摘要：  本文就新型红外热成像技术特征及其在轨道交通、铁路运输与隧道建筑等领域中的应用作重点研讨。

关键字：  红外热成像，轨道交通，隧道

1 非制冷红外焦平面阵列技术红外热像仪的应用与时俱进
最近几年间，红外热像仪技术是光机电为一体的高科技产品，其技术已成为全世界普遍关注的热门产业技术，由于作为红外热像仪关键性技术的红外探测器及技术（见图1(a)所示）取得长足进展，特别是非制冷红外焦平面阵列技术取得突破，实现了非制冷红外焦平面阵列热像仪成为小型化低成本应用的主流，解决了红外诊断技术在各个领域因价格长期居高不下造成的应用障碍。新型红外热像仪实物构建示意图见图1。根据摄影基本原理，红外热像仪由二个基本部份组成，即光学器件和探测器。光学器件将发出的红外辐射聚集到探测器上，探测器把入射的辐射转换成电信号，进而被处理成可见图像，即红外热图。
1.1 红外热像仪的红外诊断技术
红外诊断技术是设备诊断技术的一种，它是利用红外技术了解和掌握设备或设施在使用过程中的状态，确定其整体和局部是正常或异常，以早期发现故障或缺陷及其原因，并能预测故障或缺陷发展趋势的技术。从图2可以看出红外诊断技术的构成有四个技术要素，即检出信息（特征参量红外幅射信息的检出）、信号处理、识别评估和预测技式。据此，可以认为具有红外诊断技术特征的热像仪是最佳预防性和诊断解决方案的理想选择。   
为什么使用红外热像仪测量？第一是安全，热像仪是一种非接触式测量技术，可用于从安全距离发现电气、机械或工艺问题。这意味着您无需离目标很近，即可测量移动中或位于高处的高温表面。第二是探测效率高，不管您在工业设施还是在商业设施中工作，都可以快速扫描较大的表面或发现温差，这种温差常常表明存在问题，或即将发生故障。第三是赢利性，采用热像仪技术有助于提高赢利能力。它可以降低能量消耗，或帮助保持您的关键设备正常运转。
1.2 红外热像仪的应用
红外热像仪的应用包含：电力行业和设备维护、建筑领域、电子制造与车辆制造业、石化和冶金、LED和太阳能及它制造业、轨道交通等多个领域。
值此本文就红外热成像技术在轨道交通与建筑（以隧道为例）领域中的应用作重点研讨。
2 红外热成像技术在轨道交通中的应用
2.1 为什么需要在轨道交通中使用红外热像仪？
红外技术能检测出导致能量损失的轨道交通中的缺陷。
众所周知，轨道交通是一个庞大、复杂的交通运输系统，从机车制造到运营对于可靠性、安全性均十分重视。这是因为：其一是无论何种设备，其设备维护是一种设备运转状况驱动的预防性维护。它是对运转状况、效率、热量分布和其他指标进行直接监视，以便确定实际的平均无故障时间或对其危害在设施内所有关键系统装置运转效率损失的确定。故需定期地测量设备，随时间跟踪测量结果，而温度恰恰就是一个非常有用的参数。目前红外热像仪检测技术就是其中监视温度的一种重要检测手段。其二是车辆（无论如是机车还是汽车）制造业随着轨道交通行业的蓬勃发展，消费者对于机车的要求也越来越高，轨道交通与汽车行业一样，未来就是环保性，安全性，舒适性。红外热像仪技术除了用在机车生产厂内对电气设备进行例行维护外，还可在轨道交通运营过程中能更有效、更快速、更准确地诊断出机车设计，结构等的相关缺陷。
2.2 非制冷焦平面热像仪基本架构工作框图
如今国内外非制冷焦平面探测器的热成像仪的种类与规格的产生如雨后春笋，这些热成像仪无论是热参数、光学/红外、控制、操作、电气与价格等性能指标及功能各有特点，值此仅对FlUKE Ti30TM热像仪的主要参数指标简介如下：
探测器类型是120×160非制冷焦平面；温度显示分辨率为0.1（°F 或℃）；温度范围为-10 至 250℃（14 至 482°F）；精度为±2% 或 ±2℃（在-10 ~ 0℃时的精度为±3℃）；重复性为±1% 或 ±1℃（±2°F）； 操作环境温度为 -10 至 50℃；光学分辨率为90:1；图像帧频为20Hz ；储存能力为100张图像；热分析软件为InsideIR（内含）；计算机操作系统为Microsoft® Windows® 98、Windows 2000 或 Windows XP 。由于这是非制冷焦平面热像仪的应用，为此有必要对非制冷型红外焦平面热像仪的工作原理作一简介。非制冷焦平面热像仪基本工作框图见图3。[#page#]
在图3所示的桥式电路中，Rl为内置探测器，R2为工作探测器，R3、R4是桥式平衡电路的标准电阻，E是取样电压信号。R1和R2两个探测器的位置摆放很近，R1被屏蔽不露，而作为工作探测器的R2必须暴露在外以接收红外辐射。当工作探测器没有外来辐射照射时，电桥电路保持平衡，则没有电压信号输出，此时E=0；而当红外辐射照射到工作探测器时将使R2的温度变化，从而引起该探测器的电阻阻值随温度变化，把桥式电路的平衡打破，使信号输出电路的两端产生电压差，则有电压信号输出。
当然， 非制冷焦平面热像仪也应与红外图像处理系统联机使用，这样可增加热像仪的测温精度和分析显示功能。
