严国莉 赵庆国

（中钢集团工程设计研究院有限公司，北京100080）

1 引言

红外热成像技术自产生以来，因其特有的属性，受到人们的普遍关注。红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像，并可以进一步计算出温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况。红外热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用，成为当今各国探测技术中的重点研究和发展技术之一［1］。

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被称为红外热成像技术，这种电子装置称为红外热像仪［2］。红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度［3］。

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，利用热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。

2 红外热成像技术基本原理

任何温度高于绝对温度零度的物体都有热辐射，即辐射红外波长的电磁波，热成像技术就是通过测定物体的热辐射，用二维可视图像显示物体的热状态分布，并进行温度测量。著名的斯蒂芬—玻尔兹曼定律是热辐射的理论依据，根据这一理论，物体的全波段辐射度M与其绝对温度T的四次方成正比，即：

其中σ＝5.67×10－8瓦／（米2K4）：斯蒂芬—玻尔兹曼比例系数；

ε≤1：物体的发射率，当物体为绝对黑体时ε＝1。

因此，可以通过测定目标的辐射度确定其温度。窑炉测温就是通过测定目标的辐射度实现用二维图像表示物体表面温度分布［1］。

红外辐射是波长为0.75～1000μm的电磁波，物体热辐射的总能量中包含各个波长的成分，而且不同波段的辐射能量大小也不同，对应于辐射能量最大的波长称为峰值波长，一般用λmax表示。根据维恩位移定律：

式中，T为绝对温度（K），λmax为辐射峰值波长（微米）。

在利用热成像技术设计检测系统中，要选择与测温范围相适应的波段，使探测器在该波段内响应最灵敏。

3 红外热成像技术在窑炉检测中应用

窑炉是伴随文明社会的出现而诞生的工程技术系统，它是指在工业生产中用燃料或者电能产生热量，将物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热的热工设备。窑炉是一种用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，被煅烧的原料和燃料往往共处一个空间，或燃烧区与煅烧区直接相通［4］。

在工业生产中，窑炉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。

热成像技术实际上是作为一种高级测温技术应用于窑炉中的。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，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［5］。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，随着图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热像仪的主要发展类型。

热像仪在窑炉上主要是检测窑炉中设备、监查窑炉运行故障及控制产品质量。一般通过最先进的非制冷焦平面红外探测器，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，实时动态红外成像观察炉内原料温度状况，经过图像处理、数据分析，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。比如，利用红外热像仪对窑炉进行分区块的检测，并通过红外分析软件，对得到的热图像进行温度分布的分析。如在没有冷却器存在的部位，通过炉皮表面的不同变化，可以直接判断有无内衬缺陷。如果某部位拍摄的热图对比温度尺寸上升，可以认定炉内衬已有损坏侵蚀；对于有冷却器存在的部位，可以依据热图分析表面温度分布情况，找出相对温升高的部位，判断冷却壁损坏或炉内衬缺陷，从而达到检测窑炉的目的。某典型的高炉红外热像仪SG－RX508，特性参数如表1所示。

表1 典型高炉红外热像仪特性参数表

该热像仪应用于窑炉检测，它不仅达到在炉内进行成像的功能，使操作人员“目测”炉内料面情况，同时实时测温，测量数达到十万个温度点，实时显示的测试数据反应了炉内温度或高或底的变化，精确测量出炉内温度，直观的反应出炉内气流变化情况，其应用效果如图1所示。

冶金生产型企业不仅与温度有非常密切关系，同时它也是系统综合性企业。窑炉中关键设备一旦发生事故，不仅经济上损失是巨大的，也容易造成人员的伤害，因此利用红外热成像技术对设备进行检测，了解和掌握设备使用过程的状态，对于及早发现问题查明原因，保证安全的生产运营，延长设备的使用寿命，降低热损耗，节约能源有着重要的意义。红外热成像技术的发展推进了窑炉温度检测技术的发展，目前红外探测成为主要的手段，而且监测速度不断提高，实时性逐渐增强，为操作人员提供了详细的表面温度分布情况，使得操作人员及时了解窑炉的实时状态，促进了窑炉检测技术的发展。

4 结束语

红外热成像技术是现代关键高新技术，是各种检测的重要组成部分，它为冶金自动化提供了全新手段，在工业故障诊断、复杂环境的非接触测温和过程控制等方面有广泛用途［6］。

冶金工业窑炉应用中，红外热成像仪将进一步朝高精度、高灵敏度、智能化、集成化的方向发展。随着各种新型红外热像仪的不断出现和红外热成像技术的不断完善，红外热成像技术将日趋成熟，在窑炉检测、降低能耗方面有着更广阔的前景，将会发挥越来越重要的作用。

［1］Ma Runjin，et al.A Study on Thermovision System and Application to Metallugical Industry［C］／／The IFAC Symposiam on Automation in MM Processing，pp.1992：271－276.

［2］杨立.红外热像仪测温计算与误差分析［J］.红外技术，1999，（7）.

［3］李云红，孙晓刚，原桂彬.红外热像仪精确测温技术［J］.光学精密工程，2007，（9）.

［4］刘教瑜.窑炉检测与控制技术.北京：国防工业出版社，2009：8.

［5］官上洪，王毕艺，赵万利，闫秀生.红外热像仪测温精度分析［J］.光电技术应用，2012，27（3）.

［6］何丽.走向新世纪的红外热成像技术［J］.红外，2002（12）.