1、山东大学硕士学位论文基于移动机器人的变电站设备巡检系统姓名：李向东申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：李贻斌20070427山东大学硕士学位论文中文摘要变电站的巡检工作在保证变电站正常生产、安全运行方面占有极其重要的地 位.传统的巡检任务需要运行巡检人员每天都到各个变电站去做定期巡检，采集 大量的运行数据，做大量的运行日常巡检工作。这样一来，就给变电站的日常维 护、巡检带来了一定的困难，特别是日常的运行维护工作，由于日复一日，且基 本上都是重复性工作，容易导致一部分巡检人员产生厌烦心理，巡检工作有时不 到位，人还没到达现场巡检，巡检报表就已经捏造填写完毕了，这样就明显的偏 移了设置巡检岗
2、位的目的了。随着自动化水平的提高和变电站无人化值守的开 展，也需要人定期到现场检查部分设备.为了解决这种矛盾，根据山东电力的实 际情况，为了兼顾变电站传统的运行方式和机器人技术应用的发展，由山东电力 研究院、山东鲁能智能技术有限公司、清华大学智能技术与系统国家重点实验室 联合承担开发了 2002年立项的变电站巡检智能机器人样机平台，配置灵活方便, 技术先进，既保护了已有投资，又极大地提高了技术含量，为安全生产提供了可 靠保障。变电站巡检机器人是集多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划 技术、机器人视觉、语音技术、海量、稳定的无线传输技术于一体的复杂系统。 经过现场的运行证明该机器人能代
3、替（或部分代替）值班人员进行变电设备的巡 检，即时发现运行设备的异常、缺陷和故障，以便即时处理，保障系统运行的安 全可靠。同时巡检机器人具有保安和报警等功能.关键词：机器人：红外检测；变电站；控制ABSTRACTIt is very important to patrol in transformer substation, in order to keep the production and safety in gear. In the passed, we must go to everywhere everyday to check the substation and collect
4、 vast data. In this way, we couldn t keep the daily checking conveniently, especially the daily maintenance. Because of the tautology, it did disgust some workers sometimes, so that some reports were finished without checking, which evidently excurse our motive. Though automatization advanced and no
5、body-running developed, we need to check parts of equipment in a certain time. Hoi to resolve this conflict.The bra inpower-robot was developed into H-technique whose scheme flexible and convenience basing on the fact of Shandong. This program was invested in 2002 by Shandong Electric-power Academe,
6、 Shandong Luneng Intellengence Technology Ltd., the State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems Tsinghua University. It not only protects the passed investment, but also guarantees the production safe credibly. The robot is a complex system including the syncretized technique of trans
