基于紅外熱像技術的制動輪溫升監測系統研究

摘要：電梯制動器故障可能會導致電梯制動輪的溫升異常，利用紅外熱成像技術可以實現對制動輪表面溫升情況的實時監測?；诩t外熱成像技術的電梯制動輪表面溫升監測系統，利用紅外熱像儀和串口服務器等設備以及圖像采集與傳輸模塊、圖像處理與存儲模塊、預警信息生成模塊、用戶界面顯示模塊，完成紅外圖像獲取與處理、溫度計算與故障預警的任務，根據制動輪溫度異常的嚴重程度，產生3個不同等級的預警信號，相應地采用不同的故障響應機制。利用此系統可實現電梯制動輪表面溫升情況的實時監測，對異常溫升及時預警，保障電梯運行安全。

關鍵詞：電梯制動輪;紅外熱像儀;溫升監測;故障預警

中圖分類號：TP391.41;TN219;TU857? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0017-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.005

0? ? 引言

制動器是電梯必備的組成部分，也是重要的安全保護裝置之一。制動器得到停梯指令后，制動閘瓦在彈簧力的作用下抱緊制動輪;得到啟動指令后，制動器電磁鐵線圈通電，制動閘瓦與制動輪分離，制動輪在電動機的驅動下正常轉動。當電梯正常平層時，其作用是保持轎廂靜止不動;當發生緊急情況時，其作用是及時制動轎廂，防止發生沖頂或蹲底等嚴重的電梯事故。因此，制動器對確保電梯安全運行至關重要[1]。

有時由于電梯控制出現異?；蛘咧苿悠髁悴考p壞，電梯會出現帶閘運行現象，即制動閘瓦抱緊制動輪的情況下，制動輪依然隨電動機轉動。如果不能及時發現該問題，電梯長時間運行后會出現閘瓦急劇磨損，制動力不足，電動機損壞，因摩擦溫度過高引發火災等嚴重后果[2]。制動閘瓦的磨損源于制動輪轉動時閘瓦與制動輪的異常接觸，而此時由于摩擦生熱原理，制動輪上會產生異常的溫升現象[3]。因此，可對制動輪溫度進行實時監測，以便及時發現異常接觸并預警。由于電梯制動輪工作時處于轉動狀態，難以通過傳統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行測量[4]。

1? ? 電梯制動輪表面溫度的測量

隨著紅外技術的發展，紅外測溫技術也日漸成熟。紅外測溫技術就是根據物體輻射出來的紅外線的功率，結合環境溫度等因素，得到待測物體溫度的技術。相較傳統的測溫技術，紅外測溫技術具有非接觸、響應快、對待測物體溫度無干擾等優點。紅外熱像儀利用紅外測溫技術，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出來，便于獲取待測物體表面的溫度分布情況來進行分析。

1.1? ? 紅外測溫原理

紅外測溫技術主要是利用物體輻射出紅外線的功率，其理論基礎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律[5]。普朗克提出的黑體輻射公式如下：

式中：Mλ為黑體輻射電磁波中波長λ的功率密度（也稱為黑體在波長λ處的單色輻出度）;h為普朗克常數;c為真空中的光速;k為玻耳茲曼常數;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，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備，主要具有以下兩種功能：

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

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

紅外輻射的大小和溫度相關，紅外熱像儀所生成的熱圖像中的像素點灰度與溫度有映射關系。紅外熱像儀在生成熱像的同時，還可以計算出每個像素點對應的溫度，以標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在熱像儀中，顯示在熱像儀的顯示屏上或者通過USB、網絡的方式傳輸到計算機中。

在選擇熱像儀時，主要考慮以下幾個要求：

（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房中，環境溫度一般在5～40 ℃;待測制動輪表面溫度最低與環境溫度相同，正常情況下，表面溫度最高不超過50 ℃，在與制動閘瓦摩擦的情況下溫度可能超過100 ℃。因此，選取熱像儀時其測溫范圍除了要滿足最低溫的限制以外，最高可測溫度應盡可能高，以滿足一些極端情況下的溫度測量[6]。

（2）紅外分辨率。設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，但對數據傳輸、存儲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對測量所需的最低紅外分辨率產生影響。

（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定的精度決定。熱像儀測量值要在系統容許的誤差范圍之內，否則會對系統的測量效果產生影響。

（4）通信接口。一般熱像儀都具備存儲功能，可以在拍完紅外圖像后通過USB數據線將紅外圖片上傳至電腦。為了實現對溫度的實時監測，需要熱像儀具有實時通信的接口，以便將實時紅外圖像上傳到圖像處理單元進行處理。

綜合以上因素，本系統選用FLIR公司生產的FLIR C3熱像儀。該熱像儀的主要技術參數如表1所示。

除表1所述關鍵參數外，FLIR C3熱像儀還具備可見光數碼相機，可以通過熱像儀內置的多波段動態成像（MSX）技術，將可見光圖像細節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，可利用串口服務器作為網關，組建無線局域網，將計算機與熱像儀相連，在計算機軟件中設置遠程監控接口，使溫升監測系統作為電梯制動器遠程監測系統中的一個子系統，與其他監控模塊一起監測電梯制動器的運行。

