基于红外热像技术的制动轮温升监测系统研究

摘要：电梯制动器故障可能会导致电梯制动轮的温升异常，利用红外热成像技术可以实现对制动轮表面温升情况的实时监测。基于红外热成像技术的电梯制动轮表面温升监测系统，利用红外热像儀和串口服务器等设备以及图像采集与传输模块、图像处理与存储模块、预警信息生成模块、用户界面显示模块，完成红外图像获取与处理、温度计算与故障预警的任务，根据制动轮温度异常的严重程度，产生3个不同等级的预警信号，相应地采用不同的故障响应机制。利用此系统可实现电梯制动轮表面温升情况的实时监测，对异常温升及时预警，保障电梯运行安全。

关键词：电梯制动轮;红外热像仪;温升监测;故障预警

中图分类号：TP391.41;TN219;TU857  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0017-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.005

0    引言

制动器是电梯必备的组成部分，也是重要的安全保护装置之一。制动器得到停梯指令后，制动闸瓦在弹簧力的作用下抱紧制动轮;得到启动指令后，制动器电磁铁线圈通电，制动闸瓦与制动轮分离，制动轮在电动机的驱动下正常转动。当电梯正常平层时，其作用是保持轿厢静止不动;当发生紧急情况时，其作用是及时制动轿厢，防止发生冲顶或蹲底等严重的电梯事故。因此，制动器对确保电梯安全运行至关重要[1]。

有时由于电梯控制出现异常或者制动器零部件损坏，电梯会出现带闸运行现象，即制动闸瓦抱紧制动轮的情况下，制动轮依然随电动机转动。如果不能及时发现该问题，电梯长时间运行后会出现闸瓦急剧磨损，制动力不足，电动机损坏，因摩擦温度过高引发火灾等严重后果[2]。制动闸瓦的磨损源于制动轮转动时闸瓦与制动轮的异常接触，而此时由于摩擦生热原理，制动轮上会产生异常的温升现象[3]。因此，可对制动轮温度进行实时监测，以便及时发现异常接触并预警。由于电梯制动轮工作时处于转动状态，难以通过传统的接触式温度传感器获取其温度，因此可采用非接触式温度传感器进行测量[4]。

1    电梯制动轮表面温度的测量

随着红外技术的发展，红外测温技术也日渐成熟。红外测温技术就是根据物体辐射出来的红外线的功率，结合环境温度等因素，得到待测物体温度的技术。相较传统的测温技术，红外测温技术具有非接触、响应快、对待测物体温度无干扰等优点。红外热像仪利用红外测温技术，既可以精确地测量温度，又可以将温度信息以图像的形式显现出来，便于获取待测物体表面的温度分布情况来进行分析。

1.1    红外测温原理

红外测温技术主要是利用物体辐射出红外线的功率，其理论基础是普朗克黑体辐射定律，该定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律[5]。普朗克提出的黑体辐射公式如下：

式中：Mλ为黑体辐射电磁波中波长λ的功率密度（也称为黑体在波长λ处的单色辐出度）;h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为玻耳兹曼常数;T为黑体温度。

由公式（1）可知，黑体辐射电磁波某一波长功率密度随温度的升高而增大。图1所示为黑体单色辐出度与波长和温度的关系。

从图1可以看出，黑体辐射电磁波的绝大部分能量都集中在红外线的波长范围内，可以将红外线波长范围的能量近似为总的辐射能。红外热像仪就是通过检测红外辐射来获得物体的温度信息。

1.2    红外热像仪的选择

红外热像仪作为一种红外测温成像设备，主要具有以下两种功能：

（1）红外测量功能：每一个测量单元将接收到的红外信号转换成为电信号，得到一个测量值;

（2）热图像生成功能：每一个测量单元的测量值以一个图像灰度的形式表现出来，组合成为一张红外图像。

红外辐射的大小和温度相关，红外热像仪所生成的热图像中的像素点灰度与温度有映射关系。红外热像仪在生成热像的同时，还可以计算出每个像素点对应的温度，以标尺的形式显示在图像中。红外图像最终以灰度图像或伪彩色图像的形式存储在热像仪中，显示在热像仪的显示屏上或者通过USB、网络的方式传输到计算机中。