7、ducer, compatibili-ty of electromagnetism, the navigation and be-havior programming, vision, sound, great cap-acity of transmission steadily. In the spot experiment, the robot can do all or most of the checking instead of people. He can find out the differences, limitation, and malfunction imme-diat
8、ely, so that we can dispose immediately and keep everything gonging on well. Therefore the robot is an alarm or safe police.Key words： robot;infrared detecting;transformer substation;control山东大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行所究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重
9、要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。论文作者签名：一夕由上 日期：匕K关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名:期：工第一章引言1.1 移动机器人国内外的历史现状由于移动机器人用途广泛，世界各国正在加紧移动机器人的研制。美国军方于 1984年开始研制第一台地面
10、自主车辆，可以在人不干预的情况下自己在道路上形 式.1992年美国研制出时速75公里的自主车。目前仍有许多技术难题未解决.但 地面自主车的研制大大推动了遥控机器人的发展。目前美国“自动化技术协会” （ATC）,每年在移动机器人运动控制、仿真、传感器的投资超过几亿美元。欧共体 （EU）和“机器人技术”有关的课题总数约为250300项，在EU提供基金的机器 人研究领域，移动机器人占22. 8%左右；日本不仅加紧研制移动机器人，更把发展 重点放在移动机器人的应用研究上，目的是可以代替人在各种环境下为人服务（如 在医院、家庭、恶劣的环境和核反映堆、核废料清理和排雷等危险环境下工作）。用 于变电站设备巡
11、检的实用化移动机器人，在国外未见报道.我国移动机器人的研究，相对先进国家来说，起步时间、技术水平、功能、实 用化程度，都有较大的差距.国内研制的机器人样机，有保安机器人、消防机器人 等，有轮式和履带式；但大都是有缆方式，具有小范围内一定的避障功能；除少数 军方单位外，拟人化机器人也只在探索阶段。室外全天候工作，基于GPS和激光测距仪的行为自主规划，具有语音图像功能， 能通过网络远程监控，具有变电站设备巡视、测温和异常报警，安防等实用化功能 的智能移动机器人，在国内未见报道，属国内首创，可填补国内空白。1.2 巡检系统在变电站应用的意义变电站设备巡检智能移动机器人是在变电站无人值班化和加强安全生
12、产的背景 下由各地市供电局提出的.鉴于全省范围内发生了多起因设备内部热缺陷未及时发 现而导致的供电事故和事故扩大化的状况，山东电力集团公司将该项目列为重点 科技项目。与此同时，在目前暂无有效的自动化检测手段的情况下，山东电力集团 公司采取了相应措施，为17个地市供电局统一配备了红外成像仪，虽然不能对数量 如此庞大的变电站进行有效检测，但可在某种程度上实行重点巡检，并决定待该项 第I页共51页山东大学硕士学位论文目研发完成，在济南500KV变电站试用成功后，再在全省范围内推广使用。利用智能移动机器人完成电站设备的巡检，可以提高工作效率和质量，真正起 到减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的
