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高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高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高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高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的待测金属试件上设置检测点x，然后在室温条件下对待测金属试件通入高频交流电，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；
(1.2)、按照采集顺序，随机抽取p帧红外热图像，组成红外热图像时间序列tp(x,t)，其中，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，p代表帧数，x代表检测点；
(2)、温度信号重构；
(2.1)、在1～p帧红外热图像中，随机提取同一坐标位置处的像素点i的温度值，再将这p个温度值按照顺序存储在数组xi中；
(2.2)、利用polyfit函数对数组xi中的温度值进行指数拟合，得到像素点i重构后的平滑温度-时间曲线ti(x,t)；
其中，a0～an为拟合后的常系数，n为自然数，t表示时间；
(2.3)、按照(2.1)-(2.2)所述方法对每一个像素点进行温度信号重构，并将重构后每一点的温度信号按照原先的位置形成新的温度分布t(x,t)；
(3)、根据傅里叶热传导公式构建温度分布与高频电流幅值的空间瞬态函数；
其中，k为热导率，ρ为密度，c为比热容，pw为交流热源；
(4)、求解空间瞬态函数；
(4.1)、计算待测金属试件上交流电产生的热功率
设待测金属试件上通入的交流电i为：
i＝imcos(2πft)
其中，im为交流电幅值，f为交流电频率；
因此，交流电i产生的热功率为：
其中，r0为待测金属单位长度的电阻；
(4.2)、设置初始条件及边界条件
初始条件为：t(x,0)＝f,0＜x＜l；
边界条件为：t(0,t)＝t(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，f为初始温度，t(0,t)表示待测金属试件左端的温度，t(l,t)表示待测金属试件右端的温度，t(x,0)表示检测点x处的初始温度；
(4.3)、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pw、初始条件及边界条件代入至步骤(3)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t(x,t)的解析解，表示为：
(5)、对温度分布t(x,t)的解析解求一阶导，得到理论上待测金属试件表面温度分布与电流幅值的平方正比关系；
(6)、基于步骤(5)得到的平方正比关系，在实际测量过程中，计算重构后的温度分布t(x,t)中某一帧的一阶导数，从而得到该帧中检测点x处的交流电幅值im；
其中，ρ0为待测金属试件的电阻率，s为待测金属试件的横截面积。
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高频交流电流幅值检测方法，先按照从左到右、从上到下的方式拟合红外热图像中每一个像素点的原始温度变化曲线，并使用拟合后的温度曲线按照像素点的原始位置构成新的温度分布，再根据傅里叶热传导公式进行数学建模，并得到温度分布的解析解，然后求取一阶导数，得到高频交流电流幅值与温度分布的正比关系，最后再进行温度信号重构，得到交流电幅值。
同时，本发明一种基于红外热成像的高频交流电流幅值检测方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明对红外热图像中每一个像素点的原始温度变化曲线进行拟合，并使用拟合后的温度曲线按照像素点的原始位置构成新的温度分布，这样最大化降低红外热成像过程中环境噪声带来的温度信号不连续或存在突变点致使导数不存在的影响；
(2)、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；
(3)、本发明利用信号重构方式弥补了原始温度信号中因不连续点的存在导致无法求导的现象，并通过计算重构温度分布的一阶导数得到金属样品表面的高频电流幅值分布情况，实现了基于红外热成像的高频交流电流的测量；
(4)、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；
(5)、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；
(6)、本发明采用包络线法、傅里叶变换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高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高频交流电流幅值检测方法原理图；
图3是不锈钢样品的红外热成像图以及检测点示例图；
图4是理论上的不锈钢样品表面温度变化过程示例图；
图5是温度信号重构示例图；
图6是利用本方法测得的不锈钢样件表面的高频电流幅值分布示例图。
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高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高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、在本实施例中，如图2所示，将直径为6.35mm矩形线圈与涡流激励热源相连接，使用涡流激励热源产生高频(383khz)的正弦交流电，通电时间为0.1s；再将矩形线圈的长边置于一个带有人工缺陷的不锈钢样品上方，利用涡流激励源对室温条件下的不锈钢样品进行高频交流电激励，最后使用分辨率为320×256、采样频率为383hz的红外热像仪采集长度为l的不锈钢样品中带有检测点x处的红外热图像视频，如图3所示；
