红外热成像技术的应用与发展

1、红外热成像技术的应用与发展一、红外热成像技术红外线是一种电磁波，具有与无线电波和可见光一样的本质。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装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像， 并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电子装置称为红 外热像仪。热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟以及各种低成本适于民 用的热像仪的问世，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 备常用于高温、高压和高速运转状态，应用红外热成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，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利

2、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。如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机 检查、公安侦察以及各种材料及制品的无损检查等。以下分别介绍热像仪在各行各业的实 际应用情况。二、红外热成像技术在国民经济个领域中的应用1、热成像技术在工业上的应用热成像技术实际上是作为一种高级测温技术应用于工业中的，这种设备我们成为热像仪。过 去的红外测温仪大都是点测温仪，点测温仪与热像仪比较，虽具有成本低、携带方便、传感 器不需制冷等优点，但它有如下缺点：（1）只能测量一个点（小区）的温度，

3、不能测量表 面的温度分布，不能提供图像，故难以证实仪器是否对准了被测点；（2）使用距离常常受 仪器视场的限制；（3）目标的反常（不规则）反射难以同目标的真实温度变化区分开；（4） 对环境温度起伏敏感。所以，在远距离快速测量目标表面温度分布和记录热像的工程应用中 必须使用热像仪。以前工业上使用的热像仪多用低温制冷的单元探测器的光机扫描系统，但这种系统成本高， 结构复杂，使用不便。近年来，随着像增强和图像处理系统中采用数字电路的情况日愈增多， 热释电摄像管系统和热电制冷探测器线列以及两维焦平面探测器列阵系统已成为民用热像 仪的主要发展类型。热像仪在工业上的应用主要是检测工业设备、监查运行故障及控制

4、产品质量。检测人员利用 热像仪显示被查目标的热像和提供表面热分布的信息，找出即将发生和已发生的故障及其位 置，以便及时采取措施予以消除。（1）钢铁工业中的应用热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节。具体应用实例列举如下：大型高炉料面的测定：现代炼铁高炉要求炉内加入的原料分布均匀，从炉顶面温度的分布可以测定原料的分布均匀性。日本曾使用热像仪透过安装有高炉顶部炉壳的硅玻璃口测定 炉内料面温度，进行图像处理后再由计算机控制给料设备的动作，调整原料流量，使炉料分 布合理，起到降低焦比的作用。我国宝钢1号高炉，使用国产热像仪，实时采集、计算、显 示料面温度，对决定原料的定量投放、提供生铁产量和质量、延长炉龄

5、和节能降耗起了重要 作用。热风炉的破损诊断和检修：热风炉的炉衬在生产中容易被烧坏，但因炉子是封闭的，烧 损位置不易发现。上海梅山钢铁公司应用热像仪诊断炉子破损位置，及时进行检修，大大延 长了热风炉的使用寿命。高炉残铁口位置的确定：高炉大修之前，需要在炉子上开口把炉内残铁排尽。以往凭经 验确定开口位置，往往不准确，造成残铁排不尽，给拆炉工作带为困难。本溪钢铁公司5 号高炉大修时，用481热像仪对炉壳测温，在死铁层下测拐点，只用7 25min，就确定残铁 水的下表面位置和开口位置，开口后残铁全部排尽。钢锭温度的测定：炼钢厂浇注的钢锭，在入均热炉前的温度很重要。宝山钢铁总厂应用 热像仪对入炉前的钢锭

6、进行表面温度测定，使均热炉对钢锭加热达到最佳化，并且节省了煤 气用量。连铸板坯温度的测定：在连铸机中板坯的拉制与冷却水量及拉坯速度有一定关系，研究 这一定量关系对板坯的产量、质量及连铸机的安全生产极为重要。武钢用aga780热像仪对 铸坯在不同冷却水量和不同拉坯速度下的温度进行设定，取得了大量数据，从而制定出与铸 坯温度相适应的生产工艺规则，使连铸机能稳定运转。钢铁模温度的测量：为了改进钢锭模的使用寿命，减少消耗，需测定锭模热态工作状态 下表面温度场的变化规律。武钢、鞍钢和大连工学院联合测定了钢铁模从浇注到脱模之间表 面温度场的变化情况，获得了该温度场的变化规律、锭模的最高温度及其位置和持续时