13、进程。变电站巡检智能机器人 的研制是电力生产的一次技术革命，智能移动机器人的非接触式检测与变电站综合 自动化的接触式监控结合，真正形成全监控方式。将大大提高电力生产运行的自动 化水平，为电力系统安全经济生产提供保障，减少停电时间，为各行各业提供可靠 的电力能源，不但可以带来很大的经济效益，而且还可以带来巨大社会效益。1.3 红外热像仪的应用历史现状和未来发展趋势第一台具有实用意义的红外成像系统诞生在第一次世界大战时期，敌对上方都 致力于红外线军事应用的研究，主要包括通过远距离温度监测来侦察敌方入侵、导 航鱼雷和进行保密通讯，一台红外搜索器能探测到1.5公里处的飞机和300米以外 的敌兵，由于红
14、外搜索器提供了暗中观察的手段，因此它首先被军事部门重视。但 是，那时的红外成像系统需要用近红外光束照射被探测的军事目标，再由红外转 换器成像，这就很容易保露自己，所以这种系统（被称为主动式红外成像系统）没 有得到充分发展。第二次世界大战期间，交战各国都致力于没有搜索光束的红外成 像系统（被称为被动式红外热成像系统）的研究，这种系统具有重要的军事价值。 到本世纪60年代，产生一个热像至少需要10分钟的扫描时间，从瑞典的AGA （后 又称AGEMA,现在又改称FLIR）公司研制出第一台商品化的实时被动红外热成像 系统开始，这个限制终于被克服了。人眼看不见红外光谱，而且使用照相机原理来摄取红外图像也
15、很困难，这是由 于制造和保存红外光谱的感光胶片都非常困难.因此，需要把红外辐射转换成可见 光从而把热像显示出来，这种技术就叫红外热成像（InfraredImaging）技术。红外热成像系统是一个利用红外传感器采集被测对象的红外辐射信号，将信号 放大和处理后送至显示器上，形成被测对象的二维温度温度分布图形（二维温度场） 的可见图像的装置。在红外成像的发展史中，已经提到红外成像系统可分为主动式 和被动式两种：（1）主动式红外成像系统1立主动式红外成像系统中有红外辐射源, 这个红外源发射出的红外辐射照射被测物体，系统利用被目标反射的红外辐射摄取 物体的图像。（2）被动式红外成像系统被动式红外成像系统
16、中没有红外辐射 源，是利用物体自身发射的红外辐射摄取物体的图像。被动式红外热成像系统由于 不需要外部红外光源，使用比较方便，所呈现的图像反映了被测物体（目标）温度 差别的信息，成为红外技术的发展方向。红外成像技术就是利用现代高科技手段，在设备不停电的情况下，即在高电压、 大负荷条件下，检测设备运行状况，通过对电气设备表面温度及其分布的测试、分 析和判断，诊断发现电气设备运行异常及缺陷。长期认真的观测就可以将部分事故 检修转为预见性维修，实现电气设备的状态检修，为安全正常运行提供可靠的科学 依据.国内外大量实践与资料证明，该项诊断技术，用来对变电站、发电厂及高压 输电线路运行的设备进行无接触、不
17、停电的情况下的在线测量是一种先进的、高效 的、经济的检测手段，在一定情况下比传统的停电预试更能有效地检测出与运行电 压、负荷电流有关的设备缺陷。目前，主要使用的红外热像仪手持形式的比较多见，手持红外热像仪一般使用 方式，需要预先录下关注点的图像带回实验室进行离线分析，这样并不能实现实时 检测、及时的发现问题.变电站巡检机器人系统分为基站和移动站两个子系统。红 外检测设备安装在移动站上，利用现在已有的无线局域网技术叫 可以使红外热成 像传输到基站进行实时分析存储，能够解决这一难题，及时发现热缺陷问题，并且 得到可靠的电力设备使用情况的科学依据第36页共51页1.4 本课题的研究内容图1”机器人的
18、巡检控瀛福凌至本项目旗研制基于移动平台的变电站设备巡检系统.系统设计如图1-U 12所示，研究内容如下：1、通过红外热像仪巡检电力设备, 测量设备温度和温度梯度；2、后台监控系统对设备的热缺陷进行判断和报警、保安 功能；3、能在任意时间以遥控指令或按预定路线巡检；4、对变电站设备外观（如 破损、渗漏油等）进行巡检；5、巡检系统软件具有一定的人工智能和自学习功能6、 具有图像遥传、仪表检测功能；7、具有设备声音采集和声音异常报警功能；8、可 以通过网络远程操作。基站移动站w 示虹畀一步示控分析款件S 14机器人巡检软件体系结构及数据流图该巡检系统包括电源系统、运动系统、无线通讯系统、控制系统、视
