CN106124058A - 基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置 - Google Patents

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李亚
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束江
曾俊冬
黄琼
江超
卞正兰
李高芳
唐忠
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Abstract

本发明涉及一种基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，Kinect深度传感器和红外热像仪上下紧密贴合安装在一个机壳内，Kinect深度传感器测量电力设备表面测温点与Kinect深度传感器之间的距离和电力设备表面测温点与红外热像仪之间的距离；电力设备表面测温点到Kinect深度传感器的距离等于到红外热像仪的距离；Kinect深度传感器和获取到的电力设备表面测温点的深度数据和红外热像仪获取的图像及温度数据通过无线通讯模块传输到上位机上。该装置能够对分布在电力设备表面上的多个目标点进行距离测量，有效提高红外测温系统温度检测的准确性，并具有装置结构简单，性价比高等优点，因此具有较高的实用价值。

Description

基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置
技术领域
本发明涉及一种电力设备红外测温装置，尤其是一种将红外热像仪与Kinect深度传感器组合，用于修正红外热像仪获得的电力设备故障点表面观测温度值的红外测温装置。
背景技术
随着红外测温技术的不断发展，红外测温仪已经广泛应用于电力设备故障诊断领域。工业现场红外测温结果的准确性，在很大程度上影响着设备故障红外诊断的结果。红外测温的准确性受诸多因素影响，例如设备表面的发射率、反射率、环境温度、大气温度、测量距离、大气衰减以及周围高温物体辐射等等。受到红外辐射理论的限制，目标体到观测点的距离对红外测温结果的准确性影响较大，因此，在电力设备红外检测的过程中，往往要考虑检测距离这一关键因素，并以此对测温结果进行修正，实现测温结果的准确性。为此，就有必要获取被测设备目标点到观测点的距离。
对于上述观测距离影响红外测温结果准确性的，目前已发展了将测距仪器与红外测温仪器组合的装置或方法，例如，激光测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201120577082.8)、超声波测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201210163806.3)、红外线测距与红外测温仪器组合方法等。上述的方法中，测距仪器一般都采用单点测距的模式，这种模式虽然能够对单一故障点的距离和温度检测取得很好的效果，但是，考虑到高压电力设备是个大尺寸三维立体结构，在高度、宽度及深度三个维度上均具有一定的规模，同一设备中可能存在多个分布式的故障发热点，此时单点测距模式无法满足同时测量多故障点距离的需求。特备是在利用红外热像检测电力设备时，红外热像图中可能存在多个故障发热点，为方便起见往往采用设备中心点的单一距离作为多个故障点温度修正的距离参数。由于这种方法获取的距离参数与实际故障点的距离一般会存在较大的偏差，因此造成了温度修正结果的不准确。特别是变电站等现场情况比较复杂，受现场运维检测人员工作经验的限制，单点式测距仪的测距路径有可能被其他非目标设备(如母线、隔离开关、绝缘子等)的无意遮挡，发生距离误测情况，影响了电力设备红外检测的准确性，并进一步影响电力设备带电检测的深入实施，这就迫切需要一种灵活度更高、与红外热像仪结合更好的测距方式。
发明内容
本发明针对目前电力设备红外检测中常规距离检测方式存在的不足，提出了一种基于Kinect深度传感器电力设备红外测温装置，该装置中红外热像仪能够对电力设备的表面温度进行成像显示，同时Kinect深度传感器的成像功能能够把其有效视野范围内所有目标点的距离测量出来，具有多目标点测距的功能，因此，能够实现电力设备的多故障点测温补偿，得到更为准确的目标点温度。Kinect深度传感器还具有精度和灵活度高、与红外热像仪容易组合的优点，能够解决现有红外测温距离误差较大的问题。
