CN203323880U - 一种头盔式红外测温仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种头盔式红外测温仪，该测温仪包括头盔以及设置在该头盔上的探测器、探测器驱动电路、信号处理板、电源板、SD卡存储电路、LCD目镜、电池和存储按钮，其中探测器设置在头盔正前方，LCD目镜与探测器同轴；所述探测器的输出端与探测器驱动电路连接，探测器驱动电路的输出端通过信号线与信号处理板连接，信号处理板的图像信号输出端分别接入SD卡存储电路和LCD目镜，存储按钮接入信号处理板的控制端，电池为电源板提供总电源，电源板的电源输出端接入其它各个部件的电源端。本实用新型头盔式红外测温仪工作效率高、操作方便，能够实现对被检目标进行实时精确的测温和成像。

Description

一种头盔式红外测温仪

技术领域

本发明属于红外测温以及红外热成像技术领域，特别是一种头盔式红外测温仪。

背景技术

目前，在国家电网下属各省分公司中，对于各地变电基站的巡检工作主要是以人力进行的，这种巡检工作的内容主要包括检查大型变电机组的工作状态、惰性气体运输管道的泄漏情况等。在实际巡检操作中，遇到的最大的难题就是无法准确、及时的定位和发现潜在的问题。如果一个工作机组出现了潜在的工作状态异常而没有明显的表现出来，那么运维人员在当次巡检过程中是无法及时发现的，通常的巡检周期是每月一次，也就是说，当某个机组出现问题时，有很大的概率会将这个问题保持到下次巡检时才能被运维人员发现。对于变电机组这样强高压工作的设备，这些潜在的问题存在很大的危险性。因此，需要设计并制造出一款便携式的仪器来让运维人员及时的发现这种潜在的问题并解决。

红外测温是目前应用十分广泛的一种监测方式，通过被测目标自身的辐射水平，红外测温系统能够自动的识别并计算出被测目标的准确温度。在电力系统的巡检过程中，利用红外测温的方式可以非常直观准确的让巡检人员发现被检机组的异常工作状态，从而针对其作出相应的处理。目前，变电站的红外测温模式是以手持式红外测温仪来进行，这样的巡检测温模式存在以下几个显著缺点：

1.工作量大、效率低：由于采用手持式设备，这就需要运维人员在巡检过程中必须使用一只手来持握测温仪，导致只能以单手进行运维过程中的其他操作，在测温过程中，运维人员难以携带或同时使用其他仪器，大大制约了使用其他仪器获取被检目标多维状态信息的可能性；

2.易漏检、管理及配备成本高：由于运维人员手持测温仪，导致测温仪探测的区域与运维人员人眼正在观察或需要观察的区域无法快速的保持一致，对于运维人员想要观察的区域需要通过人工搜索的方式将其凸显在测温仪的视场中，严重影响了设备缺陷检出率及运维效率；

3.手持式测温仪设备成本过高，不便于广泛应用推广，并且手持式设备功耗较大，在使用时必须配备大容量的电池，导致整套设备重量较重，体积较大，不便于运维人员携带。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作效率高、成本低、操作方便的头盔式红外测温仪，实现对被检目标进行实时精确的测温和成像。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种头盔式红外测温仪，包括头盔以及设置在该头盔上的探测器、探测器驱动电路、信号处理板、电源板、SD卡存储电路、LCD目镜、电池和存储按钮，其中探测器设置在头盔正前方且与头盔外壁固定为一体，LCD目镜通过支架与头盔相连，并且LCD目镜与探测器同轴；

所述探测器的输出端与探测器驱动电路连接，探测器驱动电路的输出端通过信号线与信号处理板连接，信号处理板的图像信号输出端分别接入SD卡存储电路和LCD目镜，存储按钮接入信号处理板的控制端，电池为电源板提供总电源，电源板的电源输出端接入其它各个部件的电源端；

探测器驱动电路对探测器进行配置，探测器开始采集目标的实时图像原始数据；探测器驱动电路接收探测器发送的实时图像原始数据，并将接收到的实时图像原始数据发送到信号处理板；信号处理板对接收到的实时图像原始数据进行数字图像处理得到目标的温度信息图像；信号处理板的显示芯片将得到的温度信息图像进行处理，以VGA格式输出至LCD目镜。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)首次将红外测温技术与头盔式红外热成像工作方式相结合，全面实现在运维巡检过程中“走到哪，看到哪，查到哪”的运维方式；(2)在小型化热像仪的原有设计结构上形成处理技术突破，只利用处理芯片即完成红外测温，体积缩减至44.5mm×44.5mm×44.5mm、重量<1kg、功耗<2w，实现了体积小、重量轻、续航时间长等便携式设备具备的特点，较传统的手持式红外测温仪在相同电池容量下脱机工作时间增加300%-400%；(3)通过调节被检设备、红外测温仪、人眼实现同轴观测，使得运维人员可以快速准确的定位到异常目标并开始排障，测温精度达到实际所需指标，此外，较传统的手持式红外测温仪成本低至30%-40%，便于实现大规模装备。

附图说明

图1是本发明红外测温仪的头盔安装结构图。

图2是本发明红外测温仪的电路结构示意图。

图3是本发明信号处理板的电路结构示意图。

图4是本发明头盔式红外测温仪的测温流程图。

图5是测温曲线，其中（a）是传统方法所得测温曲线图；（b）是本发明宽温度范围黑体标定所得的测温曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