19、觉系统、 语音系统、数据库系统、网络监控主站等部分.1.5 论文各章节安排本文共分为五章.在第一章引言部分介绍了移动机器人和红外检测技术的反展 概况及发展方向；第二章介绍了移动机器人的系统结构和运行使用的原理：第三章 介绍了移动机器人的设计要点及设计方法考虑，这是本文的重点内容；第四章介绍 了移动机器人的参数、性能测试及运行结果：第五章为结论部分。1.6 本章小结本章为该论文的引言，首先介绍了移动机器人在军事领域、工业领域的应用和 前景，以及红外等先进的检测技术在电力生产行业的发展概况.在此基础上重点介 绍移动机器人、电力检测技术的历史现状及发展趋势，最后提出了本课题的研究内 容和各章节的安排
20、。第二章巡检机器人的组成及工作原理2.1 系统组成2.1.1 机械系统结构该系统为两轮驱动方式。后两轮作为驱动轮，分别由两台直流伺服电机提供驱 动力。该系统前轮转向部分采用转向梯形耦合转向机构，后轮采用软件差速进行转 弯。借鉴了有关汽车的较为成熟的转向方式，解决了转弯时侧滑力较大的难题。2.1. 2硬件系统结构机器人控制系统采用分层式控制结构，基站控制系统（上位机）、移动站控制系统（下位机）之间以无线设备相连。如图1/所示，基站系统包括：后台工控机、 基站GPS定位系统、无线通讯设备、网络集线器（HUB）组成。移动站系统包 括：运动控制工控机、图像处理工控机、红外采集系统、可见光采集系统、超声
21、采 集系统、LMS激光采集系统、电机驱动控制系统、云台控制系统、视频服务器、移 动站GPS定位系统、无线通讯设备、网络集线器（HUB）组成.2.1.3软件系统结构机器人软件系统是基于Microsoft公司的Windows2000 professors操作系统，采 用Visual C+ 6.0面向对象编程语言开发设计.分层式控制结构把它分成基站后台硬件结构示意图控制程序、移动站控制程序两大部分.为达到机器人实时控制的目的，采用了多线 程编程结构、实施数据库、实时消息调度触发机制等先进开发理念.很好的解决了 该机器人的多传感器信息融合、复杂道路环境下的实时路径规划等技术难点。2. 2运动控制系统设
22、计2. 2.1系统功能运动控制系统实现机器人动力驱动，根据系统路径规划和遥控指令实现车体的 运动控制，包括速度、位置、加速度控制.1）实现底层动力驱动，由两套直流伺服系统分别实现两后轮的驱动，步进系统 实现前两轮的耦合转向；2）根据车体结构建立车体运动模型，分析机器人运行过程中，两后轮驱动速度 分配与前轮转向角关系：3）根据运动模型将局部路径规划指令与遥控指令分解，实现机器人指令速度（速 度大小、转向角度）与各轮转动相匹配，并将指令下发PMAC,实现车体运动控制.2. 2. 2系统设计实施1）系统结构运动控制系统由上层控制软件同、多轴运动控制器PMAC、直流伺服系统（共 两套，包括茏动器、直流
23、伺服电机、编码器）、步进系统（包括驱动器、步进电机、 编码器）组成，系统的结构简图如图23所示。图2-3运动控制系统结构两伺服系统为机器人动力驱动系统，分别驱动机器人两后轮，步进电机带动 右前轮转动，通过梯形结构实现前轮耦合转向。各电机轴均带有相对编码器，与运 动控制器构成速度闭环，实现状态检测，增强了系统的稳定性。多轴运动控制器PMAC是一种非常灵活的控制器，它可以与各种类型的主机、 放大器、电机和传感器一起完成各种类型的功能，它通过灵活的高级语言可以控制 多轴实现同时运动。对于PMAC来说，每个电机轴就是一个带有输出、反馈和标志 的主控单元，可以给每个电机分配属性，激活它，设置它的各种参数
24、，调节系统性 能。我们的系统使用了两个伺服电机和一个步进电机，分别使用了 PMAC1#、3#和 5#轴，驱动电机与转向电机轴所带编码器与PMAC相连实现数字闭环控制。为了使电机所的实际速度、位置更好的逼近系统所要求的速度、位置，PMAC能自动闭合所有活动电机的伺服环，每个伺服环的性能依赖于伺服环字滤波器的调SJ控制算法结构节一一参数的设置和各个被控物理系统的动力学性能。我们使用的PMAC提供PID 伺服波波器，滤波器网脑过设置每个电机轴的I变量来调节。滤波器简易图及各量 说明如下所示：KP：比例增益（1x30）Ka：微分增益（1x31）桶（Ix36）Kvff：速度前馈增益（1x32）必（Ix3
