CN107121618A - 基于自由电子热运动的热信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自由电子热运动的热信号检测系统，包括：选频放大单元，选频放大单元用于对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对选频信号进行放大处理；检波单元，检波单元用于对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与选频信号相对应的温度值；控制单元，控制单元用于对温度值进行识别以获得导电网络的当前温度状态。该系统通过基于导体内部自由电子热运动的频谱特征来实现导电网络的温度检测以及电弧检测，不仅可以有效避免噪声叠加干扰等问题，而且检测精度高，检测成本低，通用性强。

Description

基于自由电子热运动的热信号检测系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种基于自由电子热运动的热信号检测系统。

背景技术

在各种导电网络中，如蓄电池电源系统、光伏电源系统、交流电源系统以及各类设备与装置的导电线路中，因材料接触阻抗变化或某处材料特性阻抗变化，导致局部温度异常升高，进而加速材料老化及降低设备与装置的性能，严重时甚至会引起自然及爆炸事故发生，存在一定的安全隐患。

如何有效解决蓄电池电源系统中电池充放电及运行中局部温度异常的检测问题，如何有效解决光伏电源系统中电池运行中局部高温热斑现象的检测问题，如何解决各类配电网络的导线及导线连接部位的温度检测与保护，以及如何有效解决各类设备与装置运行中异常温升的检测问题等，事关提高社会经济效益与安全保障。

相关技术中，主要采用接触式温度检测的方式或者非接触式红外温度检测的方式来实现温度的检测。但是这两种方式具有很大的局限性和缺陷，例如，接触式温度检测需要在温度检测点处安装温度传感器，很难覆盖全部空间的温度检测，而且温度检测范围限制较大；非接触式红外温度检测虽然无需在温度检测点处安装温度传感器，但是会受物体遮蔽限制及环境温度辐射的影响。

另外，在导电网络中，各类连接器与开关、插头插座的连接点及触头表面的材料老化是不可避免的，所以当连接器与开关、插头插座不能有效断开或闭合时，如果空气中断开或闭合电压超过10V、电流超过0.5A(直流电源起弧电流更小)，则在触头间隙(也称弧隙)中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的等离子气体，称为电弧。电弧高温会烧损触头及绝缘层，严重时会引起电源短路、电器爆炸，甚至引起火灾，危及人员及设备的安全。尤其是当导电网络为直流电源系统时，由于直流电源的电压与电流没有周期性的换向变化，也没有周期性的过零点，所以直流电源系统比交流电源系统更加容易产生电弧，其危害性比交流电源系统更加严重。

而电源系统早已遍及每个家庭乃至全球各个角落，并且随着节能环保意识的不断增强，新能源与电力储能得到快速发展，尤其是基于直流电源的光伏发电和电动汽车已经开始普及，严重的电弧危害也伴随而来，而如何实现对电弧的有效检测，以在电弧产生时及时采取有效措施，是目前亟待解决的技术问题。

相关技术中，基于电流传感器(或电压传感器)检测负载电源基波波形，通过分析正常波形与叠加电弧后的畸变波形的差异来判断电弧信号。但是，由于分析电源负载基波的波形频谱范围有限(通常低于200kHz)，被很多电源的负载基波所叠加，波形分析准确性很难提高。而电源系统频率与波形各异的负载基波，导致电弧检测技术难以通用，只能针对特定的电源负载进行基波检测分析。

另外，相关技术中还提出了故障电弧检测技术，但是这些检测技术均存在一定的缺陷，如：1)基于负载电流叠加电弧的波形畸变分析技术，由于故障电弧的噪声频谱范围被很多电源负载装置的噪声所覆盖，电弧噪声与电源噪声的幅值波形具有很大的随机性及不确定性，因而难以区别故障电弧噪声与电源负载装置噪声，导致故障电弧检测误判严重；2)建立在一定电源电流基础上的波形特征识别的故障电弧检测技术，当电源电流小于检测需求电流且大于起弧电流时，是故障电弧检测的检测盲区；3)基于故障电弧信号波形特征分析的检测技术，需要高性能的数字信号处理电路，成本高昂，难以推广；4)交流故障电弧检测技术与直流故障电弧检测技术差异性大，不能通用。

