本发明属于电流检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法。
背景技术：
近年来，在工业生产的各种测量、控制等实际应用中，随着各种设备性能的提高，对交流电流实现准确测量的意义越来越重要。目前，交流电流的检测方式主要有接触式和非接触式两种。接触式的检测方式使用较多，接触式检测方式的优点在于检测精度高，而其不足之处是检测电路须接入待测电路中，两部分电路通常存在相互影响，并且检测电路位置难以移动。传统非接触式电流检测方式主要是磁检测，磁检测传感器包括电流互感器、rogowski线圈、霍尔电流传感器、磁阻电流传感器等。这些传统非接触式电流检测手段凸显出许多不可克服的弊端：对电流互感器而言，它在测量时量程范围有限，其灵敏度与互感器二次绕组匝数成正比，虽然可以通过增加感应圈匝数的方法提高灵敏度，但是这会导致导线穿孔面积减小，互感器体积增大，且线圈电阻受外界环境影响较大，因而影响测量的准确度。磁检测方式中带铁芯的电流互感器存在漏磁和线性度差的缺陷，同一电磁电流互感器不能同时满足大面积检测和精度的要求。
在现有的非接触式电流检测系统中，多数系统均着眼于磁检测式方法以及对传感器特性进行研究和改良，对检测手段以及检测原理的改良考虑较少。而红外热成像作为一种常见的无损检测手段已被广泛应用于各种工业场景，其蕴含的热波理论具有检测电流密度的潜力，却从未被用来检测电力系统的泄露电流问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法，基于红外热成像，通过非接触检测方式实现低频交流电流幅值的检测。
为实现上述发明目的，本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、采集红外热图像序列；
(1.1)、在长度为l的k根标准金属线上设置检测点x，然后在室温条件下对每根标准金属线通入低频交流电，并利用红外热像仪采集带有检测点x处的红外热图像视频，共计采集k个红外热图像视频；
(1.2)、在每一个红外热图像视频中，按照采集顺序随机抽取p红外热图像，组成红外热图像时间序列tp,k(x,t)，其中，k＝1,2,…,k，每帧红外热图像的大小为m×n，m、n分别为红外热图像长、宽；
(2)、提取上、下包络线；
利用matlab工具中的取包络算法，分别逐帧求取tp,k(x,t)中的极值，得到每帧中的波峰与波谷，再将所有帧中的波峰连线构成上包络线tk,a(x,t)，将所有帧中的波谷连线构成下包络线tk,b(x,t)；其中，a、b分别代表上、下包络；
(3)、提取每根标准金属线的实际温度波动幅值；
(3.1)、提取上包络线与上、下包络线的中轴线之间的温度曲线tk(x,t)；
(3.2)、对tk(x,t)做快速傅里叶变换，获得频域数据fk(s)＝fft(tk(x,t))，再将fk(s)中低频交流电二倍频2fk处的幅值作为每根标准金属线的实际温度波动幅值，记作ak；
(4)、计算每根标准金属线的理论温度波动幅值；
(4.1)、根据傅里叶热传导公式构建每根标准金属线温度分布的空间瞬态函数；
其中，κ为热导率，ρ为密度，c为比热容，pk为交流热源；
(4.2)、计算每根标准金属线上交流电产生的热功率；
设每根标准金属线上通入的交流电ik为：
其中，
因此，交流电ik产生的热功率pk为：
其中，r0为标准金属线单位长度的电阻；
(4.3)、设置初始条件及边界条件
初始条件为：tk(x,0)＝fk,0＜x＜l；
边界条件为：tk(0,t)＝tk(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，fk为第k根标准金属线的初始温度，tk(0,t)表示第k根标准金属线左端的温度，tk(l,t)表示第k根标准金属线右端的温度，tk(x,0)表示检测点x处的初始温度；
(4.4)、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pk、初始条件及边界条件代入至步骤(4.1)所述的空间瞬态函数，得到：
然后根据分离变量法，得到温度分布tk(x,t)的解析解，表示为：
(4.5)、根据每根标准金属线温度分布tk(x,t)的解析解，计算出理论温度波动幅值
(5)、通过对理论温度波动幅值与实际温度波动幅值进行拟合，得到比例系数α；
对每个标准金属线的理论温度波动幅值
其中，
根据拟合的关系式得到比例系数α为：
(6)、实际电流幅值的测量
按照步骤(1)-(3)所述方法，获取待测金属线的实际温度波动幅值，再将实际温度波动幅值乘以比例系数α，得到待测金属线的理论温度波动幅值；
最后，根据理论温度波动幅值反算出待测金属线通入低频交流电后的电流幅值i*
