基于紅外熱像技術(shù)的制動(dòng)輪溫升監(jiān)測系統(tǒng)研究

引言

制動(dòng)器是電梯必備的組成部分,也是重要的安全保護(hù)裝置之一。制動(dòng)器得到停梯指令后,制動(dòng)閘瓦在彈簧力的作用下抱緊制動(dòng)輪:得到啟動(dòng)指令后,制動(dòng)器電磁鐵線圈通電,制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)輪分離,制動(dòng)輪在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下正常轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電梯正常平層時(shí),其作用是保持轎廂靜止不動(dòng):當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí),其作用是及時(shí)制動(dòng)轎廂,防止發(fā)生沖頂或蹲底等嚴(yán)重的電梯事故。因此,制動(dòng)器對確保電梯安全運(yùn)行至關(guān)重要。

有時(shí)由于電梯控制出現(xiàn)異?；蛘咧苿?dòng)器零部件損壞,電梯會(huì)出現(xiàn)帶閘運(yùn)行現(xiàn)象,即制動(dòng)閘瓦抱緊制動(dòng)輪的情況下,制動(dòng)輪依然隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問題,電梯長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)閘瓦急劇磨損,制動(dòng)力不足,電動(dòng)機(jī)損壞,因摩擦溫度過高引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。制動(dòng)閘瓦的磨損源于制動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)閘瓦與制動(dòng)輪的異常接觸,而此時(shí)由于摩擦生熱原理,制動(dòng)輪上會(huì)產(chǎn)生異常的溫升現(xiàn)象。因此,可對制動(dòng)輪溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常接觸并預(yù)警。由于電梯制動(dòng)輪工作時(shí)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),難以通過傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器獲取其溫度,因此可采用非接觸式溫度傳感器進(jìn)行測量。

1電梯制動(dòng)輪表面溫度的測量

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展,紅外測溫技術(shù)也日漸成熟。紅外測溫技術(shù)就是根據(jù)物體輻射出來的紅外線的功率,結(jié)合環(huán)境溫度等因素,得到待測物體溫度的技術(shù)。相較傳統(tǒng)的測溫技術(shù),紅外測溫技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)快、對待測物體溫度無干擾等優(yōu)點(diǎn)。紅外熱像儀利用紅

外測溫技術(shù),既可以精確地測量溫度,又可以將溫度信息以圖像的形式顯現(xiàn)出來,便于獲取待測物體表面的溫度分布情況來進(jìn)行分析。

1.1紅外測溫原理

紅外測溫技術(shù)主要是利用物體輻射出紅外線的功率,其理論基礎(chǔ)是普朗克黑體輻射定律,該定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長的分布規(guī)律[5]。普朗克提出的黑體輻射公式如下:

式中:-A為黑體輻射電磁波中波長A的功率密度(也稱為黑體在波長A處的單色輻出度）:h為普朗克常數(shù):c為真空中的光速:k為玻耳茲曼常數(shù):T為黑體溫度。

由公式（1）可知,黑體輻射電磁波某一波長功率密度隨溫度的升高而增大。圖1所示為黑體單色輻出度與波長和溫度的關(guān)系。

從圖1可以看出,黑體輻射電磁波的絕大部分能量都集中在紅外線的波長范圍內(nèi),可以將紅外線波長范圍的能量近似為總的輻射能。紅外熱像儀就是通過檢測紅外輻射來獲得物體的溫度信息。

1.2紅外熱像儀的選擇

紅外熱像儀作為一種紅外測溫成像設(shè)備,主要具有以下兩種功能:

（1）紅外測量功能:每一個(gè)測量單元將接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換成為電信號,得到一個(gè)測量值:

（2）熱圖像生成功能:每一個(gè)測量單元的測量值以一個(gè)圖像灰度的形式表現(xiàn)出來,組合成為一張紅外圖像。

圖1黑體單色輻出度與波長和溫度的關(guān)系

紅外輻射的大小和溫度相關(guān),紅外熱像儀所生成的熱圖像中的像素點(diǎn)灰度與溫度有映射關(guān)系。紅外熱像儀在生成熱像的同時(shí),還可以計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的溫度,以標(biāo)尺的形式顯示在圖像中。紅外圖像最終以灰度圖像或偽彩色圖像的形式存儲(chǔ)在熱像儀中,顯示在熱像儀的顯示屏上或者通過USB、網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

在選擇熱像儀時(shí),主要考慮以下幾個(gè)要求:

(1）儀器工作溫度范圍及待測物體溫度范圍。熱像儀需要安裝在電梯的機(jī)房中,環(huán)境溫度一般在5～40℃:待測制動(dòng)輪表面溫度最低與環(huán)境溫度相同,正常情況下,表面溫度最高不超過50℃,在與制動(dòng)閘瓦摩擦的情況下溫度可能超過100℃。因此,選取熱像儀時(shí)其測溫范圍除了要滿足最低溫的限制以外,最高可測溫度應(yīng)盡可能高,以滿足一些極端情況下的溫度測量。