因此，如何避开电弧噪声信号与电源负载噪声信号的频谱相互重叠，如何避免电弧检测需求电流大于电源起弧电流，如何降低故障电弧检测识别的成本，关系到故障电弧检测保护装置能否推广应用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于自由电子热运动的热信号检测系统，通过基于导体内部自由电子热运动的频谱特征来实现导电网络的温度以及电弧检测，不仅可以有效避免噪声叠加干扰等问题，而且检测精度高，检测成本低，通用性强。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于自由电子热运动的热信号检测系统，包括：选频放大单元，所述选频放大单元的输入端与导电网络相连，所述选频放大单元用于对所述导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对所述选频信号进行放大处理；检波单元，所述检波单元的输入端与所述选频放大单元的输出端相连，所述检波单元用于对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与所述选频信号相对应的温度值；以及控制单元，所述控制单元的输入端与所述检波单元的输出端相连，所述控制单元用于对所述温度值进行识别以获得所述导电网络的当前温度状态。

根据本发明实施例的基于自由电子热运动的热信号检测系统，通过选频放大单元对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对选频信号进行放大处理。然后，通过检波单元对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与选频信号相对应的温度值。最后通过控制单元对温度值进行识别以获得导电网络的当前温度状态。该系统通过基于导体内部自由电子热运动的频谱特征来实现导电网络的温度和电弧检测，不仅可以有效避免噪声叠加干扰等问题，而且检测精度高，检测成本低，通用性强。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：执行单元，所述执行单元与所述控制单元相连，所述控制单元还通过所述执行单元对所述温度值和所述导电网络的当前温度状态进行显示。

根据本发明的一个实施例，所述导电网络的当前温度状态包括温度正常状态、温度异常状态和电弧发生状态，其中，当所述导电网络的当前温度状态为所述温度异常状态或者所述电弧发生状态时，所述控制单元还输出控制信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开，并通过所述执行单元发出报警提示。

根据本发明的一个实施例，所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间采用并联连接的方式、串联连接的方式、单点连接的方式或者信号耦合的方式进行连接。

根据本发明的一个实施例，当所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间采用并联连接的方式进行连接时，所述选频放大单元的第一输入端和第二输入端之间还并联有限压器件，和/或，所述选频放大单元的第一输入端与第二输入端中的一个输入端上串联有限流器件。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：第一滤波单元，所述第一滤波单元设置在所述导电网络中，所述第一滤波单元用于对所述热信号在所述导电网络中的传导进行隔离。

根据本发明的一个实施例，所述检波单元通过信号幅值比较的方式、频率计数的方式、滤波处理的方式或者单向导电的方式对放大后的选频信号进行检波处理。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：隔离单元，所述隔离单元设置在所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间，所述隔离单元用于对所述导电网络与所述选频放大单元进行电隔离。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：第二滤波单元，所述第二滤波单元与所述隔离单元串联，所述第二滤波单元用于对所述导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行滤波处理。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：电压检测单元，所述电压检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述电压检测单元用于检测所述导电网络的电压信号，所述控制单元还用于根据所述电压信号判断所述导电网络发生偏压时，输出偏压保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：电流检测单元，所述电流检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述电流检测单元用于检测所述导电网络的电流信号，所述控制单元还用于根据所述电流信号判断所述导电网络发生过流时，输出过流保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：漏电流检测单元，所述漏电流检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述漏电流检测单元用于检测所述导电网络的漏电流信号，所述控制单元还用于根据所述漏电流信号判断所述导电网络发生漏电时，输出漏电保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，还包括：通信单元，所述通信单元与所述控制单元相连，所述通信单元用于建立所述控制单元与外部设备之间的通信连接，其中，所述控制单元还通过所述通信单元接收用户的控制指令，并通过所述通信单元将所述导电网络的运行参数传输至所述外部设备。

