红外热像仪原理及用途
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红外热像仪原理及用途
红外热成像技术是一项前途广阔的高新技术。比0.78微米长的位于红色以外，称为红外线或称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的，其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图像。 目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是表面温度分布图像。红外热成像使人眼不能直接看到表面温度分布，变成可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。红外线（或热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射，它还具有两个重要的特性： （1）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无需接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。 （2）大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。由于这个特点，热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在现代战争中发挥了非常重要的作用。 应用的范围随着人们对其认识的加深而愈来愈广泛：用可以十分快捷，探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现其热隐患，这种情况对传统的方法来说，除了解体检查和清洁接头外，是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热成像产品是无法取代的。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。 在红外热像预知维护领域，采用对所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等，进行红外热成像检查，以保证所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，有效防止火灾、停机等事故发生。下面是需要进行红外热成像产品检查的部分设施： 1. 各种电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。 2. 变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。 3. 电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏；有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。 4. 电气设备维修检查，屋顶查漏，节能检测，环保检查，安全防盗，森林防火，无损探伤，质量控制，医疗检查等等也很有效益。 在科研领域主要应用包括：汽车研究发展－射出成型、模温控制、剎车盘、引擎活塞、电子电路设计、烤漆；电机、电子业－印制电路板热分布设计、产品可靠性测试、电子零组件温度测试、笔记本电脑散热测试、微小零组件测试；引擎燃烧试验风洞实验；目标物特征分析；复合材料检测； 建筑物隔热、受潮检测；热传导研究； 动植物生态研究；模具铸造温度测量；金属熔焊研究；地表/海洋热分布研究等。 红外热成像仪已广泛应用于安全防范系统中，并成为安全监控系统中的明星。由于具有隐蔽探测功能，不需要可见光，可以使犯罪份子不知其工作地点和存在，进而产生错误判断，导致犯罪行为被发现。在某些重要单位，例如：重要的行政中心、银行金库、机要室、档案室、军事要地、监狱等，用红外热成像仪24小时监控，并随时对背景资料进行分析，一旦发现变化，可以及时发出警报，并可以通过智能设备的处理，对有关情况进行自动处理，并随时将情况上报，取得进一步的处理意见。(end)
