一种热红外成像电力设施故障检测仪和检测方法与流程

本发明涉及电力设备技术领域，具体为一种热红外成像电力设施故障检测仪和检测方法。

背景技术：

热像仪(红外热像科技)在军民两方面都有应用，最开始起源于军用，逐渐转为民用。在民用中一般叫热像仪，主要用于研发或工业检测与设备维护中，在防火、夜视以及安防中也有广泛应用。红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

输电网的电力线路和各种电力设施如果发生接触不良、受潮绝缘性变差、变压器异常等故障，就会产生局部发热的现象。可以用发热点相对环境温度或者设备正常值的温升来判断热缺陷，并给出了对不同负荷电流下表示过热的警界温升表，当被检测点对环境温度的温升大于表中所规定的警界温升时就认为有缺陷，并按表中的警界温升确定缺陷种类，这种方法简单、直观、实用性较强。例如，cn105403312a公开了一种输变电设备红外成像图谱识别及分析方法，其中获取输变电设备红外图像，根据图谱获取某像素点的温度值、由系统设定的该设备正常相温度、环境参考温度，获取该设备的温升、温差及相对温差，与系统标准值比较，如果超出标准设定的阈值就初步判断设备存在缺陷。但是，上述现有技术在红外检测时存在以下不足：(1)对于高压直流和交流线路，即使相同材料、相同环境条件，由于集肤效应和邻近效应，在相同负荷电流情况下，交流线路的发热应比直流严重，而只根据负荷电流采用统一标准的警界温升来作为判断依据，是有局限性的；(2)不同设备、不同材料的发热特性各不相同，在不同条件下的允许温升应各不相同，例如在有太阳辐射时，会在被检测对象上附加一定的温升，这时的警界温升显然应与没有太阳辐射时的不一样。显然，简单地采用这种方法来分析热缺陷并不方便、准确。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种热红外成像电力设施故障检测仪和检测方法，解决了电力设施如果发生接触不良、受潮绝缘性变差、变压器异常等故障，无法及时有效的对设备运行状态良好与否进行快速准确诊断的问题。本发明对致热型设备的热故障判别可以采用现场比对的相对温升判断法，在正常负荷运行情况下，取被检测电力设施附近正常运行导线的温度作为参考温度，即对于有热缺陷的地方，可以在离发热点一定距离以外的地方取电力设施的温度作参考温度，进而计算被检测电力设施相对于正常运行导线的温升，判断是否存在异常。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种热红外成像电力设施故障检测仪，包括检测仪体，所述检测仪体的第一侧面通过转轴铰接有显示器，所述检测仪体的第二侧面分别设有指示灯、控制键盘、控制开关和usb接口，所述检测仪体的第三侧面设有红外镜头；检测仪体的底部固定连接有手柄，手柄内设有蓄电池；

所述检测仪体的内部分别安装有光栅、红外线探测器、微处理器以及储存器；

所述光栅位于红外镜头和红外线探测器之间，所述光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成的，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光；所述光栅在微处理器的控制下，在固定位置处发生微动平移，调节红外线探测器的成像角度范围，分阶段对被检测电力设施及该被测电力设施附近的电力线各段进行热图成像；

所述红外线探测器具有光热感应器，红外镜头聚焦的红外线投射到光热感应器上，光热感应器探测到红外辐射能量的变化并输出电信号；红外线探测器内置a/d转换器，光热感应器的输出端与a/d转换器连接，a/d转换器将光热感应器送出的电信号数码化，然后提供给微处理器形成红外热图图像；

所述微处理器对红外线探测器输出的数码化信号进行处理，生成红外热图图像；所述微处理器还识别红外热图图像，根据热图图像各个区域的图像亮度推算各区域温度数据，执行测温以及温升计算；

微处理器的输出端与显示器的输入端电性连接，显示器可显示红外热图图像以及相对温升读数的数值；微处理器的输出端与指示灯的输入端电性连接，从而根据相对温升读数的推算，当判定被检测的电力设施存在异常时由指示灯进行闪烁报警；控制键盘的输出端与微处理器的输入端电性连接；控制开关的输出端与微处理器的输入端电性连接；微处理器和储存器双向电性连接，usb接口与储存器双向电性连接，蓄电池的输出端为各个元件提供供电。

