安防網訊 自然界中的一切物體只要它的溫度高于絕對溫度-273℃就存在分子和原子無規則的運動其表面就不斷地輻射紅外線紅外線是一種電磁波它的波長范圍為0.78~1000um不為人眼所見紅外成像設備就是探測這種物體表面輻射的不為人眼所見的紅外線的設備它反映物體表面的紅外輻射場即溫度場

    注意紅外成像設備只能反映物體表面的溫度場

    對于電力設備紅外檢測與故障診斷的基本原理就是通過探測被診斷設備表面的紅外輻射信號從而獲得設備的熱狀態特征并根據這種熱狀態及適當的判據作出設備有無故障及故障屬性出現位置和嚴重程度的診斷判別

    為了深入理解電力設備故障的紅外診斷原理更好的檢測設備故障下面將初步討論一下電力設備熱狀態與其產生的紅外輻射信號之間的關系和規律影響因素和DL500E的工作原理

    一．紅外輻射的發射及其規律

    （一）黑體的紅外輻射規律

    所謂黑體簡單講就是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等于1的物體也就是說全吸收顯然因為自然界中實際存在的任何物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射吸收率不等于1所以黑體只是人們抽象出來的一種理想化的物體模型但黑體熱輻射的基本規律是紅外研究及應用的基礎它揭示了黑體發射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關系

    下面我著重介紹其中的三個基本定律

    1．輻射的光譜分布規律-普朗克輻射定律

    一個絕對溫度為TK的黑體單位表面積在波長λ附近單位波長間隔內向整個半球空間發射的輻射功率簡稱為光譜輻射度MλbT與波長λ溫度T滿足下列關系

    MλbT=C1λ-5[EXPC2/λT-1]-1

    式中C1-第一輻射常數C1=2πhc2=3.7415×108wm-2um4

    C2-第二輻射常數C2=hc/k=1.43879×104umk

    普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎介紹起來比較抽象這里就不仔細講了

    2．輻射功率隨溫度的變化規律-斯蒂芬-玻耳茲曼定律

    斯蒂芬-玻耳茲曼定律描述的是黑體單位表面積向整個半球空間發射的所有波長的總輻射功率MbT簡稱為全輻射度隨其溫度的變化規律因此該定律為普朗克輻射定律對波長積分得到

    MbT=∫0∞MλbTdλ=σT4

    式中σ=π4C1/15C24=5.6697×10-8w/m2k4稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數

    斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發地向外發射紅外熱輻射而且黑體單位表面積發射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比而且只要當溫度有較小變化時就將會引起物體發射的輻射功率很大變化

    那么我們可以想象一下如果能探測到黑體的單位表面積發射的總輻射功率不是就能確定黑體的溫度了嗎因此斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎

    3．輻射的空間分部規律-朗伯余弦定律

    所謂朗伯余弦定律就是黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比如圖所示

    Iθ=I0COSθ

    此定律表明黑體在輻射表面法線方向的輻射最強因此實際做紅外檢測時應盡可能選擇在被測表面法線方向進行如果在與法線成θ角方向檢測則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的COSθ倍

    （二）實際物體的紅外輻射規律

    1．基爾霍夫定律

    物體的輻射出射度MT和吸收本領α的比值M/α與物體的性質無關等于同一溫度下黑體的輻射出射度M0T其表明吸收本領大的物體其發射本領大如果該物體不能發射某一波長的輻射能也決不能吸收此波長的輻射能

    2．發射率

    實驗表明實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外還與構成該物體的材料性質及表面狀態等因素有關這里我們引入一個隨材料性質及表面狀態變化的輻射系數則就可把黑體的基本定律應用于實際物體這個輻射系數就是常說的發射率或稱之為比輻射率其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比

    這里我們不考慮波長的影響只研究物體在某一溫度下的全發射率

    εT=MT/M0T

    則斯蒂芬-玻耳茲曼定律應用于實際物體可表示為

    MT=εT.σT4

    （三）發射率及其對設備狀態信息監測的影響

    物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收反射和透射而且吸收率α反射率ρ和透射率τ之和必然等于1

    α+ρ+τ=1

    而且其反射和透射部分不變因此在熱平衡條件下被物體吸收的輻射能量必然轉化為該物體向外發射的輻射能量由此可斷定在熱平衡條件下物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發射率

    αT=εT

    其實由基爾霍夫定律我們也可以推斷出以上公式

    MT/αT=M0T

    εT=αT

    εT=MT/M0T

    則對于一個不透明的物體εT=1-ρT

    根據上式我們不難定性地理解影響發射率大小的下列因素

    1．不同材料性質的影響

    不同性質的材料因對輻射的吸收或反射性能各異因此它們的發射性能也應不同

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