s1.2、按照采集顺序，随机抽取p帧红外热图像，组成红外热图像时间序列tp(x,t)，其中，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，p代表帧数，x代表检测点；
s2、温度信号重构；
s2.1、在1～p帧红外热图像中，随机提取同一坐标位置处的像素点i的温度值，再将这p个温度值按照顺序存储在数组xi中；
s2.2、利用polyfit函数对数组xi中的温度值进行指数拟合，如图4所示，得到像素点i重构后的平滑温度-时间曲线ti(x,t)；
其中，a0～an为拟合后的常系数，n为自然数，t表示时间；
s2.3、按照s2.1-s2.2所述方法对每一个像素点进行温度信号重构，并将重构后每一点的温度信号按照原先的位置形成新的温度分布t(x,t)；
s3、根据傅里叶热传导公式构建温度分布与高频电流幅值的空间瞬态函数；
其中，k为热导率，ρ为密度，c为比热容，pw为交流热源；
s4、求解空间瞬态函数；
s4.1、计算不锈钢样品上交流电产生的热功率
设不锈钢样品上通入的交流电i为：
i＝imcos(2πft)
其中，im为交流电幅值，f为交流电频率；
因此，交流电i产生的热功率为：
其中，r0为不锈钢样品单位长度的电阻；
s4.2、设置初始条件及边界条件
初始条件为：t(x,0)＝f,0＜x＜l；
边界条件为：t(0,t)＝t(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，f为初始温度，t(0,t)表示不锈钢样品左端的温度，t(l,t)表示不锈钢样品右端的温度，t(x,0)表示检测点x处的初始温度；
s4.3、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pw、初始条件及边界条件代入至步骤s3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t(x,t)的解析解，表示为：
其中，tx表示由恒定热源引起的沿着不锈钢样品的温度分布，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5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不锈钢样品的温度分布，为常数；由于电流频率越高，温度波动的幅值越小，当电流频率远大于电流幅值时，温度变化的幅值几乎不可见，此时温度波动项tt为0，因此，根据分离变量法，得到温度分布t(x,t)的解析解近似可表示为：
s5、通过上述分析，在高频时，只能通过温度分布的一阶导数来检测高频交流电流的幅值，进而得到理论上待测金属试件表面温度分布与电流幅值的平方正比关系；
s6、基于步骤s5得到的平方正比关系，在实际测量过程中，对于不锈钢试件上的每一个像素点，按照步骤s2的温度信号进行重构以后，考虑到热量的扩散效应会随着加热时间的增大而逐渐明显，为了排除热量的扩散效应对处理结果带来的影响，选择重构后温度分布序列t(x,t)的第二帧时刻的一阶导数，从而计算出检测点x处的交流电幅值im；，
其中，ρ0为不锈钢样品的电阻率，s为不锈钢样品的横截面积。
最终，我们根据不锈钢样件上所有像素点计算得到的电流幅值，并按照对应像素点的位置构成如图6所示电流幅值分布图，从而实现了高频电流幅值分布的检测。
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高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的待测金属试件上设置检测点x，然后在室温条件下对待测金属试件通入高频交流电，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；
(1.2)、按照采集顺序，随机抽取p帧红外热图像，组成红外热图像时间序列tp(x,t)，其中，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，p代表帧数，x代表检测点；
(2)、温度信号重构；
(2.1)、在1～p帧红外热图像中，随机提取同一坐标位置处的像素点i的温度值，再将这p个温度值按照顺序存储在数组xi中；
(2.2)、利用polyfit函数对数组xi中的温度值进行指数拟合，得到像素点i重构后的平滑温度-时间曲线ti(x,t)；
其中，a0～an为拟合后的常系数，n为自然数，t表示时间；
(2.3)、按照(2.1)-(2.2)所述方法对每一个像素点进行温度信号重构，并将重构后每一点的温度信号按照原先的位置形成新的温度分布t(x,t)；
(3)、根据傅里叶热传导公式构建温度分布与高频电流幅值的空间瞬态函数；
其中，k为热导率，ρ为密度，c为比热容，pw为交流热源；
(4)、求解空间瞬态函数；
(4.1)、计算待测金属试件上交流电产生的热功率
设待测金属试件上通入的交流电i为：
i＝imcos(2πft)
其中，im为交流电幅幅值，f为交流电频率；
因此，交流电i产生的热功率为：
其中，r0为待测金属单位长度的电阻；
(4.2)、设置初始条件及边界条件
初始条件为：t(x,0)＝f,0＜x＜l；
边界条件为：t(0,t)＝t(l,t)＝e,t＞0；
其中，e为环境温度，f为初始温度，t(0,t)表示待测金属试件左端的温度，t(l,t)表示待测金属试件右端的温度，t(x,0)表示检测点x处的初始温度；
(4.3)、根据分离变量法求解空间瞬态函数
将热功率pw、初始条件及边界条件代入至步骤(2)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t(x,t)的解析解，表示为：
(5)、对温度分布t(x,t)的解析解求一阶导，得到理论上待测金属试件表面温度分布与电流幅值的平方正比关系；
(6)、基于步骤(5)得到的平方正比关系，在实际测量过程中，计算重构后的温度分布t(x,t)中某一帧的一阶导数，从而得到该帧中检测点x处的交流电幅值im；
其中，ρ0为待测金属试件的电阻率，s为待测金属试件的横截面积。
技术总结