25、7）Ki：积分增益（1x33）小：（1x38）IM：积分模式（1x34）d2：（1x39）Km加速度前馈增益（1x35）PMAC控制软件采用PEW32,将其动态连接库加载到VC中，调用相应的控制 函数实现对各个电机转速、运动位置、起停、加减速的控制以及电机各种状态信息 的读取。根据系统应用特点，对于PMAC的控制采用的是在线命令。由于直流电机具有启动力矩大，动态性能好，调速范围宽和控制简单等一系列 的优点，因此后轮驱动系统采用直流伺服系统。驱动器采用ADVANCED 50A8型，可以工作在电流模式、电压模式、IR补偿模式和测速机模式例，每种模式都提供了 过压、过流、过热保护，并且便于和各种数字
26、控制器连接实现控制，也可单独与电 机连接实现调速控制.电机采用科尔摩根直流伺服电机，额定转速3000RPM,最高 转速6000RPM。我们系统采用的是电流模式，选择相对编码器安装在电机轴作为检 测与反馈单元，与PMAC连接实现数字闭环控制.步进转向系统选用了金坛四海步进电机的86BYG201型永磁式感应电机，静转 矩 22K）。机器人运动控制差速算法原理如图2-5所示，为方便推导作如下设定：机器人车体宽：W机器人车体长：L机器人轮轴距：A输入机器人指令速度：V 输入指令转向角度；0 将车体模型U。）简化如下:由VT = R9 （T为局部路径规划控制周期）得，机器人转驾半径：R = VT/0假定
27、机器人以。为瞬时转动中心做纯滚动，根据车体模型可作如下推导:、60,机器人右转图车体右转算法示意图0=arctan()R-0.5xAl = - + *4 tan/?tan夕令=Agenttan夕Agent + A + WRI + R3-/ge 加+%x0.5右轮速度：K3 =R3Agent-A x 2嗅9x VM + /G Agent + JxO,5P = arctan()产 W + 0.5xJT/a=一-w-atan/?tan/?令一二二Agenttan万左轮速度：叫L x2P =ge吃KI + 阳Agent- W x 0.5右轮速度：P3 = x2P= 姆川 + &4ge 加-%x0.5、
28、8 :0,机器人直线行驶左轮速度：V = V 右轮速度：K3 = K2)运动控制软件实现根据上层控制指令叩的不同，运动控制系统的实现包括自主行驶和遥控行驶两 种形式。机器人自动行驶时，运动控制系统实时接收局部，路径规划下发的速度和 转向角度指令，首先简化车体模型为两轮形式，计算出车体前轮偏转角，然后再根 据实际的车体结构建立运动学模型，实时匹配两驱动轮速度，并将转向角度与转动 速度转换为控制指令下发到运动控制器PMAC,由PMAC实现对各个电机的位置和 速度调节控制；机器人遥控行驶时，运动控制系统接收指令为前轮偏转角与行驶速 度，将直接根据车体运动学模型进行两后轮的速度匹配，并将指令下发到底层
29、控制 器。同时，在机器人行驶过程中，运动控制系统将实时检测各电机、驱动设备的运 行状态，实现底层设备同相关保护、报警措施.运动控制系统软件控制流程如图2-8所示：机器人自主行驶时：图。自主行驶控制流程图机器人遥控行驶如图2-9所示:2. 3红外热像仪检测系统工作原理2.3.1枪测电气结构工作原理红外热像仪是目前利用红外辐射测温领域中最先进的一种测温设备，其结构一被测目标光机扫描前置放大焦常红外探测波光器聚光器液光器换器 视频放大添加伪彩录像机计算机显示器红外探测器图2-10热像仪旅理图般是由三部分组成（如图2-10所示）：红外探测头、图像处理器、监视器。使用焦平面红外探测头实现温度传感功能。其