(2）紅外分辨率。設(shè)備的分辨率對其成像效果的影響非常大。對同一待測物體,分辨率高的熱像儀可以獲取更精確的溫度分布情況,但對數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理的要求也更高。另外,熱像儀與待測物體的安裝距離和熱像儀視場角都會(huì)對測量所需的最低紅外分辨率產(chǎn)生影響。

(3）溫度測量精度。溫度測量精度主要由熱像儀測量單元的精度和標(biāo)定的精度決定。熱像儀測量值要在系統(tǒng)容許的誤差范圍之內(nèi),否則會(huì)對系統(tǒng)的測量效果產(chǎn)生影響。

(4）通信接口。一般熱像儀都具備存儲(chǔ)功能,可以在拍完紅外圖像后通過USB數(shù)據(jù)線將紅外圖片上傳至電腦。為了實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測,需要熱像儀具有實(shí)時(shí)通信的接口,以便將實(shí)時(shí)紅外圖像上傳到圖像處理單元進(jìn)行處理。

綜合以上因素,本系統(tǒng)選用FLIR公司生產(chǎn)的FLIRC3熱像儀。該熱像儀的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

除表1所述關(guān)鍵參數(shù)外,FLIRC3熱像儀還具備可見光數(shù)碼相機(jī),可以通過熱像儀內(nèi)置的多波段動(dòng)態(tài)成像(MSx）技術(shù),將可見光圖像細(xì)節(jié)疊加至全分辨率的紅外圖像上,將可見光圖像中較為明顯的邊緣信息增加到紅外圖像中。同時(shí),可利用串口服務(wù)器作為網(wǎng)關(guān),組建無線局域網(wǎng),將計(jì)算機(jī)與熱像儀相連,在計(jì)算機(jī)軟件中設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控接口,使溫升監(jiān)測系統(tǒng)作為電梯制動(dòng)器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng),與其他監(jiān)控模塊一起監(jiān)測電梯制動(dòng)器的運(yùn)行。

2系統(tǒng)硬件連接

基于紅外熱成像技術(shù)的電梯制動(dòng)輪表面溫升監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要包括紅外熱像儀、三腳架、串口服務(wù)器和計(jì)算機(jī)4個(gè)部分。紅外熱像儀用于采集紅外圖像和可見光圖像,并將兩種圖像疊加后的圖像通過wi-Fi信號上傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理:三腳架用于固定紅外熱像儀,使其正對著待測表面:串口服務(wù)器一方面用于組建無線網(wǎng)連接紅外熱像儀和計(jì)算機(jī),另一方面作為網(wǎng)關(guān)對外提供整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)用接口,便于組建更大的關(guān)于制動(dòng)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng):計(jì)算機(jī)接收紅外熱像儀傳來的圖像,通過處理獲得制動(dòng)輪的區(qū)域及其溫度分布信息,便于現(xiàn)場以及遠(yuǎn)程的監(jiān)控和處理。整個(gè)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

其中,熱像儀的型號為FLIRC3,串口服務(wù)器的型號為智聯(lián)物聯(lián)串口服務(wù)器ZC1000。熱像儀通過USB數(shù)據(jù)線連接5V電源,計(jì)算機(jī)和串口服務(wù)器分別通過各自的電源適配器連接220V電源供電。計(jì)算機(jī)和紅外熱像儀連接串口服務(wù)器的wi-Fi,使它們處于同一個(gè)局域網(wǎng)中,利用計(jì)算機(jī)登錄串口服務(wù)器設(shè)置界面,獲取紅外熱像儀在這個(gè)局域網(wǎng)的IP地址。

3系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于紅外熱成像技術(shù)的電梯制動(dòng)輪表面溫升監(jiān)測系統(tǒng)主要由圖像采集與傳輸模塊、圖像處理與存儲(chǔ)模塊、預(yù)警信息生成模塊、用戶界面顯示模塊組成。通過對獲取的紅外圖像進(jìn)行處理、計(jì)算,獲得制動(dòng)輪的溫度信息,再將其顯示到現(xiàn)場的顯示設(shè)備上:在制動(dòng)輪溫度出現(xiàn)異常時(shí),生成預(yù)警信息提醒現(xiàn)場技術(shù)人員處理。

3.1圖像采集與傳輸模塊

圖像采集與傳輸模塊主要負(fù)責(zé)紅外圖像的定期獲取與接收。在完成計(jì)算機(jī)與紅外熱像儀的通信初始化后,計(jì)算機(jī)以一定的頻率向紅外熱像儀發(fā)送控制信息,使紅外熱像儀拍攝并上傳紅外圖像與MSx圖像:收到圖像后,記錄下收到圖像的時(shí)間,和圖像一起存儲(chǔ)在PictureInput類的實(shí)例中,交給圖像處理與存儲(chǔ)模塊進(jìn)行處理。圖3所示為圖像采集與傳輸模塊程序流程圖。