本发明的技术方案：一种基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，包括Kinect深度传感器、红外热像仪、二维度云台、固定底座、无线通讯模块，所述Kinect深度传感器和红外热像仪上下紧密贴合安装在一个机壳内，机壳通过二维度云台安装在固定底座上，二维度云台连接上位机，通过上位机控制二维度云台上、下、左、右旋转扫描拍摄角度，使得电力设备表面测温点处于深度图像和红外热像视角范围内；所述Kinect深度传感器测量电力设备表面任意点与Kinect深度传感器之间的距离和电力设备表面任意点与红外热像仪之间的距离；红外热像仪用于获取电力设备红外热像温度信息，所述的电力设备表面测温点到Kinect深度传感器的距离等于到红外热像仪的距离；所述Kinect深度传感器和获取到的电力设备表面测温点的深度数据和红外热像仪获取的图像及温度数据通过无线通讯模块传输到上位机上。
所述二维度云台安装有水平和垂直方向调整的步进电机，所述Kinect深度传感器与红外热像仪镜头的方向一致并且与机壳的一面紧贴，并处于机壳壳体内的中间位置。
所述Kinect深度传感器为512×424像素的传感器，所述Kinect深度传感器1与电力设备表面测温点的距离通过Kinect深度传感器拍摄的深度帧数据获取；所述深度帧数据中每个像素占用16位二进制数据，其中，第0～2位为索引位，第3～15位为单元像素的深度值；所述Kinect深度传感器与电力设备表面目标点之间距离由深度提取软件通过第3～15位数据值自动获取该像素点对应的深度数据。
所述Kinect深度传感器获得的红外热像仪与电力设备表面测温点之间的距离，以及红外热像仪获取的电力设备表面测温点温度、环境温度代入到温度修正公式中，获取电力设备表面测温点修正后的准确温度值。
所述红外热像仪和Kinect深度传感器拍摄的数据帧通过Wi-Fi无线通讯方式传送到上位机。
所述Kinect深度传感器与红外热像仪之间、红外热像仪与机壳之间以及Kinect深度传感器与机壳之间的接触面上均安装有防震垫，以保持图像的清晰稳定。
本发明的有益效果：
本发明解决了传统电力设备红外测温距离补偿不精确的问题。利用Kinect深度传感器测量电力设备发热点至Kinect之间的距离，该距离近似等于红外热像仪至电力设备发热点之间的距离。当对体积比较大的电力设备进行距离补偿时，这种热点至红外热像仪的精确补偿方式优势非常明显，这种补偿方式的精度高、实用性更强。
附图说明
图1为本发明的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置结构立体示意图；
图2为Kinect深度传感器与红外热像仪上下平行安装示意图；
图3为本发明的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置具体应用立体示意图；
图4为基于Kinect深度检测的红外测温补偿装置系统结构框图；
图5为基于Kinect深度检测的红外测温补偿装置使用流程图；
图6为深度帧数据中单像素点深度数据存储据示意图；
图7为被测电源模块电路板可见光拍摄图；
图8为被测电源模块电路板红外热像拍摄图；
图9为被测电源模块电路板Kinect深度传感器拍摄图。
具体实施例
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本发明的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，包括：Kinect深度传感器1、红外热像仪2、散热口3、电源集合线股4、二维度云台5、底座6、无线通讯模块。
二维度云台5上安装有水平和垂直方向调整的步进电机，以及一个长×宽×高为35cm×30cm×15cm的长方体机壳8。Kinect深度传感器1与红外热像仪2镜头的方向一致并且与机壳30cm×15cm的一面紧贴，两者上下贴合安装在机壳壳体内的中间位置。Kinect深度传感器1与红外热像仪2之间、红外热像仪2与机壳之间以及Kinect深度传感器1与机壳之间的接触面上均安装有防震垫7，以保持图像的清晰稳定。
电力设备表面测温点到Kinect深度传感器1的距离等于到红外热像仪2的距离。利用Kinect深度传感器1检测电力设备和红外热像仪2之间的距离，使用红外热像仪2获取电力设备红外热像温度信息。通过无线通讯模块将Kinect深度传感器1获取的深度数据和红外热像仪2获取的图像及温度数据传输到上位机。本发明的具体实施流程为图5所示。