2.3 红外热像仪在轨道交通、铁路运输中安全应用有以下二个方面
2.3.1 电力机车检测
电力机车内部有大量的电力设备，运行时会产生很大的热量，同时由于连接件松动等原因将造成机车故障，严重时会发生事故，红外热像仪可以在机车停车间隙进行巡检，及时发现机车内部的设备隐患，避免事故的发生。
电力机车内部涉及到红外热像仪检测的部件主要有主变压器、调压开关、变流装置、牵引电动机、电子控制柜、制动电阻柜等。
2.3.2 轮轴检测
目前，随着列车车速的提高，轮轴温升的问题也愈发重要。这就需要加强对轮轴温升的监控。当轮轴的温度高于环境温度达到40℃以上时，就必须立即更换，否则会损害轴承强度及刹车片性能，导致事故发生。所以当列车进站后就需要进行轮轴的检测，每次发现温度过高的情况都需要进行记录并做标记（最高温度的轮轴的位置也需要记录）。
列车的轮轴安装不当和超负荷运转时，与轴瓦摩擦会产生大量的热量，严重时会使整个车轴发热变红，最后发生车轴断裂，造成翻车事故，红外热像仪可以通过非接触测量来及时发现过热的轮轴，避免因轮轴温度过高而发生行车事故。
基于红外热像仪对安全应用的检测技术，值此将其典型应用列举如下：
机车生产运营车辆部件研发、电气系统研发、整车制造等；
轨道交通运营——车辆段、供电段、高／低压电气维护、通讯机房维护、车辆检修等。
具体可在：轮轴检测（见图4(a)所示），接触网检测（见图4(b)所示），机车检测（见图4(c)所示），传动轴检测（见图4(d)所示），供电系统检测（见图4(e)所示），车头电气检测（见图4(f)所示）6个部位诊断故障，图中红色与黄色均是故障部位发热，其温度异常急升并发烫，则该故障现像在热像仪屏上清晰可见。
红外热像仪为什么能进行隧道建筑检测？由红外热成像技术应用特征决定。顶层或隧道壁的正常部位的热容量与渗漏后含水部位的热容量不一致，故在环境温度发生变化的时候，受损部位与正常部位的温度变化速度不相同，在屋顶表面就可以看到温度差异。因此它同样可在建筑领域（以隧道为例）中的应用红外技术能检测出导致能量损失的建筑缺陷。
红外热像图可以正确地反映建筑结构表面的温度场分布，从而判断建筑结构是否存在热工缺陷；利用热像仪对建筑进行评估结构部件是否存在腐朽、霉菌，潮湿气，白蚁虫害等；同时利用热像仪检测节能建筑是否存在热工缺陷，为隧道建筑安全与节能效果的评价提供了高效、准确的检测手段，有助于全面开展隧道安全及节能检测。
热像仪在隧道建筑方面的典型应用：热像仪是一种高效、非破坏性检测（潜在的）问题区域的测试方法。例举如下：
隧道系统建筑部位的潮湿及霉菌滋长问题，见图5(a)潮湿检测（绿与兰色所示）示意图；水管、埋式蒸汽管道、水管或地埋热力系统及自动喷水灭火系统的漏泄问题；保温层缺失或不足；热或冷损失故障部位；低压电气系统中的连接故障；白蚁和虫害问题。则红外热像仪可以提供重要的信息，清晰可见的红外图像可以作为有效诊所断。图5(a)所示为潮湿检测示意图。图5(b)所示为隧道墙面内部裂开——建筑结构检测（紫与兰色所示）示意图，从而避免冗长且成本高昂的维修工作。
红外热像仪可通过对隧道顶层的温度分布状况的检测，分析建筑物屋顶存在的如防水层渗漏、隔热层缺失等问题，从而及时有效地发现顶层渗漏，使隧道得到可靠保护。[#page#]
为什么会造成隧道顶层渗漏？其一是防水层损坏。顶层防水层的防水材料与顶层面水泥混凝土的热胀系统不同，在热胀冷缩的不断作用下，其层面之间会反复产生剪切应力，由于防水材料都是有机材料，在阳光紫外线作用下会渐渐老化，从而逐渐降低粘结力，当粘结力小于拉应力时，防水层就会与水泥屋面剥离，产生空隙，随着剥离面的不断扩大，空隙也不断加大：当防水材料老化到一定程度，其粘接力降到零，表面龟裂，防水层与水泥屋面之间的空隙蓄水，且不易蒸发。防水层已失去了防水效果，当空隙中的蓄水和雨水产生到一定水压力时，会通过顶层裂缝渗漏而下。其一是顶层施工质量问题。顶层板缝的填充料存在空隙，这是在施工时填充不实造成的；用于填充缝隙的水泥砂浆强度不一，雨水能轻易地通过黄砂，从而造成渗漏。用于填充缝隙的水泥砂浆中的水泥质量差，造成开裂、空隙、松散。
4 结束语
由上文可知“轨道交通等行业中的诊断”是当今红外热像仪拓展了的应用领域，它不再是一台简单用于预防性维护的红外热像仪，可以说是安全生产与控制的保护神，其使用现埸也愈来愈复杂与严酷，因此对各红外热像仪的性能指标与功能要求也随之提高，其温度分辨率（包含NETD）与非制冷红外焦平面阵列均可提高一个数量级外，如温度分辨率应≤0.03℃，非制冷红外焦平面阵列用320×240阵列即将或已实现。
应该说红外热像仪是一款轻便小巧、操作简便的预防性和诊断红外高性能热像仪。只须简单地扣动扳机便可以得到高质量的热像，是用于轨道交通等领域中诊断的理想工具。新型FlUKE Ti系列（Ti25、27、32、33等）红外热像仪已闻世。