红外热成像摄像头在轴承测温方面的研究

2022-03-18侯新玉

华东科技 2022年2期

文/侯新玉

（唐山海运职业学院，河北唐山 063200）

随着《中华人民共和国安全生产法》的颁布和实施，国家对安全生产工作越来越重视。火灾预防是安全生产工作的重要内容,火灾的发生需要助燃剂、可燃物和引火源。在生产过程中，车间内有大量的可燃物。只有有效控制引火源，才能有效避免火灾的发生。车间内的引火源主要包括电器、高温介质和运转部位摩擦产生的热量。轴承在长期工作状态下，难免会出现过热现象。在长期过热的状态下工作，轴承的运行状态往往不受控制，从而造成设备停止运行、引发火灾等隐患。在车间容易发生火灾的重点部位，工作人员需要监测轴承的温度，评估轴承的工作状态，并且预防异常情况的发生，从而及时发现和消除轴承转动部位摩擦生热引起的火灾隐患。因此，工作人员应高度重视轴承检测工作。

近年来，国内外研究人员对红外热成像摄像头测温和轴承温度检测等方面进行了大量研究。然而，轴承测温局限于点式测温，企业实时检测轴承温度的能力非常有限。点式测温方法存在随机性大、延时长、需要接触等缺点。因此，本文提出了红外热成像摄像头在轴承测温方面的应用方法。

1.红外热成像摄像头模块化原理

被测物体的发射率为被测物体在温度T时发出的辐射功率E与黑体在温度T时发出的辐射功率E0的比值ε。

因为物体表面的发射率与对应的波长和温度相关，所以发射率ε（λ，T）的定义为：物体表面在相同波长λ和温度T下辐射的功率E(λ，T)与黑体辐射的功率E0(λ，T)的比值。

物体表面的发射率为0和1之间的数，发射率为1的是黑体。在相同温度下，物体向外辐射的能量越大，物体的发射率也就越大，黑体的发射率最大。

高于绝对温度的一切物体，都不断地辐射红外能量，物体表面的温度与物体辐射的红外能量存在着密切联系。工作人员通过测量物体辐射红外能量的大小，可以确定物体表面温度。红外热成像摄像头是采用红外辐射测温原理来测量物体表面温度的。红外热成像摄像头采用的是非接触式测量方式：首先，被测物体辐射的红外能量通过光学镜头反射到红外探测器中；然后，红外探测器将接收到的光信号转成电信号；最后，电信号经过斩波器、滤波器处理后，生成红外热图像。红外热成像摄像头模块化原理如图1所示。红外热成像摄像头的测温系统如图2所示。

光电阴极的激发，产生光电子，产生的光电子的效率与输入功率P成正比。由此可知，当确定探测器的探测元时，其特性参数将不会改变。效率和输入功率存在如下关系：

式中，μ为常数。

一个确定了探测元的探测器，其电流I由探测器产生的光电子数目决定。

式中，ν为常数。

探测器的探测元的辐照度和像元的输出功率有关。

式中,s为探测元的像元面积。

由式（5）可以看出，探测元的输入功率P和物体的温度T的四次方、物体表面的发射率ε、像元面积s成正比。联立式（3）、式（4）、式（5）三个等式，可以得出探测像元的输出电流为：

式中，μ′=mμsδ。

从μ的表达式可以看出，同一个探测元的系数μ值不变。由此可知，在式（4）中，目标物体的表面发射率只与物体表面的温度和像元输出光电流有关。假如物体发射率已知，只物体的温度T只与像元输出的光电流I有关，那么工作人员就可以确定物体温度了。

输出电流只有转化成256个灰度级，才能被测温系统识别和处理。输出电流的大小通过灰度级的大小来表示。因此，物体的输出电流I与灰度U的关系如式（7）所示：

式中，U为物体灰度；[]为取整符号，取值范围为0～255；α为灰度与电流之间的转换系数；ο为修正因子。

由式（6）可知，物体灰度与物体的目标温度之间是一一对应的关系。

最后，笔者利用图像的伪彩色方法表示红外热图像。

2.试验研究

为验证本文提出的方法的可行性，笔者在企业生产线对电机轴承进行试验。在试验过程中，红外热成像摄像头采用浙江大华DHTPC-BF5300型红外热成像枪形摄像头。在设备运行过程中，本文提出的红外热成像摄像头测温法能够在线测量轴承温度。红外热成像枪形摄像头的测温距离为10m。

笔者利用Web Service软件，对红外热成像摄像头采集的热图像图片进行规则设计，将辐射率设置为0.97，并且调节图像标度，将被测物温度控制在温度标度范围内。笔者还根据现场的实际情况，将开松鼓轴承附件位置作为基准点，在线监测剥棉滚和开松鼓轴承的温度，将被测点和基准点温度差阈值设为20℃。当温差≥20℃、持续时间≥30s时，设备就会进行高温报警，提醒现场工作人员检查轴承并采取相应的措施。另外，在日志中，工作人员可以查看一个月内的报警事件。

本文的测温点选用的是一个圆形区域，轴承温度为该区域的平均温度，其更具代表性和准确性。同时，选取基准点采用温差阈值进行报警设置，可以有效避免外界环境温度变化引起的误报警，从而实现了轴承温度的实时测量，最终保证了企业生产的稳定性。