附图说明

图1a是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络并联连接的拓扑图；

图1b是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络串联连接的拓扑图；

图1c是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络单点连接的拓扑图；

图2a是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络并联连接的拓扑图；

图2b是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络串联连接的拓扑图；

图2c是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络单点连接的拓扑图；

图3是根据本发明一个实施例的第一滤波单元的结构示意图；

图4是根据本发明另一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与单相导电网络并联连接的拓扑图；

图5是根据本发明一个实施例的第二滤波单元的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的基于自由电子热运动的热信号检测系统的结构示意图；

图7a是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络并联连接的拓扑图；

图7b是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络串联连接的拓扑图；

图7c是根据本发明一个实施例的无第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络单点连接的拓扑图；

图8a是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络并联连接的拓扑图；

图8b是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络串联连接的拓扑图；以及

图8c是根据本发明一个实施例的有第一滤波单元时选频放大单元与三相导电网络单点连接的拓扑图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的基于自由电子热运动的热信号检测系统。

结合图1-图8所示，在本发明的实施例中，基于自由电子热运动的热信号检测系统包括选频放大单元11、检波单元12和控制单元13。

其中，选频放大单元11的输入端与导电网络相连，选频放大单元11用于对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对选频信号进行放大处理。检波单元12的输入端与选频放大单元11的输出端相连，检波单元12用于对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与选频信号相对应的温度值。控制单元13的输入端与检波单元12的输出端相连，控制单元13用于对温度值进行识别以获得导电网络的当前温度状态。

进一步地，如图1-图8所示，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：执行单元14，执行单元14与控制单元13相连，控制单元13还通过执行单元14对温度值和导电网络的当前温度状态进行显示。

在本发明的实施例中，导电网络的当前温度状态可包括温度正常状态、温度异常状态和电弧发生状态，其中，当导电网络的当前温度状态为温度异常状态或者电弧发生状态时，控制单元13还输出控制信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开，并通过执行单元14发出报警提示。

具体而言，由于导体内部自由电子存在震动运动现象，且震动频率及幅值与自由电子的能量状态和所处能量场状态相关(震动频率ω_p＝E/h，震动波长λ＝h/(m*v)，震动幅值其中，E为能量、h为普朗克常量、m为自由电子质量、v为自由电子速度、k为玻尔兹曼常量、T为绝对温度、R为阻值、B为带宽)，并且自由电子震动运动信号(也称热信号)沿着导体传导(行波与驻波并存)，并向空间辐射震动运动信号。所以，在本发明的实施例中，通过利用自由电子热运动产生的震荡频谱特性、导电线路上的信号传导特性以及空间辐射特性来实现温度和电弧(电弧也是一种自由电子运动现象)的在线检测。

具体地，当需要对导电网络进行温度和电弧检测时，将选频放大单元11的输入端连接在待测导电网络中，通过选频放大单元11对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取，以获得选频信号，该选频信号可以是某一段频率信号。然后对该选频信号进行放大处理，并传输至检波单元12，由检波单元12对该选频信号进行检波处理以获得所需频率信号，并将该频率信号转换为温度值(可以是数值也可以是电平值)传输至控制单元13。控制单元13通过对该温度值进行识别，以获得当前导电网络的当前温度状态，并根据当前温度状态发出相应指令至执行单元14，以通过执行单元14进行显示、报警和对导电网络控制等。