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摘要：通过笔者多年灭火救援火场实际应用红外热像仪经验，从实际分析红外热像仪在消防工作中应用的优点和缺点，提出热像仪适用情形，对提高消防员灭火救援能力有一定的指导作用。
关键词：红外热像仪消防工作灭火救援火灾调查
原理上讲，火灾现场的温度分布可以客观反映火灾发生、发展、熄灭的过程，对灭火救援、火灾事故调查都具有重大意义。但是由于技术手段的缺乏，无法有效获取火灾现场温度分布数据，使得这一领域目前还是空白。随着红外热成像仪技术的成熟，使获得火灾现场温度分布数据成为可能，也使利用火场温度协助灭火救援、认定火灾原因成为可能。
2 红外热像仪的工作原理
各种温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会因自身的分子或原子无规则运动不断辐射出红外线。红外热像仪（图1）就是用于探测这种肉眼无法直接观测和发现的红外线的设备，其核心是红外探测器。它能接受物体的红外辐射，并将不可见的红外光转化为电子信号，经由信号系统处理后输出到显示屏，以灰度级或伪彩色显示目标物温度场分布图像。
3 红外热像仪的优点
（1）环境适应范围广。红外热像仪可以在可见光、夜间、浓烟等弱光条件下正常工作。
（2）红外线穿透能力较强，能穿透浓烟、浓雾，便于在视线不好时工作。
（3）轻巧方便。该仪器体积小、质量轻，便于携带，操作简单，便于使用。
（4）精度高。图像采集精度较高，能够分辨出火灾现场上较小的温度差异。
（5）图像直观。该仪器输出的温度分布图像直观，结果不需要进一步处理，特征鲜明，证明力强。
4 红外热像仪在灭火救援中的应用
红外热像仪在消防中有很大的应用空间，但由于红外热像仪本身的原理所限，其使用范围也有很大的局限性，并没有厂商和科研研究中所宣传的那么神奇，我们需要透过华丽的宣传看到热像仪的本质，用其长处，用各种其他传统方法弥补其短处，最终达到有效提高灭火救援效率的目的。
4.1 火情侦查
火情侦察是消防部队获得的有关灭火战斗对象的全部信息，是指挥员部署任务、战斗展开的依据，是整个火场最重要的工作之一。没有火情侦察提供的数据、信息，其他灭火救援战斗就失去了方向。但我们实际作战过程中，火情侦察很多时候只是简单的问问、看看，见火打火、无头苍蝇情况偶有出现，甚至凭借简单的肉眼所见，导致损失更大的情况也有发生。红外热像仪可以作为火情侦查时的辅助工具，用于确定火焰中心位置、燃烧程度和蔓延情况。现场指战员可以通过热像仪对火场进行观察，根据得到的信息，火场指挥员就可以正确的布置力量，有效地进行灭火。
热像仪在火场中最适合侦查火势不是很大，烟雾很大的坏境。当火势处于完全燃烧时，用肉眼即可以明确判断火势情况，由于高温烟气等原因热像仪并不能比肉眼得到更多的信息。再一个原因是受限于现有热像仪的分辨率（320*240或640*480），通过热像仪得到的图像分辨率不够高。
当火灾处于阴燃火火势比较小烟雾很大的环境时，热像仪就能有效发挥作用，有利于提高灭火效率、减少灭火时水渍损失。如图2所示，为一小加工厂内切削车间火灾。当时厂内浓烟充斥整个厂房。现场只是感受到较大的浓烟，没有明显热浪。如果用传统方式，将浪费较长时间用于寻找火源，并且在厂房内障碍物很多较难行走，因为当时在强光灯照明下能见度也不足1米。但在热像仪的辅助下能很明显看清厂房内通道和边上障碍物，在大约10米远处初步发现热点，靠近进一步确认火源，之后出一支水枪2分钟内扑灭火源，整个灭火救援战斗不超过5分钟。
4.2 辅助灭火
热像仪可以用于辅助消防员灭火，通过热像仪判断火焰的根部，而不是常规的见火打火。这样可以有效提高灭火战斗能力，更好更快地扑灭火灾。不过在使用热像仪的时候不能够同时打水，因为较冷的水流会明显干扰热像仪对火焰温度的判断，从而失去使用效果。图3所示为一木质结构民房火灾，可以看到明火显示为明亮的白色，较冷的水流在热像仪图像中较暗。热像仪可以辅助找寻火点，特别是比较隐蔽的阴燃。
4.3 建筑物结构安全检测
热像仪也可以对建筑的结构的安全行进行无损检测，在火灾扑救的同时对建筑承重部位进行不间断检测，判断建筑是否出现强度下降等情况。特别是在大跨度钢结构厂房的燃烧中，因为钢结构在300度就开始降低强度，因此用热像仪可以很好的判断钢结构是否安全，以及那些部位需要特别冷却，保证厂房和人员的安全。
4.4 储液罐液位及危险源无损温度监测
