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可视化温度识别

作者:C.G. Masi, Control Engineering2007.06.11阅读 5018

  工业测温技术的发展已经超越预测维护的阶段,成为一种主要的传感技术。此类的过程工业应用包括玻璃制品和塑料包装薄膜的生产。
  随着可预测设备维护的红外热象应用日趋白热化,工厂工程师们越来越清楚,关键传感器的优越性能可以保证控制系统在我们的掌控之中。
  红外热成像技术或者热成像技术,通过监测物体发射的红外线来绘制此物体的表面温度图谱。一台红外热像仪将不同的温度对应不同的颜色,使肉眼能够识别非常狭窄的温度区间。所有的热像仪在其图像中都使用“伪色彩”,因为实际的色彩都位于红外区间,而这一区间内的颜色肉眼是无法识别的。更重要的是,此类设备还具有分析图像并从图像中提取精确的控制信息的能力。
  热成像技术的发展趋势
  历史上,热成像技术的发展是依靠将自身适应于新的应用领域,进而巩固其地位,然后再扩展到其他应用领域。它最早的工业应用始于20世纪80年代,用于电子元器件装配的失效分析。工程师分析那些没有通过电气检查的电路板的热像图,希望对设计或者工艺过程进行修改,进而改进生产。

图1加热器的热像图显示了温度的变化蓝色区域是最热处而红色区域是最冷处  一些设计人员也使用热成像技术来分析原型板上的热流在…
图1: 加热器的热像图显示了温度的变化,蓝色区域是最热处,而红色区域是最冷处。

  一些设计人员也使用热成像技术来分析原
型板上的热流。在没有计算机热流仿真的情况下(计算机热流仿真将在之后讨论),热成像技术为电子装配中的热源控制提供了最快且最廉价的工具。
  到20世纪90年代,设备工程师开始开发可预测性维护程序,与常规温度检测结合。他们定期收集一些设备的温度参数,例如电动马达、变速齿轮、变压器和其他功率设备。初始机械装置失效,例如轴承磨损、绝缘击穿和接触腐蚀都会产生过热或过冷点,尽早发现这些问题可以避免重大故障的发生。
  我们正处在这样一个阶段,工艺工程师正在采用测温技术来帮助控制生产过程。如果知道了关键点温度在时间和空间上的变化,工程师就可以调整自动控制系统的设定值和参数,以改进产品的质量和提高产量。
  例如,塑料包装薄膜是通过连续的挤压过程生产的。聚合材料被加温到熔点以上,以液体形式进入挤压机,此时聚合材料的粘性介于糖和水之间,材料越热,粘性越低。
  许多管子用来供料,材料经过压模机,每分钟压出120到140英尺的片料。承料网上有一定应力,当片料经过一个叫做压模机的冷却滚轮时CONTROL ENGINEERING China版权所有,每分钟将被拉伸到1000到2000英尺,此工艺会将片料冷却,凝固,确定尺寸。
  当然,在给定拉伸力的情况下,材料的粘性会影响它的拉伸量。温度更高、粘性更低的材料会比温度低、粘性大的材料拉伸的更大、更薄。
  这些宽度超过400英寸,厚度只有几分之一英寸的片料,由承料网上的多个区域组成,每个区域有一根供料管。片料的最终形状由供料管的熔化温度决定。如果供料管的温度太低,就会导致材料的粘性过高www.cechina.cn,不能被充分拉伸www.cechina.cn,最终这部分材料的内部应力会损坏承料网。

红外热像技术和红外线成像技术的竞争
  虽然都是检测物体在常温下放射出的红外线热辐射,进而将其形成图像控制工程网版权所有,红外热像仪和红外线照相机却是两种十分不同的方法。主要的区别在于将电磁辐射转换成电信号输出的传感元件。
  只要不是绝对零度,任何物体都会发射出电磁辐射。光谱强度(这个强度是频率或者波长的函数)具有特征形状,在0频率处为0,然后快速达到峰值,在频率无穷大处又渐近于0。随着物体温度的上升,这个强度峰值向高频率(短波长)处移动。
  对于低温物体(几十开尔文)峰值出现在无线电和微波频率范围内;常温物体(几百开尔文)峰值出现在红外线光谱区域,高温物体(几千开尔文或者更高)峰值出现在可见光谱区域内。

红外线成像仪使用区域扫描技术同时收集图像的所有部分的红外线辐射;而红外热像仪使用一面移动镜头以每次一个像素的速度移动顺序…
红外线成像仪使用区域扫描技术控制工程网版权所有,同时收集图像的所有部分的红外线辐射;
而红外热像仪使用一面移动镜头,以每次一个像素的速度移动。顺序扫描
系统中,被测物的移动产生垂直解析度。
来源:Control Engineering


  热辐射的峰值频率随着温度的升高而平稳增加,从黄色到蓝色,再到紫外区以及自外之后的区域。人类将蓝色与冷、红色与热联系起来,这是因为人类进化进程中的一件事:我们的祖先遇到的最冷的物体就是水和冰,而它们是蓝色的,因为反射了蓝天的颜色;遇到的最热的物体就是野火,是红色或者黄色的。天文学家遇到的物体(星体)的温度从几千开尔文到上百万开尔文,他们将红色和冷、蓝色和热相联系。
  热像仪和红外线照相机所感应到的红外线的波长是人眼无法感知的,所以仪器将不同的颜色分配给不同的波长,这就产生了我们所谓的“伪彩色图像”。
  由图所示,一台红外线照相机本质上是一个区域扫描的带有电荷耦合摄像头的照相机,它在前端带有红外线滤镜。硅CCD元件对光谱的红外线部分和可见光部分都有强烈的反应,所以专门用于可见光的CCD摄像头必须滤除红外光以获得优质的照片。
  CCD摄像头通过将射入光量子的能量转换成自由电子,进而对入射光产生反应。每入射一个光量子,就产生一定数量的自由电子,一块电路板负责收集这些自
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