例如，当控制单元13判断连续预设时间内接收到的温度值均大于等于第一温度阈值且小于第二温度阈值时，表示当前导电网络的温度过高，此时控制单元13发出断电信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开，同时控制执行单元14对温度值进行显示，并发出声或光的报警信息；当控制单元13判断连续预设时间内接收到的温度值大于等于第二温度阈值，表示当前导电网络的温度极高，导电网络出现电弧，此时控制单元13发出断电信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开，同时控制执行单元14对温度值进行显示，并发出声或光的报警信息；当控制单元13判断温度值小于第一温度阈值时，直接通过执行单元14对温度值进行显示。其中，第一温度阈值、第二温度阈值和预设时间可根据实际情况进行标定。

在该示例中，由于控制单元13采用时长判断规则来对导电网络的温度状态进行识别，因而能够有效避免导电网络断开或闭合、负载设备正常工作时出现的瞬间电弧干扰，从而避免对异常温升或故障电弧的误判。

在本发明的实施例中，选频放大单元11可由选频电路和放大电路组合而成，也可由放大电路和滤波电路组合而成，放大电路一般通过多级放大器来实现增益放大，选频电路或滤波电路可通过多级组合构成。例如，选频放大单元11可由两级放大器和一个带通滤波器组成，其中，第一级放大器的输入端与导电网络相连，第一级放大器的输出端与带通滤波器的输入端相连，带通滤波器的输出端与第二级放大器的输入端相连，第二级放大器的输出端与检波单元12的输入端相连，具体可采用现有技术中的电路结构，这里不做限制。检波单元12可包括比较电路、滤波电路等。控制单元13可包括MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)。执行单元14可包括驱动电路、可控开关、显示屏和声光报警器中的一种或多种，其中，可控开关串联在导电网络中，以实现导电网络的闭环或断开。

由于该系统是直接选频放大自由电子热运动产生的震荡频率信号，通过该震荡频率信号的特征变化得到需要的温度信号及电弧信号，以实现温度和电弧的检测，因此该系统不依赖于任何温度传感器，且不使用电流传感器和电压传感器，无需分析系统的电流电压的基波与谐波，并能避开电源及负载设备噪声信号叠加干扰等，可应用于各类装置及各种应用系统的不可测区位的异常温升检测和电弧检测，并且系统成本低、检测精度高、通用性强，可用于各类交流电源系统和各类直流电源系统的热故障及故障电弧的检测与保护。

需要说明的是，在本发明的实施例中，选频放大单元11的输入端与导电网络之间可以采用并联连接的方式、串联连接的方式、单点连接的方式或者信号耦合的方式进行连接。

具体地，如图1a所示，当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用并联连接方式时，选频放大单元11的输入端与电源41和负载42并联；如图1b所示，当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用串联连接方式时，选频放大单元11的输入端串联在电源41与负载42之间的回路中；如图1c所示，当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用单点连接方式时，选频放大单元11的输入端单点连接在电源41与负载42之间的回路中；当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用信号耦合方式时，可通过信号耦合器件与导电网络构成热信号耦合，其中，信号耦合器件可以是电容、变压器、耦合电感和耦合天线等。

进一步地，在本发明的实施例中，如图2a-图2c所示，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：第一滤波单元15，第一滤波单元15设置在导电网络中，第一滤波单元15用于对热信号在导电网络中的传导进行隔离。

具体而言，由于自由电子的热信号会沿着导体传导，所以可以根据实际需要在导电网络中设置第一滤波单元15，以通过第一滤波单元15隔离热信号的传导，避免热信号源干扰导电网络中其它支路中的热信号检测。例如，图2a-图2c所示，第一滤波单元15的输入端与电源41相连，第一滤波单元15的输出端与负载42相连，即电源41通过第一滤波单元15与负载42相连，以对热信号的传导进行隔离。其中，第一滤波单元15可以是共模滤波器、差模滤波器或者LC滤波器等，优选地，第一滤波单元15为共模滤波器，当第一滤波单元15为共模滤波器时，具体结构如图3所示。