当无保温层油罐及其他罐体受到热辐射时，由于罐内物质热容量比空罐大会产生温度差，用热像仪可以很方便判断储液罐液位。也可以对槽罐车、火场中的液化气钢瓶进行检测，判断危险源是否有爆炸危险。石油、化工等特殊灾害现场，因存放大量易燃物储罐，使其成为高危的灾害救援场所。这类企业火灾中，储罐温度和液位的数据采集对指挥员决策显得尤为重要。肉眼是不能直接看见石油化工产品及原料在储罐内的具体液位。但是，这些液体在罐内储存时，因储存的可燃液体热容量较空罐区域大，会出现一定的温度差。应用红外热像仪，消防指挥员能够快速测定火场燃烧罐体及周围罐体内的剩余液位（图5），确定各个罐体的危险程度，以便采取相应的救援措施。
同样，在火场消防员经常会遇到民房中有液化石油气罐，但在火场中的液化石油气罐很难判断是否会爆炸，以及是否冷却完全的情况。运用热像仪可以很方便的测量液化石油气罐的温度，确定罐体是否处于安全状态。图6所示为一火场中经过充分冷却的液化石油气罐。
4.5 确定泄漏位置
液体汽化和气体压力变化都会吸收周围热量，对于身着重型防化服的消防队员很难通过肉眼观察到空气中冷凝的水汽或听到嘶嘶声，用热像仪可以观察到热量的异常变化，因此可以观察出泄漏位置，为进一步的处理提供依据。另外在无光线或光线受阻的事故现场，消防人员是不能够仅凭泄露的声音判断泄露的具体位置的。泄露气体或液体与现场周围环境存在温度差，所以可以利用红外热像仪快速寻找到阀门损坏、管道破裂或其他相关设备破损造成的隐蔽性泄露的具体部位（图7）。
4.6 清理火场
在火场的后期，面对到处升腾的水蒸气和烟雾，消防员很难判断何处是真正没有扑灭的地方（图8），大量时间用于地毯式冷却中，但对于真正需要冷却的阴燃区域却没有用足够水和时间，往往造成消防队员的疲于奔命。例如2013年10月发生于温州龙港的法贝火灾，巨大的厂房消耗了消防员大量的时间和精力清理余火。但即使是这样在火灾扑灭的3个月后仍有部分余火没有扑灭。用热像仪可以辅助消防员判断哪里是真正需要冷却的地方，对于缩短扑救时间有非常巨大的帮助。
在火灾扑救中，热像仪用于确定火灾中心位置、燃烧程度和蔓延情况。通过热像仪对火场进行观测，得到火灾燃烧和蔓延情况，确定火灾的中心位置。根据得到的信息，火场指挥员就可以正确地布置力量，有效地进行灭火。
另外在火场中，水带由于流动的冷水，在热像仪图像中可以很容易被观察到，即使是在烈火浓烟中也非常明显，可以帮助消防员在特殊情况下迅速逃生，防止在火场中迷失方向。
另外红外热像仪也可以帮助消防人员消除复杂火场中的隐藏火源。在火灾现场，热量经常通过金属管道或其他金属物体传导到其他部位，引发其他易燃物着火，扩大火势。在烟雾大、视线差的现场，消防人员很难通过肉眼分辨高温物体（如金属物体、管道等）。而用红外热像仪，可以清晰地发现高温物体并及时采取冷却扑救措施，或迅速转移、清除周边易燃物。
5 红外热像仪在室内火灾调查中的应用
在一定时间内，燃烧会产生大量的热，热量通过热辐射、热对流、热传导等方式向四周不断扩散。随着火灾的不断蔓延扩大，热量也不断地传递，会在火场形成一个温度梯度，其中起火点的温度最高。因此，这个温度场呈现以起火点为中心，四周温度逐渐降低的基本趋势。
5.1 判断最先起火的房间
民房火灾发生后，受建筑分隔的影响，燃烧会暂时局限在最先起火的房间里。随着燃烧的不断进行，火势突破门窗或室内轰然后，火焰会向其他房间蔓延。与其他房间相比，最先起火的房间燃烧时间最长，燃烧最充分，室内温度最高。所以，利用红外热成像仪在建筑物外对整个火场进行拍照，可以通过对比各个房间温度的差异，判断出哪个房间最先起火（图10）。
5.2 判断火灾蔓延方向
火势突破最先起火的房间后，热烟气流会向走廊、楼道顶部蔓延。在蔓延过程汇总，热烟气流携带的热量会不断传递给墙壁和顶棚。同时，冷空气会不断卷入热烟气流中，降低热烟气流的温度。因此热烟气流离起火点越远，其温度就越低，传递给墙壁和顶棚的热量就越少。通过观察走廊、顶棚温度场的热像图，可以判断出热烟气流的流动防线，进而判断火灾的蔓延方向（图11）。
5.3 判断起火点
火场中起火点的判断非常重要。在室内火灾中，温度最高点往往有两个。第一个是离起火部位最近的墙壁。室内火灾多起于地面，据起火部位最近的墙壁受到火焰热辐射的作用，会在墙壁底部形成高温区域，而其他墙壁很难在形成这种高温场（图12）。
第二个是与起火点垂直对应的顶棚。室内起火，在顶棚没有烧塌的情况下，热烟气流在对流作用下，垂直向上蔓延，受到顶棚的阻挡后，会在顶棚处形成顶棚射流，向四周蔓延。因此，通常会在顶棚处形成与起火点垂直对应的最高温度区域（图13）。
5.4 搜救被困人员
