礦用紅外熱成像攝像儀的研究與應用

王樂軍，張立亞

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應急避險技術裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013

煤礦井下高負荷運行的電氣設備較多，在瓦斯體積分數高、煙塵含量大的環境中，易發生火災，并且井下自燃火源具有較強的隱蔽性，在我國重點煤礦中，56% 以上礦井都存在自燃風險。隨著智能化、信息化技術的發展，智能礦山建設在各大煤礦快速推進，煤礦火災、溫度智能監控已成為煤礦智能礦山的主要研究方向。因此，有必要開展火災隱患智能化監測和識別方面的研究。

目前煤礦火源探測技術不成熟，不能準確、快速確定井下火源的位置及自燃程度[1-4]。針對以上問題，筆者結合紅外熱成像技術和礦用 5G 通信模組，設計了礦用本安型紅外熱成像攝像儀。該產品基于物體表面的溫度差來捕捉相關的信息，利用物體向外輻射的紅外線波段，將煤礦井下的電氣設備及人體進行紅外成像，實現對電氣設備等場景的溫度監測。該產品適用于黑暗條件下的礦山隱蔽火源的分布和位置監測，對井下火災隱患的排除及日常巡檢具有重要意義。

1 紅外熱成像技術

在自然界中，當物體溫度高于絕對零度時，物體內部就會產生熱運動，并不斷向四周輻射特定波段的電磁波。紅外線的波段位于 0.75～100 μm，紅外熱成像技術就是將該波段信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像或圖形，進一步計算出溫度值，從而反映出物體表面的溫度場。紅外熱成像技術超越了視覺障礙，使人們可以看到物體表面的溫度分布狀況[5-6]。黑體的輻射功率Pa(λT)與絕對溫度T之間滿足

式中：Pa(λT)為黑體的輻射出射度；λ為波長；T為絕對溫度；C1、C2為輻射常數。

根據斯特藩-玻爾茲曼定理，Pa(T)與溫度T的 4次方成正比，即

而實際物體接近黑體的程度

由此可推出所測物體實際溫度

根據紅外熱成像測溫方程，可以對紅外熱成像攝像儀進行校準，為其精確測溫提供保證。

2 礦用 5G 通信模組技術

由于煤礦 5G 通信系統已經部署應用，在進行 5G通信模組設計時，通過 5G 模組可以直接接入礦用5G 通信系統，實現大帶寬、低時延的圖像和視頻的回傳[7-8]。

5G 通信模組將 5G 基帶芯片、射頻模塊、存儲單元和電源管理等模塊集成封裝。其核心巴龍 5000芯片主要由主芯片、PMU 和射頻組成。在進行模組性能驗證中，考慮到井下復雜的環境，通信模組的工作溫度范圍設定為 -40～85 ℃，同時進行可靠性設計，以滿足煤礦井下高溫、潮濕和高粉塵環境要求。

5G 通信模組主要技術參數：支持頻段 5GN78：3 300～3 800 MHz；5GN41：2 496～2 690 MHz；GN79：4 400～5 000 MHz；支持 IPv4、IPv6，并對模組進行了低功耗設計，在額定電壓 DC 12 V 的情況下，額定電流可達到 500 mA。

3 礦用本安型紅外熱成像攝像儀

3.1 非制冷紅外焦平面設計

傳統的測溫方法大多為接觸性測溫，通過在特定待測點上添加熱電偶，測量該點溫度，這種方法只能測量局部溫度，不能反映整個溫度場的情況。

通過技術對比分析，礦用本安型紅外熱成像攝像儀采用非制冷紅外焦平面設計，使用微測輻射熱計作為紅外探測器。紅外探測器將焦平面反饋出的實際溫度作為控制系統的輸入信號，控制系統處理反饋信息，做出響應，進而影響焦平面。因此，非制冷焦平面溫度控制系統其實是一個各部分相互影響的循環系統。非制冷紅外焦平面探測器主要包括微測輻射熱計模塊、讀出電路模塊和真空封裝模塊。

目標對象的熱輻射通過紅外光學系統聚焦到焦平面陣列上，每個微橋中的紅外吸收層采集到紅外能量后，引起溫度發生變化。不同的微橋收集到不同的熱輻射能量，導致自身的溫度變化各不相同，引起各個微橋的熱敏層電阻值產生改變。變化量由讀出電路模塊轉換成電信號輸出，通過信號采集、處理后，得到基于溫度場分布的圖像。