进一步地，当导电网络中设置有第一滤波单元15时，选频放大单元11的输入端可以连接在第一滤波单元15与电源41之间，也可以连接在第一滤波单元15与负载42之间。具体地，当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用并联连接方式时，如图2a所示，选频放大单元11的输入端与第一滤波单元15的输出端并联，或者选频放大单元11的输入端与第一滤波单元15的输入端并联(图中未示出)；当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用串联连接方式时，如图2b所示，选频放大单元11的输入端串联在第一滤波单元15的输出端与负载42之间的回路中，或者选频放大单元11的输入端串联在第一滤波单元15的输入端与电源41之间的回路中(图中未示出)；当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用单点连接方式时，如图2c所示，选频放大单元11的输入端单点连接在第一滤波单元15的输出端与负载42之间的回路中，或者选频放大单元11的输入端单点连接在第一滤波单元15的输入端与电源41之间的回路中；当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用信号耦合方式时，可通过信号耦合器件与导电网络构成热信号耦合，其中，信号耦合器件可以是电容、变压器、耦合电感和耦合天线等。

需要说明的是，如果导电网络中相邻的热信号检测距离比较远，或者只有单个或少量的热信号检测，则可以省略第一滤波单元15。

另外，需要说明的是，当选频放大单元11的输入端与导电网络之间采用并联连接的方式进行连接时，如图4所示，选频放大单元11的第一输入端和第二输入端之间还可以并联有限压器件16，和/或，选频放大单元11的第一输入端与第二输入端中的一个输入端上串联有限流器件17。

具体而言，当选频放大单元11的输入端之间的电压较高时，可以在选频放大单元11的输入端之间增加限压器件16，以防止电压过高损坏选频放大单元11；当流入选频放大单元11的电流过大时，可在选频放大单元11的任意一输入端上串联限流器件17。考虑到，当电压较高时，电流一般也会较高，所以一般限流器件17和限压器件16会同时使用，以对选频放大单元11进行限压限流保护。其中，限压器件16可以使用两个二极管反向并联构成，或者直接采用双向TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管)器件；限流器件17可以采用电容器。

进一步地，在对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对选频信号进行放大处理后，可通过多种方式来获得与所需热信号相对应的频率信号。

具体地，在本发明的实施例中，检波单元12可通过信号幅值比较的方式、频率计数的方式、滤波处理的方式或者单向导电的方式对放大后的选频信号进行检波处理。

具体而言，根据自由电子热运动的震荡频谱特性可知，当导电网络的温度异常升高和产生电弧时，自由电子热运动产生的频率信号在频率和幅值上都会有很大变化，所以可以通过对频率和幅值的判断来获得所需的频率信号。例如，可以通过对选频信号的幅值与基准幅值进行比较以获得所需频率信号；或者通过对选频信号的频率进行计数，并与基准频率对应的计数值进行比较以获得所需频率信号；或者直接通过滤波电路获得所需频率信号；或者利用单向导电器件来获得所需频率信号。

检波单元12不仅可以采用硬件方式实现选频信号的检波处理，也可以采用软件方式来实现，而当采用软件方式实现时，检波处理的功能可集成在控制单元13中，以通过软件数字信号检波和滤波来替代硬件检波单元12。由于软件方式存在一定的延时，所以优选采用硬件方式实现。具体电路结构或者软件算法可采用现有技术，这里不做限制。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：隔离单元18，隔离单元18设置在选频放大单元11的输入端与导电网络之间，隔离单元18用于对导电网络与选频放大单元11进行电隔离，即实现低压信号电路与高压电源之间的隔离。

进一步地，如图4所示，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：第二滤波单元19，第二滤波单元19与隔离单元18串联，第二滤波单元19用于对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行滤波处理。其中，第二滤波单元19可以设置在隔离单元18与导电网络之间，也可以设置在隔离单元18与选频放大单元11之间。隔离单元18也可以直接由第二滤波单元19代替。其中，隔离单元18可以为变压器，第二滤波单元19可以采用共模电感，具体结构如图5所示。