在选择热像仪时，主要考虑以下几个要求：

（1）仪器工作温度范围及待测物体温度范围。热像仪需要安装在电梯的机房中，环境温度一般在5～40 ℃;待测制动轮表面温度最低与环境温度相同，正常情况下，表面温度最高不超过50 ℃，在与制动闸瓦摩擦的情况下温度可能超过100 ℃。因此，选取热像仪时其测温范围除了要满足最低温的限制以外，最高可测温度应尽可能高，以满足一些极端情况下的温度测量[6]。

（2）红外分辨率。设备的分辨率对其成像效果的影响非常大。对同一待测物体，分辨率高的热像仪可以获取更精确的温度分布情况，但对数据传输、存储和处理的要求也更高。另外，热像仪与待测物体的安装距离和热像仪视场角都会对测量所需的最低红外分辨率产生影响。

（3）温度测量精度。温度测量精度主要由热像仪测量单元的精度和标定的精度决定。热像仪测量值要在系统容许的误差范围之内，否则会对系统的测量效果产生影响。

（4）通信接口。一般热像仪都具备存储功能，可以在拍完红外图像后通过USB数据线将红外图片上传至电脑。为了实现对温度的实时监测，需要热像仪具有实时通信的接口，以便将实时红外图像上传到图像处理单元进行处理。

综合以上因素，本系统选用FLIR公司生产的FLIR C3热像仪。该热像仪的主要技术参数如表1所示。

除表1所述关键参数外，FLIR C3热像仪还具备可见光数码相机，可以通过热像仪内置的多波段动态成像（MSX）技术，将可见光图像细节叠加至全分辨率的红外图像上，将可见光图像中较为明显的边缘信息增加到红外图像中。同时，可利用串口服务器作为网关，组建无线局域网，将计算机与热像仪相连，在计算机软件中设置远程监控接口，使温升监测系统作为电梯制动器远程监测系统中的一个子系统，与其他监控模块一起监测电梯制动器的运行。

2    系统硬件连接

基于红外热成像技术的电梯制动轮表面温升监测系统硬件部分主要包括红外热像仪、三脚架、串口服务器和计算机4个部分。红外热像仪用于采集红外图像和可见光图像，并将两种图像叠加后的图像通过Wi-Fi信号上传到计算机中进行存储和处理;三脚架用于固定红外热像仪，使其正对着待测表面[7];串口服务器一方面用于组建无线网连接红外热像仪和计算机，另一方面作为网关对外提供整个系统的远程调用接口，便于组建更大的关于制动器的远程监控系统;计算机接收红外热像仪传来的图像，通过处理获得制动轮的区域及其温度分布信息，便于现场以及远程的监控和处理。整个系统示意图如图2所示。

其中，热像仪的型号为FLIR C3，串口服务器的型号为智联物联串口服务器ZC1000。热像仪通过USB数据线连接5 V电源，计算机和串口服务器分别通过各自的电源适配器连接220 V电源供电。计算机和红外热像仪连接串口服务器的Wi-Fi，使它们处于同一个局域网中，利用计算机登录串口服务器设置界面，获取红外热像仪在这个局域网的IP地址。

3    系统详细设计

基于红外热成像技术的电梯制动轮表面温升监测系统主要由图像采集与传输模块、图像处理与存储模块、预警信息生成模块、用户界面显示模块组成。通过对获取的红外图像进行处理、计算，獲得制动轮的温度信息，再将其显示到现场的显示设备上;在制动轮温度出现异常时，生成预警信息提醒现场技术人员处理。

3.1    图像采集与传输模块

图像采集与传输模块主要负责红外图像的定期获取与接收。在完成计算机与红外热像仪的通信初始化后，计算机以一定的频率向红外热像仪发送控制信息，使红外热像仪拍摄并上传红外图像与MSX图像;收到图像后，记录下收到图像的时间，和图像一起存储在PictureInput类的实例中，交给图像处理与存储模块进行处理。图3所示为图像采集与传输模块程序流程图。

其中，PictureInput类包含3个属性：具有6个元素的元组time_now和对象pict、pict_msx。time_now存储了当前的年、月、日、时、分、秒，便于后续的图像处理过程中确定每一张图像的接收时间，以判断图像的先后顺序;pict是存储红外图像数据的对象，pict_msx是存储MSX图像的对象。对于每一组图像，即同一时刻拍下来的红外图像和MSX图像，实例化一个PictureInput类的对象，存储这两张图像和收到它们的时间，然后对象整体交由下一个模块进行处理。