利用红外光可以穿透热烟雾的特点，以及火灾现场被困人员与周围环境存在的温度差，用红外热成像仪显示不同的温度分布图，可使消防人员在浓烟情况下，清晰地发现被困人员，为营救赢得宝贵时间（图14）。研究数据表明，在同等热烟状况下的室内火灾现场，使用红外热像仪进行搜救的时间，比未使用红外热像仪进行搜救的时间可减少80%。救援效率大大提高，同时可以避免搜救一楼，提高搜救的成功率。
6 红外热像仪在火灾现场应用应注意的问题
红外热像仪在火灾现场方面应用的时间尚短。为了拍摄到满意的热像图，笔者认为应该注意以下几个方面问题。
（1）考虑扑救过程中水的降温影响。特别是在室内火灾现场，扑救过程中水打到墙壁上，对墙壁的温度影响很大，从而可能干扰火灾起因的判断。在拍摄热像图时尽量停止向拍照区域射水
（2）注意拍摄方法和角度。在拍摄现场热像图时，不宜将红外成像仪的中央测温点对在火场温度最高处，因为热像仪会按照最高温度点调整图像，这样拍出的照片层次较少，特别是低温区图像细节较少。而应稍微偏离，只要将所要拍摄的物体、痕迹包括在图像中，取温度较高的点为中央测温点，这样拍出的图像更加清晰，温度场的层次更加分明。
红外热像仪在消防工作中具有不可替代的优势。但是目前红外热像仪在这一领域的应用方法还比较欠缺，具有更广阔的应用前景。今后随着红外热像仪的普及和消防人员对红外热像仪的认可，相信其在消防工作中的应用价值会不断体现，能够很大程度推动消防事业的发展。
版权与免责声明红外热像仪在消防中的作用
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　　在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。
　　然而用飞机巡逻，采用红外热成像仪，则可以快速有效地发现这些隐火，把火灾消灭在最初。
　　加拿大林业学院早在1975年就开始进行森林防火试验，从飞机上检查尚未起燃地潜在火源，加拿大森林研究中心利用直升飞机采用AGA750便携式热成像仪，在一个火灾季节中发现15次隐火。
　　谷物粮仓往往会发生自燃现象，这种自燃现象往往时间长、来势猛、损失大。目前一般采用温度计测量其粮仓地温度变化加以防范。采用热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围，做到早知道早预防，早扑灭。采用热像仪方便简单，速度快，扑灭及时。
　　红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。
　　1980年至1983年四年中，我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查，发现不正常发热点500多处，严重过热为100处，由于及时处理，未发生火灾事故。
　　在国外，美国保险公司的统计数据表明，在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因，都是由于插头接触不良引发的，所以美国国家防火协会的《电气维修手册70B》规定，在任何电气插头按照规定的力距被紧固之后，只要这个力矩值不变化，以后就不应当再进行紧固。所以制造良好，安装正常的电气插头，根本不需要定期紧固，只有发现其功能异常和其过热才要去处理。
　　对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现其热隐患，这种情况对传统的方法来说，除了解体检查和清洁接头外，是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热成像产品是无法取代。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。
　　美国MAI公司对许多已经进行过一般电气预防性设备做红外热成像产品检查，发现其中不少已接受过维修的设备仍然存在电气故障。例如一个重要电子产品生产厂家，这个公司对其电气设备每两年进行一次停电维修。在这停电运行期间，进行设备清扫，对所有连接点紧固和断路器的跳闸试验。并对高、低压开关装置安装进行测试。在传统维修之后进行的红外热成像产品检查，仍然确定了一些隐患。在不同设备上发现的严重隐患有19个，一般隐患有179个。这些严重隐患是指被测设备的表面温度超过NEMA或UL的最大设计温度。大多数隐患是在电动机控制设备上发现的，另外也在开关装置和动力盘上发现一些隐患。又例如一个联邦政府办公用建筑物内一个主要电动机控制中心发生火灾之后，每六个月对设备进行一次预防性维修。在这次火灾之后进行过两次维修，又进行一次红外热成像产品检查，其结果是：严重隐患预防维修之前为3个，而预防维修之后还是3个。所以红外热成像产品检查的必要性是显而易见的。