需要说明的是，当系统中同时设置有隔离单元18、第二滤波单元19和限压器件16时，三者之间的前后顺序是可以互换的。

进一步地，根据本发明的一个实施例，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：电压检测单元(图中未具体示出)，电压检测单元分别与导电网络和控制单元13相连，电压检测单元用于检测导电网络的电压信号，控制单元13还用于根据电压信号判断导电网络发生偏压时，输出偏压保护信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开。

进一步地，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：电流检测单元(图中未具体示出)，电流检测单元分别与导电网络和控制单元13相连，电流检测单元用于检测导电网络的电流信号，控制单元13还用于根据电流信号判断导电网络发生过流时，输出过流保护信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开。

另外，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：漏电流检测单元(图中未具体示出)，漏电流检测单元分别与导电网络和控制单元13相连，漏电流检测单元用于检测导电网络的漏电流信号，控制单元13还用于根据漏电流信号判断导电网络发生漏电时，输出漏电保护信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开。

具体地，当第一滤波单元15采用共模滤波器时，可在共模滤波器的电感上增设辅助绕组，以检测导电网络的漏电流信号，并将漏电流信号传输至控制单元13，当控制单元13判断漏电流高于预设电流值时，输出漏电流保护信号至执行单元14，以通过执行单元14控制导电网络断开，实现漏电流保护。

为了提高系统的交互性，上述的基于自由电子热运动的热信号检测系统还可包括：通信单元20，通信单元20与控制单元13相连，通信单元20用于建立控制单元13与外部设备之间的通信连接，其中，控制单元13还通过通信单元20接收用户的控制指令，并通过通信单元20将导电网络的运行参数传输至外部设备。

具体地，外部设备可以是计算机、触摸显示屏及其它控制设备等，导电网络的运行参数可包括导电网络的电流信号、电压信号、导电网络的温度值等。当通信单元20配合电压检测单元、电流检测单元等使用时，在导电网络发生过流或短路、过压或欠压、温度异常以及产生电弧时，可通过执行单元14进行自动保护，也可以通过对操作人员进行提醒，由操作人员进行人工干预处理。

为使本领域技术人员能够清楚的了解本发明，下面结合本发明的一个具体示例来进行说明。

如图6所示，由共模滤波器构成的第一滤波单元15的输入端与电源41相连，输出端与负载42相连。由变压器构成的隔离单元18的第一输入端和第二输入端并联在导电网络中，并且隔离单元18的第一输入端与第二输入端之间并联有由两个反并联二极管构成的限压器件16，以及隔离单元18的第一输入端上串联有由电容构成的限流器件17。由共模电感构成的第二滤波单元19的输入端与隔离单元18相连。由两级放大器和带通滤波器构成的选频放大单元11的输入端与第二滤波单元19的输出端相连，选频放大单元11的输出端与由比较器构成的检波单元12的第一输入端相连，检波单元12的第二输入端与基准幅值给定端ref相连，检波单元12的输出端与由MCU构成的控制单元13的输入端相连，控制单元13的输出端分别与执行单元14和通信单元20相连，执行单元14可包括可控开关，且可控开关串联在导电网络中，通信单元20与外部设备相连。

需要说明的是，当系统中的各个单元由导电网络中的电源41提供电能时，一般会选择在系统与导电网络之间设置噪声滤波器，以防止对系统产生影响。并且整个系统可以设计制作成专用集成电路，从而简化电路和降低成本，或者使用通用器件制作成专用的故障电弧检测保护装置以及在线温度监测装置，或者将该系统的全部或部分单元嵌入到其它装置内部实现故障电弧及触点异常温升的检测及保护。

另外，可以理解的是，本发明实施例的基于自由电子热运动的热信号检测系统不仅可以应用于单相交流电源系统和单相直流电源系统中，还可以应用于三相交流电源系统中，如图7a-图7c、图8a-图8c所示，具体连接方式等均与单相电源系统的相同，这里不再赘述。