30、工作原理是依靠探测微型辐射热量的热探测器(Microbobmeter【网，这种热探测器有四个基本类型：辐射热量热 器(bolometer)、热电偶和热电堆(thermcxxniple&thennopiles)川。4、热气动量热器 (thermopneumatics)热释电探测器(pynelectrics).近年来作为非制冷热成像器发展非常快，其性能迅速提高，达到应用要求。其 中，焦平面阵(FPA)型微型辐射热量热探测器是目前红外热像仪采用的方式，这 种非制冷的焦平面阵探测器的单元探测器电路如图2.11和图242所示。图Ml桥形结构福射热量热探测器电路1 11输出电压三MU2 二 h图12桥形结
31、构粕射热量热探测器电路这种探测器的工作原理，类似于热敏电阻，探测器通过吸收入射的红外辐射致 使自身温度上升，从而引起探测器电阻变化，在外加电压的情况下进而产生信号电 压。在图2/1所示的桥形电路中，两个探测器互相摆放得很近，其中一个暴露接收 外来辐射，另一个屏蔽不接收外来辐射，当暴露得探测器没有收到外来辐射时，桥 形电路是平衡的，此时无信号电压输出，但一旦存在外来红外辐射，其红外辐射就 会引起该探测器温度上升，进而引起探测器电阻变化，这时桥形电路产生不平衡， 引起电流流过电阻R2,从而形成输出信号电压AU,同理，在图2-12交流型电路中, 当存在外来红外辐射时，在辐射热量探测器两端形成的电压变
32、化也会通过桐合电容 输出，对于图2/1、图2/2所示电路在红外辐射入射下所产生的信号电压分别 为v =aC/= /()当桥形电路2& +4+与交流型电路(&+a)双=彩4其中I通过桥形电路的稳态电流4探测器温度随时间的变化量v直流偏压关于辐射热量探测器的响应率，可以举例来说明1、金属型辐射热量热探测器假定探测器热容量b为lO-WK”,发射率e为1,环境温度兀为3OOK,探测器 电阻均为50。，探测器温度4为375K,则 R=82,4叱2、半导体型辐射热量探测器假定 b= 10-腌 &Rd, =1=315K, 4=300K, & = 10%则 R=21000w-1上面结果说明，半导体型辐射热量热
33、探测器的响应率R比金属型要大得多，因 此，通常均采用半导体辐射热量热探测器。由于现代微电子技术的高速发展.使单元辐射热量热探测器的尺寸做到50 u X 50的大小，研制出微型辐射热量热探测器FPA器件，真正达到凝视焦平面成像的 高性能要求。焦平面红外热像仪的空间分辨率和测温特性如上所述，瞬时视场是红外热像仪能分辨的空间最小面积，是全部像素对应的 视场（总场）的组成单元。并以灰度（或色彩）1均代表它的平均温度作为像素（分 辨率）在热图像上得到显示.测温时，如果物体的表面温度均匀一致，面积又大于 或等于瞬时视场，则它（瞬时视场）的平均温度真实反映了物体情况。如果物体面 积小于瞬时视场，它的温度示值
34、只是背景温度、物体温度对瞬时视场面积的加权平 均值，而不是物体的真实温度.因此，瞬时视场与被测物的尺寸是操作者在测温前 必须首先考虑的，但是瞬时视场的面积又随测量距离的增加而增加。从图12的简单 几何分析，瞬时视场的边长A由瞬时视场角6【及测量距离l所决定。并且5 =d/fA/L（mrad）式中：d为单敏感元边长（mm）： A为瞬时视场的边长（mm）f为光学系统焦距（mm）; L为测量的距离（m）红外热像仪空间分辨率：（mrad）红外热像仪的空间分辨率是指单只敏感元经光学系统旧变换后投射到空间的视 场角，以毫弧度（mrad）表示.红外热像仪的每个敏感元件都可以看作一台测温仪, 因此热像仪的空间
35、分辨率相当于测温仪的距离系数，两者关系如表2”所示。表21空间分辨率与距离系数的关系距离系数50100120200300400600空间分辨率20.110.0835.0332.51.67表22红外热像仪不同瞬时视场角6 （mrad）时的空间分辨率序号6L为定值的情况下，瞬时视场尺寸（mm）1m5m10m20m40m100m111X15X510X1020X2040X40100X10021.5L67XL677.67X7.6715.2X15.230X3060X60150X15032.02.23X2.2310.2X10220.2X20.240X4080X80200X20043.03.0 X 3,015