其中,PictureInput類包含3個(gè)屬性:具有6個(gè)元素的元組timenoО和對象pict、pictmsx。timenoО存儲(chǔ)了當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒,便于后續(xù)的圖像處理過程中確定每一張圖像的接收時(shí)間,以判斷圖像的先后順序:pict是存儲(chǔ)紅外圖像數(shù)據(jù)的對象,pictmsx是存儲(chǔ)MSx圖像的對象。對于每一組圖像,即同一時(shí)刻拍下來的紅外圖像和MSx圖像,實(shí)例化一個(gè)PictureInput類的對象,存儲(chǔ)這兩張圖像和收到它們的時(shí)間,然后對象整體交由下一個(gè)模塊進(jìn)行處理。

3.2圖像處理與存儲(chǔ)模塊

圖像處理與存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)對紅外圖像的處理、制動(dòng)輪表面溫度的計(jì)算以及紅外圖像的存儲(chǔ)。利用邊緣增強(qiáng)后的MSx圖像,首先進(jìn)行預(yù)處理,消除圖像中的噪聲:然后進(jìn)行邊緣提取,找到制動(dòng)輪表面在圖像中的邊緣,進(jìn)而確定制動(dòng)輪在紅外圖像中的相對位置,再從原始紅外圖像中截取出相應(yīng)的區(qū)域,通過紅外熱像儀的灰度—溫度對應(yīng)關(guān)系得到制動(dòng)輪的溫度分布,求出當(dāng)前時(shí)刻視場內(nèi)制動(dòng)輪區(qū)域的平均溫度和最高溫度:將收到圖像的時(shí)間、原始的MSx圖像、原始的紅外熱圖像、制動(dòng)輪在圖像中的相對位置信息、制動(dòng)輪表面溫度信息存入Picture0utput類的實(shí)例中,交給預(yù)警信息生成模塊進(jìn)行處理。如果用戶開啟了存儲(chǔ)功能,則在原始的MSx圖像和紅外熱圖像中添加一個(gè)用于標(biāo)記制動(dòng)器表面區(qū)域的方框,再將處理后的圖片存入事先部署好的數(shù)據(jù)庫中,以獲取圖像的時(shí)間來命名。圖4所示為圖像處理與存儲(chǔ)模塊程序流程圖。

其中,Pictureoutput類包含以下幾個(gè)屬性:元組tempi一nf、對象picti一put、對象orbaepfk。元組tempi一nf記錄制動(dòng)輪表面的溫度信息,對象picti一put是上一個(gè)模塊傳來的Pictures一put類的對象,對象orbaepfk記錄制動(dòng)輪區(qū)域在紅外圖像中的位置。將這些信息整合到一個(gè)Pictureoutput類的對象以后,交由下一個(gè)模塊進(jìn)行處理。

3.3預(yù)警信息生成模塊

預(yù)警信息生成模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)溫度信息判斷當(dāng)前電梯制動(dòng)器制動(dòng)輪所處狀態(tài),并生成相應(yīng)的報(bào)警信息?？刹捎萌夘A(yù)警的預(yù)警模式,即異常狀況分為3個(gè)預(yù)警等級:普通異常等級、嚴(yán)重異常等級和緊急異常等級,對應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)依次提高。當(dāng)溫度未達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)時(shí),直接向用戶界面顯示模塊轉(zhuǎn)交當(dāng)前圖像、溫度等信息:當(dāng)溫度達(dá)到普通異常等級對應(yīng)溫度時(shí),生成異常報(bào)告,記錄發(fā)生異常的時(shí)間、溫度及對應(yīng)的圖像信息,并向用戶界面顯示模塊發(fā)送:當(dāng)溫度達(dá)到嚴(yán)重異常等級對應(yīng)溫度時(shí),在普通異常處理的基礎(chǔ)上,向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送此次異常信息的報(bào)告,以便遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)獲悉并作出響應(yīng):當(dāng)溫度達(dá)到緊急異常等級對應(yīng)溫度時(shí),在嚴(yán)重異常處理的基礎(chǔ)上,向電梯控制柜發(fā)送異常信號,使電梯停止運(yùn)行,等待維保人員現(xiàn)場檢修。圖5所示為預(yù)警信息生成模塊程序流程圖。

3.4用戶界面顯示模塊

用戶界面顯示模塊主要根據(jù)上一個(gè)模塊傳來的信息,將實(shí)時(shí)溫度圖片和報(bào)警信息顯示在用戶圖形界面上。如果未出現(xiàn)異常,則顯示目前制動(dòng)器的溫度信息,并將標(biāo)記了制動(dòng)器區(qū)域的Msx圖像和制動(dòng)器區(qū)域的紅外圖像顯示出來:當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí),在用戶界面中顯示預(yù)警信息,提醒現(xiàn)場的維保人員進(jìn)行檢修,同時(shí)將異常信息添加到工作日志中,便于日后的故障分析及處理。

4結(jié)語

本文基于紅外熱成像技術(shù)的電梯制動(dòng)輪表面溫升監(jiān)測系統(tǒng)的研究,通過紅外熱像儀獲取電梯制動(dòng)器制動(dòng)輪表面的紅外熱圖像,經(jīng)過圖像處理、溫度計(jì)算、異常處理及顯示,可實(shí)現(xiàn)電梯制動(dòng)輪表面溫升情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測,對異常溫升及時(shí)預(yù)警,保障電梯運(yùn)行安全。