优选的是，所述红外线探测器为双元被动红外热释电传感器，有两个内置的光热感应器并行成像；所述微处理器对两幅红外热图图像进行加权平均增强合成，形成红外热图图像。

优选的是，所述红外线探测器上还电性连接有滤波器，该滤波器的输出端与光电转换传感器的输入端电性连接。

优选的是，所述光栅在微处理器的控制下分阶段微动平移，控制红外线探测器对红外镜头成像视角范围的各个局部成像；其中，在第一阶段，对位于红外镜头成像视角范围中心的被检测电力设施进行红外热图成像；进而，在其它阶段，通过微动平移所述光栅，使红外线探测器分别对被检测电力设施附近的电力线各段执行红外热图成像。

优选的是，所述微处理器采用嵌入式微电脑数字信号处理芯片电路，包括执行部件(eu)和总线接口部件(biu)。

一种采用上述热红外成像电力设施故障检测仪的检测方法，包括以下步骤：

s1、布设热红外成像电力设施故障检测仪，在电力设施检测现场使红外镜头对准作为被测目标的电力设施，移动该故障检测仪从而调整该故障检测仪与电力设施之间的距离，并同时通过显示器观察热成像范围，通过移动距离，让被测电力设施以及距离该电力设施小于等于5米的导线充满红外镜头的成像范围视野；

s2、调整红外镜头成像焦距，使成像焦点被聚焦在作为被测目标的电力设施；

s3、设定成像与测温范围，在红外热图成像测温之前，通过故障检测仪的控制键盘，对故障检测仪的成像测温范围进行设定，使成像测温范围覆盖被测电力设施的预期温度范围；

s4、将故障检测仪平稳安放，从而保证制成图像精准防模糊；

s5、按下故障检测仪的控制开关，执行红外热图成像测温和相对温升计算。

优选的是，步骤s5具体包括：

s51、分阶段红外热图成像子步骤，由微处理器控制光栅的微动平移，从而实现分阶段的热图图像成像，每个阶段对整个拍摄视野范围的一个局部进行聚焦成像；

s52、被测目标及参考目标识别阶段，获得各阶段获得的红外热图图像；针对第一阶段获得的红外热图图像，基于亮度梯度或基于色域分布的边缘检测算法，提取被测电力设施所在的图像区域，作为被测目标；针对此后各个阶段获得的红外热图图像，利用基于亮度梯度的线目标检测算法而提取电力线所在图像区域，作为参考目标；

s53，测温和温升计算步骤：对于步骤s52当中识别出来的被测目标，根据其图像区域的亮度与颜色值的均值，可以对应获得被测电力设施的温度为t；取此后各个阶段获得的电力线各段的红外热图图像当中温度最高的一段电力线，同样根据其亮度与颜色值的均值，测得该段电力线的温度为参考温度ta，则计算相对温升δt＝t-ta；

s54，根据相对温升δt来判断热缺陷情况。

优选的是，步骤s53进一步包括：根据检测时的气候情况和测试距离，适当调整步骤s53的修正系数或修正温度值，在步骤s53中测得的被测电力设施的温度以及参考温度，均乘以该修正系数或者加上该修正温度值，再计算相对温升。

优选的是，步骤s3中，被测电力设施的预期温度范围是该设备在正常工作和故障状态下温度分布的最大可能范围，故障检测仪的成像测温范围的下限值设定为预期温度范围下限值的80％，将故障检测仪的成像测温范围的上限值设定为预期温度范围上限值的120％。

优选的是，步骤s54进一步包括：如果相对温升大于一定阈值，则指示灯执行闪烁报警。

(三)有益效果

本发明提供了一种热红外成像电力设施故障检测仪和检测方法，具备以下有益效果：

(1)、本发明的故障检测仪对电力设施进行红外成像，以设备的热状态分布为依据，采用相对温升的检测方式，对设备运行状态良好与否进行诊断，它具有不停运、不接触、远距离、快速、直观地对设备的热状态进行成像的优点，获得设备的热像图，作为设备运行状态下热状态及其温度分布的真实表示，能够解决电力设施如果发生接触不良、受潮绝缘性变差、变压器异常等故障，无法及时有效的对设备运行状态良好与否进行快速准确诊断的问题。使用户远离危险，不会侵扰或者影响目标，快速生成热分布图像，可以比较物体不同区域的温度，利用图像可以观察整体目标，使热分布可视化并能进行后期分析。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的内部结构示意图；