36、X1530X3060X60120X120300X300可根据表24和表22来选择适用的空间分辨率。用于带电设备红外诊断的热像仪必须有较高的温度分辨率，一般应小于或等于0.1 C,测温范围在29t500 C之间。能分档选择，具有较高的测温精度，满量程时测量误差不宜大于3%,在0 C左右，测量误差不宜大于3C,仪器应不受交流高压电磁场的干扰。帧频应高于 20Hz,如果仪器的帧频较低，作扫描检测时应适当放慢移动速度，以免某些缺陷因 时间差而漏捡。2. 3. 2红外辐射的发射及其规律众所周知，所谓红外辐射（或称作红外线，简称为红外），就是电磁波谱中比微 波波长还短、比可见光的红外波长还长（0.75um
37、（入1000Pm）的电磁波。因此， 它也具有电磁波的共同特征：都以横波的形式在空间传播，并且在真空中都有相同 的传播速度：c=入 v=3X108m/s式中入波长（m）v频率（Hz）通常把波长在0.75-3.0u m间的电磁波成为近红外，3.06.0um、6.015.0 um和15.01000U m的电磁波分别称为中红外、远红外和极远红外.尽管物体发射红外辎射的物理机制不只一种，但是，自然界中普遍存在的红外 辐射源（包括电力设备的辐射）是物体的自发热辐射。因此，为了研究电力设备状 态的红外检测和诊断，首先应掌握物体发射红外辐射的基本规律。1）黑体的红外辐射规律由于实际物体（如电力设备）的情况较为
38、复杂，所以研究它们的辐射规律时， 普遍首先从一种简单模型一黑体入手。所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一 切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体。显然，因为自然界中实际存在的任何物 体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1）,所以，黑体只是人们 抽象出来的一种理想化物体模型。尽管如此，黑体热辐射的基本规律却是红外科学 领域中许多理论研究和技术应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及 波长变化的定量关系。具体讲，可以概括为如下四个基本定律。2）辐射的光谱分布规律一普朗克辐射定律一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长A附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率（简称为
39、光谱辐射度）MXb （T）与波长入、温度T 满足下列关系：% =（加配）/卜5（/皿-1亦10，（M/刖）% 波长义的黑体光谱辐射率。c 光速=3X10*m/sh普朗克常数=6.6X10.焦耳秒k 玻耳兹曼常数=1.4乂10力焦耳/KT 黑体的绝对温度（K）% 波长加普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。根据普朗克辐射定律绘制各种温度下的图形，可得到一系列的曲线如图2-13所 示。S2-U普朗克曲战图在任意一条普朗克曲线上，入=0 处的光谱辐射率为零，当波长为人 MAX时，光谱辐射率迅速增大到最大 值，此后又趋向近于零。温度越高，则 出现最大值的波长越短；同时，代表黑 体单位表面积发射所
40、有波长的全部辐 射功率曲线下包围的面积，也迅速增加 （斯蒂芬-玻耳兹曼定律）o3）辐射功率随温度的变化规律一 一斯蒂芬玻耳兹曼定律通过从入=0到入=8对普朗克定律 求积分，可得到黑体单位表面积向整个 半球空间发射的所有波长的总辐射功率 Wb （简称为全辐射率）随其温度的变化 规律，它可表示为特定温度下普朗克曲线下包围的面积。Wb = aT4 （Watt/m2）式中。=5.6697乂10%伽2.玲，称为斯蒂芬玻耳兹曼常数.斯蒂芬玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射 红外热辐射。同时，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比, 并且为唯一的那么，只要当温度有
