时延的图像和视频的回传[7-8]。

5G 通信模组将 5G 基带芯片、射频模块、存储单元和电源管理等模块集成封装。其核心巴龙 5000芯片主要由主芯片、PMU 和射频组成。在进行模组性能验证中，考虑到井下复杂的环境，通信模组的工作温度范围设定为 -40～85 ℃，同时进行可靠性设计，以满足煤矿井下高温、潮湿和高粉尘环境要求。

5G 通信模组主要技术参数：支持频段 5GN78：3 300～3 800 MHz；5GN41：2 496～2 690 MHz；GN79：4 400～5 000 MHz；支持 IPv4、IPv6，并对模组进行了低功耗设计，在额定电压 DC 12 V 的情况下，额定电流可达到 500 mA。

3 矿用本安型红外热成像摄像仪

3.1 非制冷红外焦平面设计

传统的测温方法大多为接触性测温，通过在特定待测点上添加热电偶，测量该点温度，这种方法只能测量局部温度，不能反映整个温度场的情况。

通过技术对比分析，矿用本安型红外热成像摄像仪采用非制冷红外焦平面设计，使用微测辐射热计作为红外探测器。红外探测器将焦平面反馈出的实际温度作为控制系统的输入信号，控制系统处理反馈信息，做出响应，进而影响焦平面。因此，非制冷焦平面温度控制系统其实是一个各部分相互影响的循环系统。非制冷红外焦平面探测器主要包括微测辐射热计模块、读出电路模块和真空封装模块。

目标对象的热辐射通过红外光学系统聚焦到焦平面阵列上，每个微桥中的红外吸收层采集到红外能量后，引起温度发生变化。不同的微桥收集到不同的热辐射能量，导致自身的温度变化各不相同，引起各个微桥的热敏层电阻值产生改变。变化量由读出电路模块转换成电信号输出，通过信号采集、处理后，得到基于温度场分布的图像。

红外辐射引起的相元变化为 ΔT，由此引起的电流

式中：p为热释电系数；S为像素面积；η为辐射系数；ω为大气发射率；p0为表面对环境辐射的发射率；G为热像仪增益，即放大倍数；τ为大气透过率。

由于探测器是电容性的，故需考虑其单元电容Ce，由此得到热释电输出电压

式中：R为光谱响应度。

由上述可得，探测温度响应

式中：P为光学系统产生的杂散辐射通量。

3.2 本安设计

矿用本安型红外热成像摄像仪主要由光学系统、探测器、信号处理器和显示器组成[9-10]，其工作原理如图 1 所示。当井下电气设备发出红外辐射后，辐射进入摄像仪的光学系统，调制器把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射校正后，转变为被测目标的温度[7]。

图1 红外热成像摄像仪工作原理Fig.1 Working principle of infrared thermal imaging camera

井下电流密度大，爆炸性混合物多，用于井下的电气设备一般分为隔爆型和本安型 2 种。隔爆型电气设备壳体较重，占用空间大，不易操作和挪动；本安型电气设备具有体积小、质量轻、操作便捷等优点。

根据井下本安设备参数的要求，通过电源转换模块，实现了 127/220 V 等井下常用电压转换为摄像仪工作电压 12 V，同时工作电流≤1A，达到了煤矿本安设计的要求[11]。

矿用本安型红外热成像摄像仪支持多种扫描方式，包括自动扫描、垂直扫描、巡航扫描、全景扫描和区域扫描等，可实现移动侦测、遮挡报警、异常报警、动态火点搜索、烟雾和火点检测等功能。热成像仪机芯自带热成像通道，智能监测火点。当热成像摄像仪监测到火点后，其相关信息将显示在热成像通道的预览画面并进行联动报警；热成像通道不受光线影响，可真正实现全天 24 h 监控，同时可以在客户端进行远程视频监测。

4 测试试验

将矿用本安型红外热成像摄像仪安装在井下，通过光纤接入井下工业环网，地面服务器和上位机可进行远程视频监控。测试对象选择井下变电所高压设备，在设备满负荷状态运行时，进行红外热成像测试[12-14]。测试时给设备提供足够的发热时间，使设备表面温度稳定，以提高测试效率。

4.1 主观试验验证

矿用本安型红外热成像摄像仪开机后自检正常，根据环境调整摄像仪背景温度，调整测试目标发射率，并设置色标温度量程，将背景温度和测量距离调至适当值，对可疑发热点做精确监测，区分发热类型，对可疑发热点进行拍摄。矿用本安型红外热成像摄像仪拍摄到的设备整体温度热成像如图 2 所示，设备局部成像如图 3 所示。

图2 设备整体温度热成像Fig.2 Thermal imaging of whole equipment

图3 设备局部温度热成像Fig.3 Thermal imaging of local equipment

由图 2 可以看出，矿用本安型红外热成像摄像仪可以对发热体不同温度下的发热点进行全方位清晰反映。在图像的右侧区域显示了监测画面的不同颜色对应的不同温度值，画面的温度值范围为 27.84～54.25 ℃。同时，可以设置高温报警值，例如报警阈值设置为 55 ℃，当被监测画面出现 55 ℃ 及以上的温度值时，进行报警。

由图 3 可以看出，矿用本安型红外热成像摄像仪的温度监测边界比较明显，说明热成像的灵敏度比较高。通过试验分析，该摄像仪的测温灵敏度达到 50 mK，即灵敏度为 0.05 ℃，当被监测物体表面有 0.05℃ 的温差时，矿用本安型红外热成像摄像仪即可捕捉到该温差。

4.2 客观试验验证

在进行设备客观参数验证测试中，测温误差为矿用本安型红外热成像摄像仪主要技术指标。测试人员对变电所设备进行温度测试。为保证测试结果的准确性，分别进行 6 次测试求平均值。测试数据如表 1 所列。

表1 测温误差Tab.1 Temperature measuring error

测试数据显示，在测量量程范围内，通过对比实际温度与测试温度，计算得到测温误差范围为 -0.42%～0.35%。可以得到，矿用本安型红外热成像摄像仪的测温误差＜±0.42%，能够满足井下火灾隐患的排除和巡检的需求。

5 结语

结合煤矿井下瓦斯体积分数高、粉尘质量浓度大的环境特点，通过研究红外热成像技术、本安技术和矿用 5G 通信模组，研制出矿用本安型红外热成像摄像仪，实现对煤矿井下高负荷状态运行的电气设备实时监控，对煤矿井下隐性火区分布、火源的位置进行有效监测和辨别，提高了煤矿井下火灾隐患排除和日常巡检工作的效率。