Kinect深度传感器1为512×424像素的传感器，Kinect深度传感器1与电力设备表面测温点的距离通过Kinect深度传感器1拍摄的深度帧数据获取。深度帧数据中每个像素占用16位二进制数据，其中，第0～2位为索引位，第3～15位为单元像素的深度值。深度提取软件通过第3～15位数据值可自动获取该像素点对应的深度数据，并认为其为距离数据，即为Kinect深度传感器与目标点之间距离。将红外热像仪2与Kinect深度传感器1拍摄的数据帧通过Wi-Fi无线通讯方式传送到上位机。在利用Kinect深度传感器检测1到的距离的基础上，将红外热像仪2获取的目标温度、环境温度带入到上位机中温度修正公式中进行温度修正计算，获取目标表面的准确温度值。
将Kinect深度传感器1和红外热像仪2安装在二维度云台上，其立体结构图如图1所示，Kinect深度传感器1，版本为Kinect for Windows 2.0，用来测量电力设备表面任意点和Kinect深度传感器1之间的距离。由于帧数据中深度数据占用13位，因此其最大测量距离可达213mm＝8.192m。红外热像仪2，其型号和参数为IRT513-A型红外热像仪，工作波段为8～14μm，氧化钒探测器探测像元数为320×240，像元尺寸为38×38μm2，成像形式选择25HzPAL制式，热像仪的温度分辨率为50mK@30℃，测温范围为-30℃～200℃，可以对电子电路板、变电站避雷器、电压互感器和变压器等设备的表面进行测温。Kinect深度传感器1和红外热像仪2上下紧密贴合安装在一个机壳内，如图2所示。由于Kinect深度传感器1和红外热像仪2镜头间距很小，电力设备表面任意点到Kinect深度传感器1的距离与设备表面任意点到红外热像仪2的距离一致。Kinect深度传感器1和红外热像仪2、红外热像仪2和机壳以及Kinect深度传感器1和机壳之间的接触面上都安装有防震垫，以保持图像的清晰稳定。Kinect深度传感器和1红外热像仪2获取到的图像信号通过无线传感器上传到上位机。可上、下、左、右旋转扫描的二维度云台3，用来选择合适的拍摄角度。固定平台4，用来固定和安放二维度云台3。
在具体检测过程中，将本发明提出的基于Kinect深度检测的红外测温补偿装置固定在2m外的检测点上。通过上位机控制二维度云台3使得电力设备目标表面测温点A和电力设备表面点B处于深度图像和红外热像视角范围内。如图3所示，根据深度图像可以确定电力设备目标表面测温点A与Kinect深度传感器1之间的距离d1。红外热像仪2和Kinect深度传感器1上下并排贴合安装，从而保证了电力设备目标表面测温点A到Kinect深度传感器1的距离d1与电力设备目标表面测温点A到红外热像仪2的距离d2一致，即d1＝d2。距离参数d1利用深度提取软件获取，深度帧数据中每个像素占用16位二进制数据，深度帧数据结构如图6所示。其中，第0～2位为索引位，第3～15位为单元像素的深度值。深度提取软件通过第3～15位数据值可自动获取该像素点对应的深度数据，并认为其为距离数据，即为Kinect深度传感器1与目标点之间距离。
现以电源模块电路板核心部件温度检测为例作具体说明。
图7所示为电源模块电路板可见光拍摄图，电源模块电路板的测温区域C，即变压线圈部分，其实际温度通过接触式热电偶测得为32.8℃。图8为电源模块电路板的红外热像图，所用的红外热像仪2测量之前，首先在0.5m左右范围利用黑体对其进行温度校正，随后利用该红外热像仪对电源模块的目标点进行成像测温。图9为Kinect深度传感器1拍摄的电源模块电路板三维深度图像，Kinect深度传感器和1红外热像仪2获取到的图像信号通过无线传感器上传到上位机。通过上位机中的红外热像系统软件得到红外热像仪2测量到的目标温度数据为T＝31.7℃，上位机中的深度提取软件获取的目标点与Kinect深度传感器1之间距离为d1＝2.02m(实际距离为2m)。即被测的电源模块电路板深度识别D为2.02m。
对于温度的修正，本发明采用了多项式的修正方法，修正公式为：
T0(d)＝T(d)+βd+γd2 (1)