7、间等 数据，利用这些数据成功地设计出了高质量的钢铁模。出炉板坯温度的测定与控制：从加热炉出来的待轧板坯，要求温度分布均匀。鞍钢中板 厂用6t61热像仪测定了出炉板坯的温度，发现炉宽方向温度不均匀，还发现板坯出现“黑 印”，据此，分析了原因，采取了相应措施，消除了这些问题，从而保证了板材质量。热轧辊表面温度的测定：热轧辊长期在高温下工作，容易产生热疲劳裂纹，这与辊表面 温度分布及变化的规律有关。武钢用6t61热像仪测量，发现轧辊表面温度分布不均匀，这 与生产中轧辊冷却水分布不均、钢坯温度不均等因素有关，因此采取相应措施，从而减少或 消除了热裂纹。（2）在石化工业中的应用石油化工生产中的许多重要设

8、备是在高温高压状况下工作的，潜伏着一些易燃、易爆危险， 要求对生产过程进行严格的在线监测，及时消除隐患。使用热像仪能检测产品传送和管道、 耐火及绝热材料、各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等有关信息，可快速而准 确地得到设备和材料表面二维温度分布。炼油厂用热像仪检测催化裂化装置、反应堆尾气设 备和熔炉、安全阀与凝气阀的泄漏、地下管道的漏失等，能早期迅速准确地找出热漏点。对炉身、燃气和排尘管道、反应堆槽以及转移线路中耐火材料的损耗、裂缝和磨损等情况进行 检查，对防止事故发生和减少能耗十分有效。对裂解分馏塔底积焦的检测：裂解分馏塔底积焦是影响尤里卡装置长周期运行的关键。 采用热像仪测量塔底

9、积焦时外壁热像特征可判定塔内各处积焦程度，并根据结果指导工艺操 调、确定最佳运行方案。实践表明，该检测方法与工艺结合后，裂解分馏的运行周期由原来 的平均30天延长至268天，获得了明显的经济效益。评估醋酸乙醛装置衬里损坏状况：石化设备中，醋酸乙醛装置的关键设备（催化再生器、 反应器和除沫器等）内部有多层衬里材料。利用热像仪检测其外壁温度场，再结合传热学理 论计算其内部保温层厚度，可了解装置运行情况下的衬里损伤程度，从而为制定检修方案提 供参考。检测裂解炉炉管局部“热斑”：裂解炉是乙烯生产的心脏，炉管内结焦形成炉管热斑将 严重影响其使用寿命。利用红外热像仪能过窥视孔对炉内炉管测试，可得到热斑的热

10、像特征， 为维修炉管的实施方案提供依据。对催化裂化装置的检测：催化裂化装置是煤油厂中的重要装置。它的核心装置（催化再 生器和沉降器）在生产运行中衬里状况的好坏直接关系着筒壁的安全，因此需随时进行检测 和诊断。用热像仪对它们进行定期的壁温检测，分析衬里状况和可能发生的故障部位及程度 大小、发展趋势，并将结果及时提供给厂方，为厂方实施检修提供依据。对热力管线外壁温度的测量：蒸气热力管线在炼油厂纵横交错，分布繁多，管线外壁保 温层材料在生产过程中会逐渐破损、掉落，管线外壁温度随时升高，造成大量热损失。茂名 石油工业公司炼油厂应用进口热像仪对蒸气锅炉至一催化、二蒸馏、低压蒸汽的热力管线进 行了管线外壁

11、温度扫描测量，根据测得的数据，计算热力管线的外壁热损失情况。由于提供 的温度分析数据十分准确，有关部门据此迅速更换了保温材料。经运行一段时间后再对外壁 温度跟踪扫描，发现热损失大大减小，取得了较为显著的经济效益。（3）在电力工业中的应用在电力系统中，电气事故大都不是一下子发生的，其间有一个变化过程。由于电气元部件逐 渐出现松动、破裂、锈蚀等造成接触电阻增加，致使电气元部件温度升高，出现热异常现象。 采用热像仪直接观察和测量就可发现这些异常现象，掌握潜存故障的位置和严重程度，根据 需要，安排维修，消除隐患，所以热像仪是发电厂、输变电网以及用电工厂的一种有效检测 仪器。热像仪在电力系统中的主要检测