图5为本发明的原理示意图；

图6为本发明的控制系统图；

图7为本发明的被测目标及其附近电力线分布示意图。

图中：1检测仪体、2显示器、3指示灯、4控制键盘、5控制开关、6usb接口、7红外镜头、8光栅、9红外线探测器、10微处理器、11储存器、12手柄、13蓄电池、14橡胶薄膜、15挂环、16光电转换传感器、17滤波器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种热红外成像电力设施故障检测仪，包括检测仪体1，检测仪体1的第一侧面通过转轴铰接有显示器2，显示器2(display)通常也被称为监视器，可采用液晶显示器lcd等。；检测仪体1的第二侧面分别设有指示灯3、控制键盘4、控制开关5和usb接口6。检测仪体1的底部固定连接有手柄12，便于拿持，手柄12内设有蓄电池13，手柄12的外表面套设有橡胶薄膜14，且橡胶薄膜14的外表面设有均匀分布的防滑凸点，防止手滑，手柄12的底部固定连接有挂环15，方便悬挂起来。

检测仪体1的第三侧面设有红外镜头7，目前市面上的普通镜头可以做到把相差250nm左右波长的光线聚集到同一平面上，即430-650nm或者650-900nm范围内的光可以聚焦成功，呈现出清晰的图像，这就是为什么普通镜头白天调清晰了，夜视模糊，或者夜视调清晰了，白天模糊的原因，红外镜头7能做到把430-900nm甚至更长波段范围的光线都聚集到同一平面上，所以不管白天还是夜视都是清晰的，红外镜头7起接收和汇聚被测物体发射的红外辐射作用。

检测仪体1的内部分别固定连接有光栅8和红外线探测器9，红外线探测器9在红外镜头7的焦点上。红外线探测器9包括滤波器17，用于滤除红外波段以外的大部分干扰性的辐射电磁波，能够提升红外线探测器9感应热辐射时的数据精度，该滤波器17的输出端与红外线探测器9的光热感应器的输入端电性连接。红外线探测器9具有两个光热感应器，红外镜头7聚焦的红外线投射到光热感应器上，光热感应器可以探测到红外辐射能量的变化，并输出电信号，红外线探测器9的光热感应器为光电转换传感器16，光电转换传感器16的有效工作波段为红外波段，将红外热辐射信号变成电信号，故而称之为光热感应器。红外线探测器9内置a/d转换器，该光电转换传感器16的输出端与a/d转换器连接，a/d转换器将光热感应器送出的电信号数码化，然后提供给微处理器10形成红外热图图像；通过对光热感应器的信号进行数码化处理，形成可以消除信号的瞬变和电磁波的干扰等。红外线探测器9采用双元被动红外热释电传感器，双元即两个内置的光热感应器并行成像，再由微处理器10对两幅红外热图图像进行加权平均增强合成，从而显著提升了红外热图成像的细节效果。

光栅8位于红外镜头7和红外线探测器9之间。由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅8，光栅8是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝，光栅8在1cm宽度内刻有8000条至10000条刻痕，光栅8为利用透射光衍射原理的透射光栅。光栅8可以在固定位置处发生微动平移，而光栅8的微小平移会导致红外线探测器9的成像范围发生较大变化，因此光栅8用于控制红外线探测器9的光热感应器的成像角度。特别是对于电力设施当中常用的线状设施，比如电力线，如图7所示的电力线l，如果希望针对l1、l2、l3分段进行红外检测成像，那么只需要由微处理器10控制光栅8进行微动平移，即可以控制分别将由红外镜头7汇聚的来自l1、l2、l3各段的红外光信号投射于红外线探测器9，实现对电力线l的分段成像。本发明取被检测电力设施附近正常运行导线的温度作为参考温度，因此要对被检测电力设施以及其附近的若干段导线分别实现红外热成像检测。在这种检测中，如果移动机位检测则比较麻烦。因此，本发明的红外镜头7采用广角镜头，可以广域采集红外光信号；而光栅8在微处理器10控制下分阶段微动平移，控制红外线探测器9的成像角度范围。首先，在第一阶段，对图7中的被检测电力设施m进行红外热图成像；进而，在第二至第四阶段，通过微动平移光栅8，使红外线探测器9分别对与m附近的电力线l1、l2、l3各段执行红外热图成像。从红外热图图像中获取被检测电力设施m与电力线l1、l2、l3各段的测温，从而计算相对温升。分阶段热图成像使得不需要移动机位，也不需要反复拍摄，单次操作就可以完成被测目标和参考目标的热图成像测量；对被测目标和参考目标分开进行热图成像及后续的测温分析，有利于在热图图像中进行目标区域识别提取的准确度，避免了成像中的相互串扰，进而保证了测温的精确度。