综上所述，根据本发明实施例的基于自由电子热运动的热信号检测系统，通过选频放大单元对导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对选频信号进行放大处理。然后，通过检波单元对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与选频信号相对应的温度值。最后通过控制单元判断该温度值是否大于等于温度阈值，并在该温度值大于等于温度阈值时输出保护信号至执行单元，以通过执行单元控制导电网络断开。该系统通过基于导体内部自由电子热运动的频谱特征来实现导电网络的温度和电弧检测，不仅可以有效避免噪声叠加干扰等问题，而且检测精度高，检测成本低，通用性强。

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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，包括：

选频放大单元，所述选频放大单元的输入端与导电网络相连，所述选频放大单元用于对所述导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行频率选取以获得选频信号，并对所述选频信号进行放大处理；

检波单元，所述检波单元的输入端与所述选频放大单元的输出端相连，所述检波单元用于对放大后的选频信号进行检波处理，并输出与所述选频信号相对应的温度值；

控制单元，所述控制单元的输入端与所述检波单元的输出端相连，所述控制单元用于对所述温度值进行识别以获得所述导电网络的当前温度状态。

2.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

执行单元，所述执行单元与所述控制单元相连，所述控制单元还通过所述执行单元对所述温度值和所述导电网络的当前温度状态进行显示。

3.如权利要求2所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，所述导电网络的当前温度状态包括温度正常状态、温度异常状态和电弧发生状态，其中，当所述导电网络的当前温度状态为所述温度异常状态或者所述电弧发生状态时，所述控制单元还输出控制信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开，并通过所述执行单元发出报警提示。

4.如权利要求1-3中任一项所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间采用并联连接的方式、串联连接的方式、单点连接的方式或者信号耦合的方式进行连接。

5.如权利要求4所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，当所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间采用并联连接的方式进行连接时，所述选频放大单元的第一输入端和第二输入端之间还并联有限压器件，和/或，所述选频放大单元的第一输入端与第二输入端中的一个输入端上串联有限流器件。

6.如权利要求1-5中任一项所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

第一滤波单元，所述第一滤波单元设置在所述导电网络中，所述第一滤波单元用于对所述热信号在所述导电网络中的传导进行隔离。

7.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，所述检波单元通过信号幅值比较的方式、频率计数的方式、滤波处理的方式或者单向导电的方式对放大后的选频信号进行检波处理。

8.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

隔离单元，所述隔离单元设置在所述选频放大单元的输入端与所述导电网络之间，所述隔离单元用于对所述导电网络与所述选频放大单元进行电隔离。

9.如权利要求8所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

第二滤波单元，所述第二滤波单元与所述隔离单元串联，所述第二滤波单元用于对所述导电网络中自由电子热运动产生的热信号频谱进行滤波处理。

10.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

电压检测单元，所述电压检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述电压检测单元用于检测所述导电网络的电压信号，所述控制单元还用于根据所述电压信号判断所述导电网络发生偏压时，输出偏压保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

11.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

电流检测单元，所述电流检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述电流检测单元用于检测所述导电网络的电流信号，所述控制单元还用于根据所述电流信号判断所述导电网络发生过流时，输出过流保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

12.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

漏电流检测单元，所述漏电流检测单元分别与所述导电网络和所述控制单元相连，所述漏电流检测单元用于检测所述导电网络的漏电流信号，所述控制单元还用于根据所述漏电流信号判断所述导电网络发生漏电时，输出漏电保护信号至所述执行单元，以通过所述执行单元控制所述导电网络断开。

13.如权利要求1所述的基于自由电子热运动的热信号检测系统，其特征在于，还包括：

通信单元，所述通信单元与所述控制单元相连，所述通信单元用于建立所述控制单元与外部设备之间的通信连接，其中，所述控制单元还通过所述通信单元接收用户的控制指令，并通过所述通信单元将所述导电网络的运行参数传输至所述外部设备。