41、较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率 很大变化，红外测温具有很高的灵敏度。斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基 础。4）红外线峰值波长和物体热力学温度之间的关系一维恩位移定律针对人对普朗克定律求微分并确定最大值，我们可以得到：“max2898TL光谱辐射率（W/cm2 （呷）2：波长（网0式中：入为峰值波长，单位是pmT为物体的绝对温度，单位为K 维恩定律表明最大辐射波长等于一 个常数与物体温度之比。即物体越热其 最大辐射波长越短。根据维恩位移定律，不同波段的红 外线对应的峰值温度范围如图2-14所 示。普朗克曲线，其中虚线表示由维恩 位移定律描述的各种温度下的最大辐射 轨迹图244维用
42、位移定俅示意图表23红外波长分布波段范围绝对温度（K）摄氐温度（C）近 红 外3864-9663591693中红外966-483693210远红外&45Am483193210-80极远红外193-3-80270因此，工业状态检测用红外热像仪一般工作在远红外波段5）辐射的空间分布规律一朗伯余弦定律iiocose图明伯余弦定律示意图物体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正 比，如图2/5所示：Ie = IQCOS0因此，应从多角度进行检测，选择最佳的检测角度。一般检测角度不应该大于 30度（线路上由于检测位置的限制，角度过大，实际测量温度在有效测试距离下， 也偏低）解决
43、方法：记录检测位置，保证不同时间相同位置检测，看温度变化情况6）非黑体辐射对于不透明材料，t=0,所以：%+0=1根据能量守恒定律，在任意指定温度和波长下，在热平衡情况下，物体的光谱 辐射比和光谱吸收比相等，因此，对于不透明的物体：J + 0 = 1得出结论，反射强度越大的物体，其辐射能力越弱红外热像仪为捕捉（接收）物体表面发出的红外辐射，显示物体表面辐射能量 密度的分布情况设备，电力设备中避雷器等非金属电介质材料的设备，其发射率约 0.90左右；而对于导线、隔离开关等使用金属材料的设备，一般由于表面有热塑套 管标识、污秽覆盖、高度氧化等现象的存在，其发射率一般也约0.90左右。因此， 一般检
44、测发射率可调整到0.9；但若要精确测量目标物体的真实温度时，必须事先知 道和了解物体的红外发射率的范围。对于密封开关柜等设备，由于其发热元件与外部表面之间没有传导路径或传导 不良，因此不便于红外检测，这一点在红外检测时要注意。图247红外在大，中穿透分布图红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为“大气窗口，红外热成像检测技 术，就是利用了所谓的“大气窗口”短波窗口在35pm之间，而长波窗口则是在 上1411m之间.2. 4仪表识别及噪声检测原理2. 4.1 自回归(Autoregress i ve)模型我们将传感器采集的、连续变化的参数经过模数转换，得到离散的时间序列： et,t=l,2,卜这
45、个序列可以被称为零均值序列let为p阶自回归(Autoregressive)序列ARS),若et可表示为：et =(plet-l-Hp2et-2+0.)o很明显的，如果我们能把时间序列改写成(I)式的形式，则声音数据中所包含的 信息都凝聚在了 AR(p)序列的这P个自回归系数上了，也就是说，这些系数反映了 需要监控的变压器的运行状态，当这些系数发生异常变化的时候，则可认为是数据 出现了异常变化。从时间序列中提取自回归系数可以用最小二乘法：对AR(p)序列的数据el, e2,en, (I)式可以写成矩阵形式：Y=X(p+,有最小二乘法得0 = %尸/匚一 -P上面描述的通过最小二乘法从声音数据的时间序列中得到p个自回归系数的过 程即建立AR模型的过程。通过实验，权衡系统的实时性和数据的精确性，最终确 定选取12阶作为AR模型的阶次。但是仅使用AR模型会存在一点不足：从(I)式上可以看出，自回归系数表示的 是时序上相邻的离散数据点之间的关系，而并不体现这些数据的实际大小。也就是 说，自回归系数表示的是数据的相对大小，而不是绝对大小。例如，当所有数据都 是原来的2倍时，通过最小二乘法求得的自回归系数仍然是相同的。这一点并不符 合我们对噪声特点的认识：噪声音量的增大或减小都可能预示