检测仪体1内设有的微处理器10和储存器11。微处理器10采用嵌入式微电脑数字信号处理芯片电路，具有完善的温度补偿，独有的防误报算法，低功耗，性能稳定，抗干扰性强。微处理器10可分成两个部分，一部分是执行部件(eu)，即执行指令的部分；另一部分是总线接口部件(biu),执行从存储器取指令的操作，微处理器分成eu和biu后,可使取指令和执行指令的操作重叠进行，eu部分有一个寄存器堆，由8个16位的寄存器组成,可用以存放数据、变址和堆栈指针；eu部分的算术运算逻辑单元(alu)执行算术运算和逻辑操作，标志寄存器寄存这些操作结果的条件。总线接口部件biu也有一个寄存器堆，其中cs、ds、ss和es是存储空间分段的分段寄存器，ip是指令指针，内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器，指令队列是把预先取来的指令流存放起来，总线接口部件biu还有一个地址加法器，把分段寄存器值和偏置值相加，取得20位的物理地址，数据和地址通过总线控制逻辑与外围的嵌入式系统部件相联系。处理器与片外传送数据时，一次可传送16位二进制数。微处理器10能够对采用双元被动红外热释电传感器结构的红外线探测器9输出的数码化信号进行处理，生成红外热图图像。微处理器10还识别红外热图图像，根据热图图像各个区域的图像亮度推算各区域温度数据，执行测温以及温升计算。

微处理器10的输出端与显示器2的输入端电性连接，显示器2可显示红外热图图像以及针对红外热图图像各区域提取的相对温升读数的数值，以便供操作本设备的工程维护人员直观查看。微处理器10的输出端与指示灯3的输入端电性连接，从而根据对红外热图图像各个区域相对温升读数的推算，当判定被检测的电力设施存在异常时由指示灯3进行闪烁报警。控制键盘4的输出端与微处理器10的输入端电性连接。控制开关5的输出端与微处理器10的输入端电性连接。微处理器10和储存器11双向电性连接，usb接口6与储存器11双向电性连接。蓄电池13的输出端为本检测仪的各个元件提供供电。

本发明进而提供了一种热红外成像电力设施故障检测仪的检测方法，包括以下步骤：

s1、布设热红外成像电力设施故障检测仪：在电力设施检测现场使红外镜头7对准作为被测目标的电力设施，移动该故障检测仪从而调整该故障检测仪与电力设施之间的距离，并同时通过显示器2观察热成像范围，通过移动距离，让被测电力设施以及距离该电力设施小于等于5米的导线充满红外镜头7的成像范围视野。如果故障检测仪与被测电力设施距离过小，会导致无法聚焦为清晰图像，或者无法收入电力设施附近作为参考的电力导线；相反，如果故障检测仪与电力设施的距离过大，导致目标太小，难以测量出真实温度。因此本步骤中通过反复移动，保持好适中距离，方能得到尽可能精确数据。

s2、调整红外镜头7成像焦距，使成像焦点被聚焦在作为被测目标的电力设施。通过聚焦，防止目标上方或周围背景的过热或过冷的反射影响到目标测量的精确性，减少或者消除反射影响；因为当红外热图图像保存完毕，就无法再改变焦距以消除其他杂乱的热反射，因此要在红外热图成像之间进行焦距调整。

s3、设定成像与测温范围：在红外热图成像测温之前，通过故障检测仪的控制键盘4，对故障检测仪的成像测温范围进行设定，使测温范围覆盖被测电力设施的预期温度范围。被测电力设施的预期温度范围是该设备在正常工作和故障状态下温度分布的最大可能范围，例如被测电力设施正常工作下的温度20-35摄氏度，如果发生故障其温度最高可达到50摄氏度，则预期温度范围为20-50摄氏度。则可以将故障检测仪的成像测温范围调整为16-60摄氏度，以覆盖该预期温度范围。故障检测仪的成像测温范围也不应超出预期温度范围太多，否则会为测温成像引入不必要的干扰，应使之尽可能符合被测目标的预期温度范围，才能保证得到最佳图像质量；本发明经反复试验验证，将故障检测仪的成像测温范围的下限值设定为预期温度范围下限值的80％，将故障检测仪的成像测温范围的上限值设定为预期温度范围上限值的120％，实际成像测温效果较好。