2? ? 系統硬件連接

基于紅外熱成像技術的電梯制動輪表面溫升監測系統硬件部分主要包括紅外熱像儀、三腳架、串口服務器和計算機4個部分。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信號上傳到計算機中進行存儲和處理;三腳架用于固定紅外熱像儀，使其正對著待測表面[7];串口服務器一方面用于組建無線網連接紅外熱像儀和計算機，另一方面作為網關對外提供整個系統的遠程調用接口，便于組建更大的關于制動器的遠程監控系統;計算機接收紅外熱像儀傳來的圖像，通過處理獲得制動輪的區域及其溫度分布信息，便于現場以及遠程的監控和處理。整個系統示意圖如圖2所示。

其中，熱像儀的型號為FLIR C3，串口服務器的型號為智聯物聯串口服務器ZC1000。熱像儀通過USB數據線連接5 V電源，計算機和串口服務器分別通過各自的電源適配器連接220 V電源供電。計算機和紅外熱像儀連接串口服務器的Wi-Fi，使它們處于同一個局域網中，利用計算機登錄串口服務器設置界面，獲取紅外熱像儀在這個局域網的IP地址。

3? ? 系統詳細設計

基于紅外熱成像技術的電梯制動輪表面溫升監測系統主要由圖像采集與傳輸模塊、圖像處理與存儲模塊、預警信息生成模塊、用戶界面顯示模塊組成。通過對獲取的紅外圖像進行處理、計算，獲得制動輪的溫度信息，再將其顯示到現場的顯示設備上;在制動輪溫度出現異常時，生成預警信息提醒現場技術人員處理。

3.1? ? 圖像采集與傳輸模塊

圖像采集與傳輸模塊主要負責紅外圖像的定期獲取與接收。在完成計算機與紅外熱像儀的通信初始化后，計算機以一定的頻率向紅外熱像儀發送控制信息，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間，和圖像一起存儲在PictureInput類的實例中，交給圖像處理與存儲模塊進行處理。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個屬性：具有6個元素的元組time_now和對象pict、pict_msx。time_now存儲了當前的年、月、日、時、分、秒，便于后續的圖像處理過程中確定每一張圖像的接收時間，以判斷圖像的先后順序;pict是存儲紅外圖像數據的對象，pict_msx是存儲MSX圖像的對象。對于每一組圖像，即同一時刻拍下來的紅外圖像和MSX圖像，實例化一個PictureInput類的對象，存儲這兩張圖像和收到它們的時間，然后對象整體交由下一個模塊進行處理。

3.2? ? 圖像處理與存儲模塊

圖像處理與存儲模塊主要負責對紅外圖像的處理、制動輪表面溫度的計算以及紅外圖像的存儲。利用邊緣增強后的MSX圖像，首先進行預處理，消除圖像中的噪聲;然后進行邊緣提取，找到制動輪表面在圖像中的邊緣，進而確定制動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的區域，通過紅外熱像儀的灰度—溫度對應關系得到制動輪的溫度分布，求出當前時刻視場內制動輪區域的平均溫度和最高溫度;將收到圖像的時間、原始的MSX圖像、原始的紅外熱圖像、制動輪在圖像中的相對位置信息、制動輪表面溫度信息存入PictureOutput類的實例中，交給預警信息生成模塊進行處理。如果用戶開啟了存儲功能，則在原始的MSX圖像和紅外熱圖像中添加一個用于標記制動器表面區域的方框，再將處理后的圖片存入事先部署好的數據庫中，以獲取圖像的時間來命名。圖4所示為圖像處理與存儲模塊程序流程圖。

其中，PictureOutput類包含以下幾個屬性：元組temp_info、對象pict_input、對象brake_pos。元組temp_info記錄制動輪表面的溫度信息，對象pict_input是上一個模塊傳來的PictureInput類的對象，對象brake_pos記錄制動輪區域在紅外圖像中的位置。將這些信息整合到一個Picture Output類的對象以后，交由下一個模塊進行處理。

3.3? ? 預警信息生成模塊

預警信息生成模塊主要負責根據溫度信息判斷當前電梯制動器制動輪所處狀態，并生成相應的報警信息?？刹捎萌夘A警的預警模式，即異常狀況分為3個預警等級：普通異常等級、嚴重異常等級和緊急異常等級，對應的溫度標準依次提高。當溫度未達到異常標準時，直接向用戶界面顯示模塊轉交當前圖像、溫度等信息;當溫度達到普通異常等級對應溫度時，生成異常報告，記錄發生異常的時間、溫度及對應的圖像信息，并向用戶界面顯示模塊發送;當溫度達到嚴重異常等級對應溫度時，在普通異常處理的基礎上，向遠程監控系統發送此次異常信息的報告，以便遠程監控系統獲悉并作出響應;當溫度達到緊急異常等級對應溫度時，在嚴重異常處理的基礎上，向電梯控制柜發送異常信號，使電梯停止運行，等待維保人員現場檢修。圖5所示為預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上一個模塊傳來的信息，將實時溫度圖片和報警信息顯示在用戶圖形界面上。如果未出現異常，則顯示目前制動器的溫度信息，并將標記了制動器區域的MSX圖像和制動器區域的紅外圖像顯示出來;當出現異常時，在用戶界面中顯示預警信息，提醒現場的維保人員進行檢修，同時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? ? 結語

本文基于紅外熱成像技術的電梯制動輪表面溫升監測系統的研究，通過紅外熱像儀獲取電梯制動器制動輪表面的紅外熱圖像，經過圖像處理、溫度計算、異常處理及顯示，可實現電梯制動輪表面溫升情況的實時監測，對異常溫升及時預警，保障電梯運行安全。

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收稿日期：2021-11-10

作者簡介：馮雙昌（1982—），男，山東聊城人，博士，高級工程師，研究方向：電梯、起重機械等機電類特種設備檢驗技術。