12、目标是发电机组装置、输电线路接头、绝缘部件、变电所设 备、变压器绕组及油冷系统、高压线路的保险丝电路、闸刀开关、断路开关、转换开关和终 端装置、电路分配调度中心、控制台及照明配电盘等。特别是，定期用机载或车载热像仪检 测输变电网，能早期发现隐患或迅速诊断出事地点，可大大减少经济损失。用装有热像仪的直升飞机巡查高压线路：输电线故障的检测对于输电线路的安全运行十 分重要。历来采取人工沿途巡视、登塔探测的方法进行检测，劳动强度大，检测效率低。采 用机载热像仪巡线检测是检测技术的革新。西安热工所和河南电科所曾在直升飞机上用热像仪分别对220kv、330kv和500kv的输电导线接头和引流线夹的热致故障

13、进行巡查，结果表 明，热像仪可以监测温升仅有2C的不良接头，并可用于劣质瓷瓶检测。在国外，英国早在 1969年就用直升飞机查线，加拿大已将直升飞机巡线作为常规项目。 对发电机定子的检测：在发电机内部，往往由于绝缘或生产过程的其它原因引起绝缘损 坏，使定子活动钢片接通，而在电机工作时，这些接通的地方就易形成过热点。用热像仪观 察定子表面的热场，就能确定铁心缺陷形状和精确位置检测过程中，一般是根据热图的相对 灰度、缺陷部分的形状和灰度随时间的变化过程等来评价缺陷的性质。此外，根据定子的热 图还可检查发电机定子的安装质量，并可为层间绝缘老化过程提供诊断。2、热成像技术在医学上的应用人体是一个天然红外

14、辐射源。人体皮肤的红外辐射波段为3-50mm。当人体患病时，人体的 热平衡受到破坏，因此测定人体温度的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。热像仪可 以显示和记录人体的温度分布。将病变时的人体热像和正常生理状态下的人体热像进行比 较，便可从热像是否有异变化来判断病理状态。医用热像仪技术用于临床诊断已有几十年的历史，现已可用于多种疾病的诊断。医用热像仪 已成为诊断浅表肿瘤、血管疾病和皮肤病症等的有效工具，在医疗学科研究中，热像仪在医 学中的应用已成为一个专门的研究课题。3、热成像技术在其它工农业领域中的应用前面介绍了热成像技术在工业和医学两大领域的应用，工业热像仪和医用热像仪已成为现代 科学技术

15、中必不可少的新型检测仪器并在各行各业中发挥越来越大的作用。当然，热像仪并 非只有这两方面的应用。以下列举几个应用实例说明热像仪在其它方面的应用情况。对建筑物的检测：热像仪可对建筑物的建造质量和设计进行检测和评价，其中包括对 建筑物的裂痕、墙壁的分层或断层部位、墙壁和地下管道的渗漏进行检查，以及对建筑物耗 及采暖、保温、照明系统进行检查和评价等。使用热像仪可以是手提式的，也可用三角架支 撑，还可用车载和机载进行扫描检测。对建筑物进行的实查结果表明，若镶板接合处漏气、 壁腔绝缘脱落或存在对流循环等将有不适当的热耗发生，这些均能在热图上明显地反映出来 并能准确定出建筑物的热能损失位置。晚上，在高处用

16、热像仪扫描白天经过太阳曝晒的机场 跑道，可以检查出厚度达30-40cm水泥板层与土层的粘结缺陷，可发现层间直径为1.5m圆 形面积的积水层或空隙层，从而飞跑道的修补提供作业位置。此外，曾利用机载热像仪寻找 建筑物的热漏，这种方法可以大幅度地节约能量费用。对于建筑物内的取暖，一般由中央锅 炉供热。根据热图像，可以查明供热系统的热漏点。以前是采用掘开路面查找热漏点，这种 方法难度大、成本高，而热图法可大大节约燃料费用。高层建筑物的外墙板间的墙缝必须经 过保温防潮处理，而且要对处理质量进行准确检验才能交会使用。采用热像仪是一种合适的 检验方法。例如，曾对一建筑物墙板纵向接缝的热图进行分析，发现温度异