其中，f0为通入低频交流电的频率，ρ0为待测金属线的电阻率，a0为待测金属线的理论温度波动幅值，s0为待测金属线的横截面积。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法，利用包络线算法提取标准金属线的红外热图像的温度分布曲线，然后利用fft变换提取频域中交流频率二倍频处的幅值作为实际的温度波动的幅值，同时利用热场到电场的数学模型计算出理论温度波动幅值，再对实际温度波动幅值与理论温度波动幅值进行拟合，得到比例系数；最后在电流幅值的实时测量时，通过将实际温度波动幅值乘以比例系数，得到待测金属线的理论温度波动幅值，从而反算出待测金属线通入低频交流电后的电流幅值。
同时，本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明采用了由热场到电场的数学模型，这样充分利用了热场与电场之间能量转换，实现了基于红外热成像的低频交流电流的测量；
(2)、本发明提出的电流幅值检测方法一种电热双场检测系统，该系统采用基于热波理论与基尔霍夫电流定律，是一种新型非接触式交变电流检测方法，这样克服了传统接触式电流检测方法引入旁路的缺点，避免了传统接触式测量电路对待测电路的影响，而且改善了非接触磁检测方式测量范围与检测精度不能兼得的情况，同时在保留红外热成像技术远距离检测优势下，还具有大面积检测及高分辨率的优势；
(3)、本发明采用红外热像仪作为传感器，避免了与待测导体的直接接触，在检测时也不需采用特殊磁芯材料，且待测导体不需穿过检测线圈，放宽了对于待测导体的检测位置、面积的限制；
(4)、本发明采用包络线法、傅里叶变换和归一化法相结合方式较好的提取温度响应信号，从系统方法上提高了信噪比，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法流程图；
图2是基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法原理图；
图3是标准金属线的红外热成像图以及检测点示例图；
图4是包络算法提取温度波动的示例图；
图5是温度分布t(x,t)的解析解示例图；
图6是金属线样品表面温度变化过程示例图；
图7是5hz下理论温度波动幅值与实际温度波动幅值的归一化拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法，包括以下步骤：
s1、采集红外热图像序列；
s1.1、如图2所示，在长度为l的k根标准金属线上设置检测点x，然后在室温条件下对每根标准金属线通入低频交流电，并利用红外热像仪采集带有检测点x处的红外热图像视频，共计采集k个红外热图像视频；
在本实施例中，如图3所示，使用函数发生器产生低频正弦交流电，通过功率放大器进行放大。通过将标准金属线与电阻串联使电流限制在2a-3.5a，并使用示波器进行电流的实时监测。使用分辨率640×120的红外热像仪采集金属线的表面温度，其中，标准金属线上覆盖硅片用来减少环境因素的影响。
s1.2、在每一个红外热图像视频中，按照采集顺序随机抽取p红外热图像，组成红外热图像时间序列tp,k(x,t)，其中，k＝1,2,…,k，每帧红外热图像的大小为m×n，m、n分别为红外热图像长、宽；
s2、提取上、下包络线；
利用matlab工具中的取包络算法，分别逐帧求取tp,k(x,t)中的极值，得到每帧中的波峰与波谷，再将所有帧中的波峰连线构成上包络线tk,a(x,t)，将所有帧中的波谷连线构成下包络线tk,b(x,t)；此时，温度变化曲线包裹在上下包络线之间tk,a(t)＜tp,k(x,t)＜tk,b(t)，上包络线与上下包络线的中轴线之间的部分能够反映出温度波动信号tp,k(x,t)的幅值，a、b分别代表上、下包络；
s3、提取每根标准金属线的实际温度波动幅值；
s3.1、如图4所示，提取上包络线与上、下包络线的中轴线之间的温度曲线tk(x,t)；
s3.2、对tk(x,t)做快速傅里叶变换，获得频域数据fk(s)＝fft(tk(x,t))，再将fk(s)中低频交流电二倍频2fk处的幅值作为每根标准金属线的实际温度波动幅值，记作ak；
s4、计算每根标准金属线的理论温度波动幅值；
s4.1、根据傅里叶热传导公式构建每根标准金属线温度分布的空间瞬态函数；
其中，κ为热导率，ρ为密度，c为比热容，pk为交流热源；
s4.2、计算每根标准金属线上交流电产生的热功率；
设每根标准金属线上通入的交流电ik为：
其中，
因此，交流电ik产生的热功率pk为：
其中，r0为标准金属线单位长度的电阻；
s4.3、设置初始条件及边界条件
初始条件为：tk(x,0)＝fk,0＜x＜l；
边界条件为：tk(0,t)＝tk(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，fk为第k根标准金属线的初始温度，tk(0,t)表示第k根标准金属线左端的温度，tk(l,t)表示第k根标准金属线右端的温度，tk(x,0)表示检测点x处的初始温度；
