通過紅外表面成像技術(shù)融合可見光圖像研究的電梯故障檢測儀

隨著電梯安全越來越受到人們的關(guān)注，業(yè)界亟需解決電梯故障的快速檢測、提高電梯日常巡檢的質(zhì)量、及時發(fā)現(xiàn)電梯安全隱患的問題。受工作環(huán)境、使用時間、使用頻率、工作情況等因素影響，電梯可能會出現(xiàn)電氣控制原件老化、機(jī)械部件摩擦、電動機(jī)過載等情況，隨之一些部件出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，進(jìn)一步會導(dǎo)致電梯系統(tǒng)出現(xiàn)故障停用，嚴(yán)重時可能引起電梯事故。

雖然國家對電梯的工作環(huán)境作了嚴(yán)格的管理要求，但是，電梯的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相對比較惡劣，傳統(tǒng)的人工目測檢測方法無法滿足電梯高頻率使用而出現(xiàn)的突發(fā)問題，而電梯電氣設(shè)備及其零部件故障絕大部分情況下都能通過電氣表面溫度變化反映出來。在本文中，筆者通過紅外表面成像技術(shù)融合可見光圖像，研究一種通用的、方便使用的、能夠快速定位故障點(diǎn)的便攜式檢測儀器，通過記錄數(shù)據(jù)對比，該檢測儀器能夠自動、長時間監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀況，給電梯的檢驗(yàn)、檢測帶來方便。

1熱成像和可見光融合的應(yīng)用原理

紅外熱成像和可見光圖像融合，其基本原理是通過紅外成像攝像單元和可見光成像攝像單元同時拍攝，然后根據(jù)設(shè)備識別模型對可見光成像圖片中的檢測設(shè)備進(jìn)行匹配識別并輸出檢測設(shè)備在圖片中的圖像坐標(biāo)，最后根據(jù)輸出的圖像坐標(biāo)在紅外熱成像圖片中截取對應(yīng)位置坐標(biāo)的熱分布圖像，圖像識別單元中的設(shè)備熱分析模型通過分析所截取的熱分布圖像判斷設(shè)備發(fā)熱是否正常并輸出設(shè)備的溫度信息，從而形成融合圖片，即在可見光圖像中各個位置點(diǎn)獲得溫度信息，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位。

本儀器根據(jù)電梯安全技術(shù)規(guī)范對電梯日常檢驗(yàn)提出的檢測要求和檢測工藝流程，結(jié)合電梯故障檢測現(xiàn)場實(shí)際情況，集成多種智能傳感器，主要解決現(xiàn)有檢測工藝流程中存在的一些缺點(diǎn)：(1) 檢測手段單一，多以肉眼查看、手動觸摸為主；(2) 缺乏先進(jìn)的檢測工具，檢測效率低下；(3) 缺乏在線式長時間的觀測和監(jiān)控，容易疏漏偶發(fā)性的故障；(4) 檢測過程依賴人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，缺乏智能的識別手段；(5) 檢測過程缺乏圖像、視頻、GPS定位等有效的監(jiān)控，檢測結(jié)果可追溯性不強(qiáng)。本儀器通過改變傳統(tǒng)紅外成像裝置的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，研制集成光學(xué)、溫度、GPS定位、RFID信標(biāo)、激光測距和二維碼掃描等多種智能傳感器系統(tǒng)的電梯故障檢測儀，通過紅外熱成像技術(shù)與可見光圖像的融合，提高行業(yè)的質(zhì)檢水平。

2儀器模塊結(jié)構(gòu)功能分析

本儀器基于紅外熱成像技術(shù)和可見光圖像的融合，通過表面溫度檢測，精確定位電梯溫度異常部位，診斷故障、隱患原因。檢測儀主要針對電梯日常巡查、定期保養(yǎng)和檢驗(yàn)、檢測過程中目測無法發(fā)現(xiàn)的電氣故障和主要安全部件的機(jī)械故障，提供一個能夠?qū)崟r檢測和在線監(jiān)控診斷的檢測和檢查方法，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)判電梯電氣元件和安全部件的異常情況，提高電梯運(yùn)行的可靠性，降低電梯的故障率，為電梯的科學(xué)檢驗(yàn)檢測提供更加便捷、有效的手段。

傳統(tǒng)的紅外檢測設(shè)備多為大型儀器、厚重不便攜帶，并且其調(diào)焦裝置普遍通過螺栓和調(diào)焦環(huán)剛性連接鏡頭，通過調(diào)焦環(huán)的周向運(yùn)動來調(diào)節(jié)焦距，而其結(jié)構(gòu)多不具有限位動能，當(dāng)旋轉(zhuǎn)過大或者過小時易使鏡頭脫落或者壓緊，這使其可測范圍減少，調(diào)焦距離小，可調(diào)調(diào)焦幅度過大，造成采集圖像精度較低。筆者研究的檢測裝置在硬件設(shè)計(jì)上，克服了傳統(tǒng)的紅外檢測設(shè)備固有的缺點(diǎn)，在定焦鏡頭微動調(diào)焦上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，固定鏡頭的同時還對鏡頭徑向移動進(jìn)行限位，使其徑向移動最大位移處不會脫落，較為安全。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儀器機(jī)構(gòu)圖

