通过红外表面成像技术融合可见光图像研究的电梯故障检测仪

随着电梯安全越来越受到人们的关注，业界亟需解决电梯故障的快速检测、提高电梯日常巡检的质量、及时发现电梯安全隐患的问题。受工作环境、使用时间、使用频率、工作情况等因素影响，电梯可能会出现电气控制原件老化、机械部件摩擦、电动机过载等情况，随之一些部件出现过热的现象，进一步会导致电梯系统出现故障停用，严重时可能引起电梯事故。

虽然国家对电梯的工作环境作了严格的管理要求，但是，电梯的实际运行环境相对比较恶劣，传统的人工目测检测方法无法满足电梯高频率使用而出现的突发问题，而电梯电气设备及其零部件故障绝大部分情况下都能通过电气表面温度变化反映出来。在本文中，笔者通过红外表面成像技术融合可见光图像，研究一种通用的、方便使用的、能够快速定位故障点的便携式检测仪器，通过记录数据对比，该检测仪器能够自动、长时间监控电梯的运行状况，给电梯的检验、检测带来方便。

1热成像和可见光融合的应用原理

红外热成像和可见光图像融合，其基本原理是通过红外成像摄像单元和可见光成像摄像单元同时拍摄，然后根据设备识别模型对可见光成像图片中的检测设备进行匹配识别并输出检测设备在图片中的图像坐标，最后根据输出的图像坐标在红外热成像图片中截取对应位置坐标的热分布图像，图像识别单元中的设备热分析模型通过分析所截取的热分布图像判断设备发热是否正常并输出设备的温度信息，从而形成融合图片，即在可见光图像中各个位置点获得温度信息，从而达到准确定位。

本仪器根据电梯安全技术规范对电梯日常检验提出的检测要求和检测工艺流程，结合电梯故障检测现场实际情况，集成多种智能传感器，主要解决现有检测工艺流程中存在的一些缺点：(1) 检测手段单一，多以肉眼查看、手动触摸为主；(2) 缺乏先进的检测工具，检测效率低下；(3) 缺乏在线式长时间的观测和监控，容易疏漏偶发性的故障；(4) 检测过程依赖人员的主观经验，缺乏智能的识别手段；(5) 检测过程缺乏图像、视频、GPS定位等有效的监控，检测结果可追溯性不强。本仪器通过改变传统红外成像装置的结构缺点，研制集成光学、温度、GPS定位、RFID信标、激光测距和二维码扫描等多种智能传感器系统的电梯故障检测仪，通过红外热成像技术与可见光图像的融合，提高行业的质检水平。

2仪器模块结构功能分析

本仪器基于红外热成像技术和可见光图像的融合，通过表面温度检测，精确定位电梯温度异常部位，诊断故障、隐患原因。检测仪主要针对电梯日常巡查、定期保养和检验、检测过程中目测无法发现的电气故障和主要安全部件的机械故障，提供一个能够实时检测和在线监控诊断的检测和检查方法，及时发现和预判电梯电气元件和安全部件的异常情况，提高电梯运行的可靠性，降低电梯的故障率，为电梯的科学检验检测提供更加便捷、有效的手段。

传统的红外检测设备多为大型仪器、厚重不便携带，并且其调焦装置普遍通过螺栓和调焦环刚性连接镜头，通过调焦环的周向运动来调节焦距，而其结构多不具有限位动能，当旋转过大或者过小时易使镜头脱落或者压紧，这使其可测范围减少，调焦距离小，可调调焦幅度过大，造成采集图像精度较低。笔者研究的检测装置在硬件设计上，克服了传统的红外检测设备固有的缺点，在定焦镜头微动调焦上进行结构设计，固定镜头的同时还对镜头径向移动进行限位，使其径向移动最大位移处不会脱落，较为安全。具体结构如图1所示。

图1 仪器机构图

如图1所示，仪器主要由微动调焦组件、成像组件、智能显示终端、红外模块，保护套等构成。其结构中后盖与前盖固结在一起，构成整个装置的主体轮廓，红外模块位于整个装置的中间部位，以螺钉进行固结，其红外模块上的镜头与调焦装置进行旋转固结，调焦装置与镜头固结完成后安装于装置的后盖，与红外相机座进行固结。成像装置安装于护罩上且可见光模组与红外镜头在一条直线上，前方护罩与后盖进行固接，整个系统四周包裹软胶套并可包含1/4螺纹接口可以通用于传统三角架。系统具有微调焦功能，其主要结构如图2所示。

图2 微动调焦装置

如图2所示，微动调焦装置主要由上限位构件、旋转手轮（驱动件）、手轮压盖、上下限位胶球、紧定螺钉、从动件、限位插销、下限位构件等构成。其中，上下限位构件构成整个装置的空腔，上限位构件中安装限位胶球与手轮压盖进行接触，限制手轮压盖的径向移动，下限位构件中安装限位胶球，限制旋转手轮（驱动件）的径向移动，使其仅仅周向移动。手轮压盖和旋转手轮（驱动件）滑动连接，通过限位胶球的压缩变形使其固结一体。从动件与镜头通过紧定螺钉使其刚性连接一体，从动件与旋转手轮（驱动件）滑动连接，从动件在旋转手轮（驱动件）内部可以自由滑动；此外，限位插销与旋转手轮（驱动件）进行滑动连接，手轮压盖进行限位，使其在旋转手轮（驱动件）中自由移动且对镜头的微动进行限位，限位插销在下限位构件上的螺旋槽内进行滑动。

3系统功能实现原理

系统通过红外成像技术与可见光图像融合，完成电梯电气系统异常温度检测，并能通过定位装置进行异常故障定位。同时，可利用图像对比技术，通过长期数据库的建立，对检测数据进行分析，从而发现温度变化规律，对偏离数据进行提示和报障。系统具体实现原理图如图3所示。

智能故障检测仪集成高清可见光传感器和高清红外视觉传感器，并将二者进行很好的匹配与融合，通过与高像素可见光图像的融合，很好地弥补了传统红外传感器分辨率不足的问题，通过分析能够快速检测并识别故障点，本仪器首先在双目异源光学系统方面采用创新设计，如图4所示。

图3 系统功能实现原理图

图4 可见光与红外光谱双光路融合的光路示意图

系统对实时采集到的电梯现场的可见光与红外热成像图等两类图像进行预处理并标定异源双目光学成像系统，让两个相互独立的光学空间建立一对一的映射关系，最后在终端显示的图像效果为“画中画”，实现了实时测温与故障定位。同时，利用测距传感器获得目标与传感器的距离，通过距离与双光谱图像融合的函数关系，实现全量程范围的可见光图像与红外图像的自动融合。图5所示为该双光谱光学系统自动融合流程。

系统植入电梯故障排查和质检的工艺流程，操作过程完全符合既有的检测流程，根据特种设备行业的信息化工作管理系统的规则，开发出符合此规则的终端操作APP软件。APP软件在上述符合特种设备行业的基础上实现融合图像显示、故障定位、温度测量等相关实时信息，体现出特种设备温度异常的预警，大大地提高了日常质量巡检的效率。

图5 双光谱图像自动融合流程

4结语

笔者研发了一种基于红外成像和可见光图像融合的电梯故障检测仪，本检测仪通过调焦方式和硬件结构的改进，减少了传统红外检测仪体积大、使用不方便、调焦范围小等缺点，通过红外成像技术和可见光图像的融合，能够迅速发现电梯各部件的温度异常，并实时识别故障位置，便于及时发现、消除电梯的安全隐患，预防电梯事故发生。