s4.4、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pk、初始条件及边界条件代入至步骤s4.1所述的空间瞬态函数，得到：
然后根据分离变量法，如图5所示，得到温度分布tk(x,t)的解析解，表示为：
其中，tx表示由恒定热源引起的沿着标准金属线的温度分布，tt表示由交流热源引起的温度随时间的变化，te表示初始状态至稳态的瞬态温度变化过程，如图6所示，te会最终能收敛至环境温度e，n表示自然数；
在本实施例中，tx由恒定热源引起的沿着标准金属线的温度分布，当金属线上检测点的位置确定时，tx变为已知量；在低频时，由于温度信号的波动特性较明显，因此通过波动项tt的幅值即可得到电流幅值，根据分离变量法，得到温度分布tk(x,t)的解析解近似可表示为：
s4.5、根据每根标准金属线温度分布tk(x,t)的解析解，计算出理论温度波动幅值
s5、通过对理论温度波动幅值与实际温度波动幅值进行拟合，如图7所示，得到比例系数α；
对每个标准金属线的理论温度波动幅值
其中，
根据拟合的关系式得到比例系数α为：
s6、实际电流幅值的测量
按照步骤s1-s3所述方法，获取待测金属线的实际温度波动幅值，再将实际温度波动幅值乘以比例系数α，得到待测金属线的理论温度波动幅值；
最后，根据理论温度波动幅值反算出待测金属线通入低频交流电后的电流幅值i*
其中，f0为通入低频交流电的频率，ρ0为待测金属线的电阻率，a0为待测金属线的理论温度波动幅值，s0为待测金属线的横截面积。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
1.一种基于红外热成像的低频交流电流幅值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、采集红外热图像序列；
(1.1)、在长度为l的k根标准金属线上设置检测点x，然后在室温条件下对每根标准金属线通入低频交流电，并利用红外热像仪采集带有检测点x处的红外热图像视频，共计采集k个红外热图像视频；
(1.2)、在每一个红外热图像视频中，按照采集顺序随机抽取p红外热图像，组成红外热图像时间序列tp,k(x,t)，其中，k＝1,2,…,k，每帧红外热图像的大小为m×n，m、n分别为红外热图像长、宽；
(2)、提取上、下包络线；
利用matlab工具中的取包络算法，分别逐帧求取tp,k(x,t)中的极值，得到每帧中的波峰与波谷，再将所有帧中的波峰连线构成上包络线tk,a(x,t)，将所有帧中的波谷连线构成下包络线tk,b(x,t)；其中，a、b分别代表上、下包络；
(3)、提取每根标准金属线的实际温度波动幅值；
(3.1)、提取上包络线与上、下包络线的中轴线之间的温度曲线tk(x,t)；
(3.2)、对tk(x,t)做快速傅里叶变换，获得频域数据fk(s)＝fft(tk(x,t))，再将fk(s)中低频交流电二倍频2fk处的幅值作为每根标准金属线的实际温度波动幅值，记作ak；
(4)、计算每根标准金属线的理论温度波动幅值；
(4.1)、根据傅里叶热传导公式构建每根标准金属线温度分布的空间瞬态函数；
(4.2)、计算每根标准金属线上交流电产生的热功率；
设每根标准金属线上通入的交流电ik为：
其中，
因此，交流电ik产生的热功率pk为：
其中，r0为标准金属线单位长度的电阻；
(4.3)、设置初始条件及边界条件
初始条件为：tk(x,0)＝fk,0＜x＜l；
边界条件为：tk(0,t)＝tk(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，fk为第k根标准金属线的初始温度，tk(0,t)表示第k根标准金属线左端的温度，tk(l,t)表示第k根标准金属线右端的温度，tk(x,0)表示检测点x处的初始温度；
(4.4)、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pk、初始条件及边界条件代入至步骤(4.1)所述的空间瞬态函数，得到：
然后根据分离变量法，得到温度分布tk(x,t)的解析解，表示为：
(4.5)、根据每根标准金属线温度分布tk(x,t)的解析解，计算出理论温度波动幅值
(5)、通过对理论温度波动幅值与实际温度波动幅值进行拟合，得到比例系数α；
对每个标准金属线的理论温度波动幅值
其中，
根据拟合的关系式得到比例系数α为：
(6)、实际电流幅值的测量
按照步骤(1)-(3)所述方法，获取待测金属线的实际温度波动幅值，再将实际温度波动幅值乘以比例系数α，得到待测金属线的理论温度波动幅值；
最后，根据理论温度波动幅值反算出待测金属线通入低频交流电后的电流幅值i*
其中，f0为通入低频交流电的频率，ρ0为待测金属线的电阻率，a0为待测金属线的理论温度波动幅值，s0为待测金属线的横截面积。
技术总结