紅外輻射引起的相元變化為 ΔT，由此引起的電流

式中：p為熱釋電系數；S為像素面積；η為輻射系數；ω為大氣發射率；p0為表面對環境輻射的發射率；G為熱像儀增益，即放大倍數；τ為大氣透過率。

由于探測器是電容性的，故需考慮其單元電容Ce，由此得到熱釋電輸出電壓

式中：R為光譜響應度。

由上述可得，探測溫度響應

式中：P為光學系統產生的雜散輻射通量。

3.2 本安設計

礦用本安型紅外熱成像攝像儀主要由光學系統、探測器、信號處理器和顯示器組成[9-10]，其工作原理如圖 1 所示。當井下電氣設備發出紅外輻射后，輻射進入攝像儀的光學系統，調制器把紅外輻射調制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射校正后，轉變為被測目標的溫度[7]。

圖1 紅外熱成像攝像儀工作原理Fig.1 Working principle of infrared thermal imaging camera

井下電流密度大，爆炸性混合物多，用于井下的電氣設備一般分為隔爆型和本安型 2 種。隔爆型電氣設備殼體較重，占用空間大，不易操作和挪動；本安型電氣設備具有體積小、質量輕、操作便捷等優點。

根據井下本安設備參數的要求，通過電源轉換模塊，實現了 127/220 V 等井下常用電壓轉換為攝像儀工作電壓 12 V，同時工作電流≤1A，達到了煤礦本安設計的要求[11]。

礦用本安型紅外熱成像攝像儀支持多種掃描方式，包括自動掃描、垂直掃描、巡航掃描、全景掃描和區域掃描等，可實現移動偵測、遮擋報警、異常報警、動態火點搜索、煙霧和火點檢測等功能。熱成像儀機芯自帶熱成像通道，智能監測火點。當熱成像攝像儀監測到火點后，其相關信息將顯示在熱成像通道的預覽畫面并進行聯動報警；熱成像通道不受光線影響，可真正實現全天 24 h 監控，同時可以在客戶端進行遠程視頻監測。

4 測試試驗

將礦用本安型紅外熱成像攝像儀安裝在井下，通過光纖接入井下工業環網，地面服務器和上位機可進行遠程視頻監控。測試對象選擇井下變電所高壓設備，在設備滿負荷狀態運行時，進行紅外熱成像測試[12-14]。測試時給設備提供足夠的發熱時間，使設備表面溫度穩定，以提高測試效率。

4.1 主觀試驗驗證

礦用本安型紅外熱成像攝像儀開機后自檢正常，根據環境調整攝像儀背景溫度，調整測試目標發射率，并設置色標溫度量程，將背景溫度和測量距離調至適當值，對可疑發熱點做精確監測，區分發熱類型，對可疑發熱點進行拍攝。礦用本安型紅外熱成像攝像儀拍攝到的設備整體溫度熱成像如圖 2 所示，設備局部成像如圖 3 所示。

圖2 設備整體溫度熱成像Fig.2 Thermal imaging of whole equipment

圖3 設備局部溫度熱成像Fig.3 Thermal imaging of local equipment

由圖 2 可以看出，礦用本安型紅外熱成像攝像儀可以對發熱體不同溫度下的發熱點進行全方位清晰反映。在圖像的右側區域顯示了監測畫面的不同顏色對應的不同溫度值，畫面的溫度值范圍為 27.84～54.25 ℃。同時，可以設置高溫報警值，例如報警閾值設置為 55 ℃，當被監測畫面出現 55 ℃ 及以上的溫度值時，進行報警。

由圖 3 可以看出，礦用本安型紅外熱成像攝像儀的溫度監測邊界比較明顯，說明熱成像的靈敏度比較高。通過試驗分析，該攝像儀的測溫靈敏度達到 50 mK，即靈敏度為 0.05 ℃，當被監測物體表面有 0.05℃ 的溫差時，礦用本安型紅外熱成像攝像儀即可捕捉到該溫差。

4.2 客觀試驗驗證

在進行設備客觀參數驗證測試中，測溫誤差為礦用本安型紅外熱成像攝像儀主要技術指標。測試人員對變電所設備進行溫度測試。為保證測試結果的準確性，分別進行 6 次測試求平均值。測試數據如表 1 所列。

表1 測溫誤差Tab.1 Temperature measuring error

測試數據顯示，在測量量程范圍內，通過對比實際溫度與測試溫度，計算得到測溫誤差范圍為 -0.42%～0.35%。可以得到，礦用本安型紅外熱成像攝像儀的測溫誤差＜±0.42%，能夠滿足井下火災隱患的排除和巡檢的需求。

5 結語

結合煤礦井下瓦斯體積分數高、粉塵質量濃度大的環境特點，通過研究紅外熱成像技術、本安技術和礦用 5G 通信模組，研制出礦用本安型紅外熱成像攝像儀，實現對煤礦井下高負荷狀態運行的電氣設備實時監控，對煤礦井下隱性火區分布、火源的位置進行有效監測和辨別，提高了煤礦井下火災隱患排除和日常巡檢工作的效率。