3.2    图像处理与存储模块

图像处理与存储模块主要负责对红外图像的处理、制动轮表面温度的计算以及红外图像的存储。利用边缘增强后的MSX图像，首先进行预处理，消除图像中的噪声;然后进行边缘提取，找到制动轮表面在图像中的边缘，进而确定制动轮在红外图像中的相对位置，再从原始红外图像中截取出相应的区域，通过红外热像仪的灰度—温度对应关系得到制动轮的温度分布，求出当前时刻视场内制动轮区域的平均温度和最高温度;将收到图像的时间、原始的MSX图像、原始的红外热图像、制动轮在图像中的相对位置信息、制动轮表面温度信息存入PictureOutput类的实例中，交给预警信息生成模块进行处理。如果用户开启了存储功能，则在原始的MSX图像和红外热图像中添加一个用于标记制动器表面区域的方框，再将处理后的图片存入事先部署好的数据库中，以获取图像的时间来命名。图4所示为图像处理与存储模块程序流程图。

其中，PictureOutput类包含以下几个属性：元组temp_info、对象pict_input、对象brake_pos。元组temp_info记录制动轮表面的温度信息，对象pict_input是上一个模块传来的PictureInput类的对象，对象brake_pos记录制动轮区域在红外图像中的位置。将这些信息整合到一个Picture Output类的对象以后，交由下一个模块进行处理。

3.3    预警信息生成模块

预警信息生成模块主要负责根据温度信息判断当前电梯制动器制动轮所处状态，并生成相应的报警信息。可采用三级预警的预警模式，即异常状况分为3个预警等级：普通异常等级、严重异常等级和紧急异常等级，对应的温度标准依次提高。当温度未达到异常标准时，直接向用户界面显示模块转交当前图像、温度等信息;当温度达到普通异常等级对应温度时，生成异常报告，记录发生异常的时间、温度及对应的图像信息，并向用户界面显示模块发送;当温度达到严重异常等级对应温度时，在普通异常处理的基础上，向远程监控系统发送此次异常信息的报告，以便远程监控系统获悉并作出响应;当温度达到紧急异常等级对应温度时，在严重异常处理的基础上，向电梯控制柜发送异常信号，使电梯停止运行，等待维保人员现场检修。图5所示为预警信息生成模块程序流程图。

3.4    用户界面显示模块

用户界面显示模块主要根据上一个模块传来的信息，将实时温度图片和报警信息显示在用户图形界面上。如果未出现异常，则显示目前制动器的温度信息，并将标记了制动器区域的MSX图像和制动器区域的红外图像显示出来;当出现异常时，在用户界面中显示预警信息，提醒现场的维保人员进行检修，同时将异常信息添加到工作日志中，便于日后的故障分析及处理。

4    结语

本文基于红外热成像技术的电梯制动轮表面温升监测系统的研究，通过红外热像仪获取电梯制动器制动轮表面的红外热图像，经过图像处理、温度计算、异常处理及显示，可实现电梯制动轮表面温升情况的实时监测，对异常温升及时预警，保障电梯运行安全。

[参考文献]

[1] 陈伟森.谈电梯制动器的检测及安全分析[J].机电工程技术，2013，42（6）：193-195.

[2] 邓林，吴晓军.电梯制动器温度与制动力的影响因素分析[J].起重运输机械，2020（9）：51-54.

[3] 周前飞，丁树庆，冯月贵，等.基于支持向量机的电梯制动器智能监测预警系统[J].中国特种设备安全，2018，34（5）：22-27.

[4] 王木菊，杨小姜，晋跃.电梯制动器温度检验研究[J].起重运输机械，2019（10）：56-59.

[5] 史钦锋.基于红外热像仪的变电站电力变压器过热故障在线监测[D].南京：南京理工大学，2009.

[6] 黄四彬.基于红外热成像仪的电梯制动器抱闸电气检测[J].机电工程技术，2019，48（12）：255-257.

[7] 欧阳惠卿，薛季爱，江浩.防爆电梯制动器紧急制停温升研究[J].机械制造，2012，50（5）：38-42.

收稿日期：2021-11-10

作者简介：冯双昌（1982—），男，山东聊城人，博士，高级工程师，研究方向：电梯、起重机械等机电类特种设备检验技术。