　　此外，使用红外热成像产品代替传统方法的清扫和紧固可以节省大量费用。这种节约有两个原因：首先是红外热成像产品检查进行的十分快，而不像传统的方法那样花费大量人力去进行设备的清扫和紧固。另外红外热成像产品检查在进行时，不要求设备停电，而只是在找出隐患后，在进行修理时才要求短时间停电。并且为修理个别隐患的停电只是局部性的，停电时间很有限，甚至可能安排在计划停电时间内进行修理。下面是几个例子。
　　1），美国的一个《资产管理公司》推行一个包括所有电动机控制设备、照明、动力盘和开关装置的完整维修项目（不包括断路器跳闸试验）。其收费标准根据工作量而定，一个典型的办公大楼（250,000平方英尺，10层）平均维修费用为6,500美元。同样的大楼进行红外热成像产品检查，只要一天便可以完成对所有电动机控制，配电盘和开关装置的检查（并包括各种机械设备），其红外热成像产品检查服务费大约为600美元到800美元。因此，红外热成像产品的费用仅是传统方法费用的1/10。
　　2），一个《电子设备制造厂》在签定红外热成像产品检查合同之前，是采用4天停电，由3个组5个电工进行传统维修，工人每天工作为12小时，以便清洁和紧固所有开关装置、电动机控制设备和动力盘中的连接点。这些工作的人工费用为30,000美元。对于同样设备的红外热成像产品检查也进行了4天，并在2个工厂工人协助下完成，其费用只有3,000美元。
　　3），一个大型《办公/旅馆/售货商业综合楼》每三年进行一次高、低开关装置的传统维修，在维修期间花在清洁和紧固工作上的费用至少有20,000美元。而对同样设备进行红外热成像产品检查则只用12小时，花费仅2,000美元，发现了12隐患，其中两个为能引发火灾的严重隐患。
　　4），通过红外热成像产品检查和分析，一家《美国小型工厂》每年将耗费由160个减少到40个工时。如按25美元/小时的费用（包括加班）计算每年节省120小时，也就是可以节省3000美元。
　　根据美国的上述经验，用红外热成像产品检查代替传统维修中的定期清扫和紧固工作，可以节约费用50%—90%，并可有效防止火灾的发生。例如在月期间，华盛顿邮报根据几乎每天都发生的许多电气设备停电事故，在头版上描述了这些事故造成的火灾、人身伤亡、财产破坏和在生产、税收方面的损失。例如其中当地一家旅馆的一次设备停电事故，就造成了六百五十万美元的损失。为了避免上述停电事故，许多商业和工业组织常常花费很多钱执行预防性维修工作。不幸的是这些工作不但经常发现不了存在的隐患，而且还可能造成新的电气隐患。所以电气设备的红外热成像产品检查，在很多方面可以代替传统的预防性维修工作。
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为什么要使用红外热像仪？
几乎所有利用或者发射能量的物体在发生故障前都会产生发热现象。保证电气和机械系统运行可靠性的关键便是对能源的有效管理。现在，红外成像技术已毋庸质疑地成为预防性维护领域最有效的检测工具，它能够在设备发生故障之前，快速、准确、安全的发现故障。在一个电气接点发生故障之前及时发现并进行维修，可以节省或避免因此造成的生产停工、产量下降、能源损耗、火灾甚至灾难性故障所带来的高昂代价。但是仅仅通过红外图像来发现问题是远远不够的。事实上，一台只能生成红外图像而无法测量温度的红外热像仪并不能反映电气或者机械故障的所有情况。如果一份缺乏简单快速的检测数据的分析报告是无法准确将可能引发故障的热点和设备正常运转的热点进行有效区分，因此无法做出及时的维修方案
　　红外热像仪的使用方法
　　红外热像仪非常易于使用，热成像垂手可得,操作和直观的屏显指南，不需专业培训便可进行准确的测量，只需指向目标，对准焦仪器，它就会自动调整温度范围来显示清晰鲜明的图像，一旦用户扣动储存按钮，便会存储图像及相关的测量数据。通过随附的软件，用户可以随心更改主要图像参数，从而优化图像和抽取最多的细节，检测报告根据软件程序操作既可。
[整理编辑：中国测控网]
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