如圖1所示，儀器主要由微動調(diào)焦組件、成像組件、智能顯示終端、紅外模塊，保護(hù)套等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)中后蓋與前蓋固結(jié)在一起，構(gòu)成整個裝置的主體輪廓，紅外模塊位于整個裝置的中間部位，以螺釘進(jìn)行固結(jié)，其紅外模塊上的鏡頭與調(diào)焦裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)固結(jié)，調(diào)焦裝置與鏡頭固結(jié)完成后安裝于裝置的后蓋，與紅外相機(jī)座進(jìn)行固結(jié)。成像裝置安裝于護(hù)罩上且可見光模組與紅外鏡頭在一條直線上，前方護(hù)罩與后蓋進(jìn)行固接，整個系統(tǒng)四周包裹軟膠套并可包含1/4螺紋接口可以通用于傳統(tǒng)三角架。系統(tǒng)具有微調(diào)焦功能，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微動調(diào)焦裝置

如圖2所示，微動調(diào)焦裝置主要由上限位構(gòu)件、旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）、手輪壓蓋、上下限位膠球、緊定螺釘、從動件、限位插銷、下限位構(gòu)件等構(gòu)成。其中，上下限位構(gòu)件構(gòu)成整個裝置的空腔，上限位構(gòu)件中安裝限位膠球與手輪壓蓋進(jìn)行接觸，限制手輪壓蓋的徑向移動，下限位構(gòu)件中安裝限位膠球，限制旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）的徑向移動，使其僅僅周向移動。手輪壓蓋和旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）滑動連接，通過限位膠球的壓縮變形使其固結(jié)一體。從動件與鏡頭通過緊定螺釘使其剛性連接一體，從動件與旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）滑動連接，從動件在旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）內(nèi)部可以自由滑動；此外，限位插銷與旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）進(jìn)行滑動連接，手輪壓蓋進(jìn)行限位，使其在旋轉(zhuǎn)手輪（驅(qū)動件）中自由移動且對鏡頭的微動進(jìn)行限位，限位插銷在下限位構(gòu)件上的螺旋槽內(nèi)進(jìn)行滑動。

3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)通過紅外成像技術(shù)與可見光圖像融合，完成電梯電氣系統(tǒng)異常溫度檢測，并能通過定位裝置進(jìn)行異常故障定位。同時，可利用圖像對比技術(shù)，通過長期數(shù)據(jù)庫的建立，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)溫度變化規(guī)律，對偏離數(shù)據(jù)進(jìn)行提示和報障。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

智能故障檢測儀集成高清可見光傳感器和高清紅外視覺傳感器，并將二者進(jìn)行很好的匹配與融合，通過與高像素可見光圖像的融合，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)紅外傳感器分辨率不足的問題，通過分析能夠快速檢測并識別故障點(diǎn)，本儀器首先在雙目異源光學(xué)系統(tǒng)方面采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理圖

圖4 可見光與紅外光譜雙光路融合的光路示意圖

系統(tǒng)對實(shí)時采集到的電梯現(xiàn)場的可見光與紅外熱成像圖等兩類圖像進(jìn)行預(yù)處理并標(biāo)定異源雙目光學(xué)成像系統(tǒng)，讓兩個相互獨(dú)立的光學(xué)空間建立一對一的映射關(guān)系，最后在終端顯示的圖像效果為“畫中畫”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時測溫與故障定位。同時，利用測距傳感器獲得目標(biāo)與傳感器的距離，通過距離與雙光譜圖像融合的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)全量程范圍的可見光圖像與紅外圖像的自動融合。圖5所示為該雙光譜光學(xué)系統(tǒng)自動融合流程。

系統(tǒng)植入電梯故障排查和質(zhì)檢的工藝流程，操作過程完全符合既有的檢測流程，根據(jù)特種設(shè)備行業(yè)的信息化工作管理系統(tǒng)的規(guī)則，開發(fā)出符合此規(guī)則的終端操作APP軟件。APP軟件在上述符合特種設(shè)備行業(yè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)融合圖像顯示、故障定位、溫度測量等相關(guān)實(shí)時信息，體現(xiàn)出特種設(shè)備溫度異常的預(yù)警，大大地提高了日常質(zhì)量巡檢的效率。

圖5 雙光譜圖像自動融合流程

4結(jié)語

筆者研發(fā)了一種基于紅外成像和可見光圖像融合的電梯故障檢測儀，本檢測儀通過調(diào)焦方式和硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，減少了傳統(tǒng)紅外檢測儀體積大、使用不方便、調(diào)焦范圍小等缺點(diǎn)，通過紅外成像技術(shù)和可見光圖像的融合，能夠迅速發(fā)現(xiàn)電梯各部件的溫度異常，并實(shí)時識別故障位置，便于及時發(fā)現(xiàn)、消除電梯的安全隱患，預(yù)防電梯事故發(fā)生。