其中，T0(d)为红外辐射体表面真实温度，T(d)为红外热像仪的测量温度，d为热像仪镜头与目标体的间距，β、γ分别是观测距离一次项和二次项的系数。将β、γ作为拟合系数对实验数据进行拟合，得到β＝0.3205，γ＝0.01103。利用公式(1)对红外热像仪的观测结果进行修正，修正后的温度为32.39℃。红外热像仪对目标体的观测温度T＝31.7℃与实际温度T0(d)＝32.8℃的误差为△T1＝32.8-31.7＝1.1℃，而利用Kinect深度传感器获取的距离参数d＝2.02m带入到修正前的红外热像仪观测结果与目标体真是温度之间的误差为：△T2＝32.8-32.39＝0.41℃。经过与设备真实温度的对比发现，修正后的结果较修正前更为准确。
本发明的装置将红外测温技术与Kinect深度测量技术有效结合，利用Kinect深度传感器的成像功能实现了多目标点距离测量，能够对红外热像仪获取的电力设备多故障点温度进行修正，在很大程度上解决了传统电力设备红外检测的距离测量不准确导致的测温结果不准确问题。该装置中红外测温仪器与Kinect深度传感器与二维度云台的组合，能够对有效视野范围内的半球空间中的电力设备进行大范围扫描检测，实现了电力设备三维空间多故障点温度精确检测，并且该装置的技术原理和机械结构简单，能够促进电力设备带电检测发展，因此具有较强的实用性能和发展前景。

Claims (6)

1.一种基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，包括Kinect深度传感器(1)、红外热像仪(2)、二维度云台(5)、固定底座(6)、无线通讯模块，其特征在于：所述Kinect深度传感器(1)和红外热像仪(2)上下紧密贴合安装在一个机壳(8)内，机壳(8)通过二维度云台(5) 安装在固定底座(6)上，二维度云台(5)连接上位机，通过上位机控制二维度云台(5)上、下、左、右旋转扫描拍摄角度，使得电力设备表面测温点处于深度图像和红外热像视角范围内；所述Kinect深度传感器(1)测量电力设备表面任意点与Kinect深度传感器(1)之间的距离和电力设备表面任意点与红外热像仪(2)之间的距离；红外热像仪(2)用于获取电力设备红外热像温度信息，所述的电力设备表面测温点到Kinect深度传感器(1)的距离等于到红外热像仪(2)的距离；所述Kinect深度传感器和(1)获取到的电力设备表面测温点的深度数据和红外热像仪(2)获取的图像及温度数据通过无线通讯模块传输到上位机上。
2.根据权利要求1所述的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，其特征在于：所述二维度云台(5)安装有水平和垂直方向调整的步进电机，所述 Kinect深度传感器(1)与红外热像仪镜头(2)的方向一致并且与机壳(8)的一面紧贴，并处于机壳(8)壳体内的中间位置。
3.根据权利要求1所述的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，其特征在于；所述Kinect深度传感器(1)为512 × 424像素的传感器，所述Kinect深度传感器(1)与电力设备表面测温点的距离通过Kinect深度传感器(1)拍摄的深度帧数据获取；所述深度帧数据中每个像素占用16位二进制数据，其中，第0～2位为索引位，第3～15位为单元像素的深度值；所述Kinect深度传感器(1)与电力设备表面测温点之间距离由深度提取软件通过第3～15位数据值自动获取该像素点对应的深度数据。
4.根据权利要求1所述的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，其特征在于：所述Kinect深度传感器(1)获得的红外热像仪(2)与电力设备表面测温点之间的距离，以及红外热像仪(2)获取的电力设备表面测温点温度、环境温度代入到温度修正公式中，获取电力设备表面测温点修正后的准确温度值。
5.根据权利要求1所述的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，其特征在于：所述红外热像仪(2)和Kinect深度传感器(1)拍摄的数据帧通过Wi-Fi无线通讯方式传送到上位机。
6.根据权利要求1所述的基于Kinect深度检测的电力设备红外测温装置，其特征在于：所述Kinect深度传感器(1)与红外热像仪(2)之间、红外热像仪(2)与机壳(8)之间以及Kinect深度传感器(1)与机壳(8)之间的接触面上均安装有防震垫(7)，以保持图像的清晰稳定。
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