s4、将故障检测仪平稳安放，从而保证制成图像精准防模糊。徒手使用故障检测仪时，需要在胳膊下放置支撑物来稳固保持平衡。最好是将仪器放在稳固平面上，或者用三脚架支撑，使得红外热图成像更加稳定。

s5、执行红外热图成像测温和相对温升计算：在完成上述各步骤之后，按下故障检测仪的控制开关5，使检测仪体1启动红外热图成像测温和相对温升计算的工作状态。该工作状态包括以下子步骤：

s51、分阶段红外热图成像子步骤，利用红外镜头7接受被测范围内的红外辐射能量分布图形，投射到红外线探测器9的光敏元件上，从而获得红外热图图像，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。如前文所述，由微处理器10控制光栅8的微动平移，从而实现分阶段的热图图像成像，每个阶段对整个拍摄视野范围的一个局部进行聚焦成像。例如图7的检测中，在第一阶段对位于拍摄视野范围最中间的被检测电力设施m进行红外热图成像；进而，在第二至第四阶段，通过微动平移光栅8，使红外线探测器9依次对位于m右侧的附近电力线l1、l2和位于m左侧的附近电力线l3执行红外热图成像。

s52、被测目标及参考目标识别阶段，获得第一至第四各阶段获得的红外热图图像；针对第一阶段获得的红外热图图像，其中被检测电力设施m因发热而呈现亮度较高、颜色偏向红色域的图像区域，利用基于亮度梯度或基于色域分布的边缘检测算法可以提取出m所在的图像区域，作为被测目标。对于附近电力线l1、l2和l3所在的图像区域，电力线所在区域因发热呈现亮度较高的线状，可以利用基于亮度梯度的线目标检测算法而提取电力线所在图像区域，作为参考目标。

s53、测温和温升计算步骤：通过标定，可以将热图图像当中像素的亮度、颜色值与实际物体的温度对应起来；因此，对于步骤s52当中识别出来的被测目标，根据其图像区域的亮度与颜色值的均值，可以对应获得被测量电力设施m的温度为t；取被测对象m附近正常运行的电力线l1、l2、l3当中温度最高的一段，同样根据其亮度与颜色值的均值，测得温度为参考温度ta，则计算相对温升δt＝t-ta。

步骤s54、根据相对温升δt来判断热缺陷情况；如果相对温升大于一定阈值，则认为m存在故障状态，指示灯3可以执行闪烁报警。这种基于相对温升的检测方法可以消除太阳辐射造成的附加温升的影响，同时，由于同向性，检测距离、环境温度、湿度、风速等参数的不准确性带来的误差也减小了。

检测时，根据当时的气候情况(风力，风速，环境温度，雾，雪)和测试距离，适当调整步骤s53的修正系数或修正温度值，具体方法：在测试现场，先在近距离用温度计测量电力设施某一点的温度,然后在到实际测温时的实际距离处，用故障检测仪测量电力设施的温度，根据两侧测量的温度差，设定的修正系数或修正温度值；然后，在步骤s53中测得的温度，均乘以该修正系数或者加上该修正温度值，再计算相对温升。

该文中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

综上所述，本发明的故障检测仪对电力设施进行红外成像，以设备的热状态分布为依据，对设备运行状态良好与否进行诊断，它具有不停运、不接触、远距离、快速、直观地对设备的热状态进行成像的优点，获得设备的热像图，作为设备运行状态下热状态及其温度分布的真实表示，能够解决电力设施如果发生接触不良、受潮绝缘性变差、变压器异常等故障，无法及时有效的对设备运行状态良好与否进行快速准确诊断的问题。不需要接触待测目标，使用户远离危险，不会侵扰或者影响目标，快速生成热分布图像，可以比较物体不同区域的温度，利用图像可以观察整体目标，使热分布可视化并能进行后期分析，实时响应，高速移动物体捕获，高频温度变化的图像捕捉，且提升了故障检测仪的检测精度，易于推广使用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。