17、常。正常热像是 上下完全贯通的黑色低温纵带，而实际热图中呈现一段高温亮带，这表明墙缝严重漏热，经 对住户调查证明，冬季该处存在墙面结露。（2）监测森林火灾：在大片森林中，往往存在不明显的隐火，这是引起毁灭性火灾的根源。 用现有普通方法难以发现这种低强度隐火。用机载热成像系统可以发现隐火的位置。例如， 加拿大森林研究中心利用直升飞机带着aga750便携式热像仪在一次火灾季节发现15次隐 火。机载热像仪在森林火情应用中有多方面用途，可探测未熄的营火和冒烟的余烬，并可防 止复燃火的发生。但是，单独使用热像仪容易把太阳晒热的石头和开阔地误认为冒烟的树木， 因此研究人员设计了一种红外可见机载装置，它是一

18、种把可见和红外图像叠加显示的系统， 观察者可识别出每一个自然的热点源，并把它们剔除。因而，即使在阳光下也能发现真正冒 烟的树木。（3）粮食火灾的探测：粮食火灾一般是不明显的，谷物粮仓的燃烧或闷烧会持续很长一段 时间，同时不易被人发觉。这在每年可造成巨大的损失。采用热像仪不仅能推测这些火灾的 存在，而且能确定火灾的范围。热像仪对于这种火灾具有三个明显的作用，即火情的早期探 测，确定火情的范围与危害，对火灾位以便采取灭火措施。用热像仪对粮仓检查一般是在地 面上进行，一个人操作，检查一处需20-30min，一旦正确指出了火情的位置，便可在那里 钻一个洞，把管子插进谷物里，然后通入液氮进行灭火。灭火后

19、仍需用热像仪再度进行检查， 以判断火灾是否重新发生。（4）蒸气阀的检查：当蒸气阀损坏时，会引起大量热能损失。使用热像仪来检查蒸气阀并 更换那些不良的蒸气阀，可以大大节约能源。人们只要用热像仪查看汽阀的进口和出口处， 如果进出之间的温差反常，则表明蒸汽阀失效。例如，美国一家公司其工厂曾查出有13%的 蒸汽阀失效，通过更换蒸汽阀，减少了能耗，节约了大量资金。（5）制冷设备中的应用：用热像仪可以检查冰箱等制冷装置和管道的隔热，揭示水果和蔬 菜在冰库储藏过程中微生物病害和生理损伤的隐患点，自动筛选土豆和水果等，例如，利用 aga680型热像仪测定新鲜土豆和水果（苹果、梨、柿等）表面的比辐射率，测得=0

20、.960. 99（以人的皮肤作为试验样品，其e=0.985）。（6）监视液化气体泄漏：随着液化天然气的大量应用和贮藏基地的建设，需要建立在早期 发现和处理由于液化气（液化天然气、液化石油气、液化乙烯）泄漏而发生火灾、爆炸等灾 害的监视装置。以前是采用气体传感器来探测气体的泄漏，但气体传感器只能进行定点探测， 不适宜于探测液化天然气储存罐并立的地方。使用热像仪可以进行大面积的探测，它是根据 气体排出时在外界所产生的环境温度变化来探测气体的泄漏。当液化气体流出时周围要出现 温度异常现象，用热像仪观察就能判断出气体泄漏的位置和规模。（7）极地动物的识别：利用机载热成像系统可以对地上的北极熊和灰色沙堤

21、上的海豹进行 计数，同进不会对动物造成干扰。而在飞机上利用目视识别是不可能的。利用热像仪测量海 豹的头温，还可以调查狂犬病病毒的传播，因为这种病毒会使海豹头部的温度高于体表温度。（8）对轮胎的检测：利用热像仪可以拍摄旋转中的轮胎的红外图像，它可在不接触轮胎的 情况下观察和分析轮胎的温度分布。获取一张图像所需的时间与轮胎的转速有关。当轮胎高 速旋转时，获取一张完整图像的时间一般为几秒钟，因此热像仪对于轮胎的质量检验十分重 要。热成像技术在公安、消防工作中的应用夜间以及恶劣气候条件下目标的监控在夜晚，由于众所周知的原因，可见光器材已经不能正常工作，观测距离大幅缩短，如果采 用人工照明的手段，则极易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段， 依然需要外界光照明，在城市中工作尚可，但在野外工作时，则观测距离大幅缩短。红外热 像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，与气候条件无关，因此无论白天黑夜均可以正常工 作，同时可以避免暴露自身。在雨、雪、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，因而观测效 果较差，甚至不能工作，但红外线的波长较长，特别是工作在814um的热像仪，克服雨、 雪、雾的能力较高，因此仍可以在较远的距离上正常观测目标。所以在夜间以