结合图1～2，本发明头盔式红外测温仪，包括头盔9以及设置在该头盔9上的探测器1、探测器驱动电路2、信号处理板3、电源板4、SD卡存储电路5、LCD目镜6、电池7和存储按钮8，其中探测器1设置在头盔9正前方且与头盔外壁固定为一体，LCD目镜6通过支架与头盔相连，并且LCD目镜6与探测器1同轴。

所述探测器1的输出端与探测器驱动电路2连接，探测器驱动电路2的输出端通过信号线与信号处理板3连接，信号处理板3的图像信号输出端分别接入SD卡存储电路5和LCD目镜6，存储按钮8接入信号处理板3的控制端，电池7为电源板4提供总电源，电源板4的电源输出端接入其它各个部件的电源端，为整套系统正常工作提供各个部件需要的工作电压。探测器驱动电路2为探测器1正常工作提供必要的数字以及模拟信号，接收探测器1输出的14-bit数字图像信号并送至信号处理板3；

结合图3，所述信号处理板3集成了FPGA芯片，以及与FPGA芯片连接的存储器、探测器驱动电路接口、电源板接口、蜂鸣器和显示芯片，探测器驱动电路接口与探测器驱动电路2连接，电源板接口与电源板4连接，显示芯片的输出端接入SD卡存储电路5和LCD目镜6；FPGA芯片具有数字图像处理、阈值报警的功能，将数字图像处理结果发送到显示芯片，并产生报警信号控制蜂鸣器。

电池7为电源板4提供总电源，探测器驱动电路2对探测器1进行配置，探测器1开始采集目标的实时图像原始数据；探测器驱动电路2接收探测器1发送的实时图像原始数据，并将接收到的实时图像原始数据发送到信号处理板3；信号处理板3对接收到的实时图像原始数据进行数字图像处理得到目标的温度信息图像；信号处理板3的显示芯片将得到的温度信息图像进行处理，以VGA格式输出至LCD目镜6。

结合图4，本发明头盔式红外测温仪的测温方法，步骤如下：

第1步，通过电池7为电源板4提供总电源，设定温度报警阈值，探测器驱动电路2对探测器1进行配置，探测器1开始采集目标的实时图像原始数据；

第2步，探测器驱动电路2接收探测器1发送的实时图像原始数据，并将接收到的实时图像原始数据发送到信号处理板3；

第3步，信号处理板3对接收到的实时图像原始数据进行数字图像处理，依次进行图像测温、图像增强和伪彩色叠加，得到目标的温度信息图像。所述的数字图像处理，具体过程如下：

（3.1）将实时图像原始数据进行处理，利用FPGA内部的先入先出队列fifo将实时图像原始数据的各行数据首尾相接，得到一帧连续的原始图像；

（3.2）经过单点校正操作将原始图像的背景去除：采用一均匀黑体放置在探测器镜头前方，用探测器采集Q帧连续图像求取每个像素点的灰度均值，确定得到背景图像，每帧新的图像在输出时都与该背景图像作差，即得到可视红外图像，公式如下：

$\mathrm{Icalibration}(i,j)=I_{\mathrm{original}}(i,j)-\underset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}{I^0}_{\mathrm{original}}(i,j)/Q---\left(1\right)$

式中，I_calibration(i,j)为校正后像素点(i,j)的灰度输出值，I_original(i,j)为原始像素点(i,j)的灰度输出值，

为背景图像像素点(i,j)的灰度输出值，N为校正时采集的帧数，其中N、i、j为正整数，且200≤Q≤400，0＜i≤320，0＜j≤56；

（3.3）采用中值滤波的方式去除可视红外图像的高频噪声，得到测温预图像；如果需要存储，选择存储按钮（8），SD卡存储电路（5）实时采集信号处理板（3）显示芯片所发出的测温预图像，并存储到SD卡中；

（3.4）利用宽温度范围黑体标定技术得到测温曲线，根据该测温曲线确定每帧测温预图像中灰度即温度最大值出现的位置，并计算该位置在整个测温预图像中的坐标；判断温度最大值是否高于预设的温度报警阈值，若是则发出报警控制信号，控制蜂鸣器进行报警，否则不报警；所述的宽温度范围黑体标定技术，具体步骤如下：

（3.4.1）首先将探测器置于充填了液氮的黑体腔室内进行标定：将黑体温度从0℃开始每升高2℃采集一次图像数据，每个标定温度T连续采集δ帧图像数据并记录下来，将δ帧图像中所有像素点的灰度值累加求出灰度值总体期望值，即探测器在该标定温度T的实际灰度值，如下式所示：

$E\left(I_T\right)=\frac{\underset{\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{M,N}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_T(m,n)}{M\&times;N\&times;\mathrm{\&delta;}}---\left(2\right)$

式中，E(I_T)为标定温度T下灰度值的总体期望值，即实际灰度值；δ为连续采集图像的帧数，100≤δ≤400；I_T(m,n)表示标定温度T下像素点(m,n)的灰度值，1≤m≤M，1≤n≤N；M×N为图像的维度即图像大小；

以标定温度为纵坐标，灰度值为横坐标，做出标定温度T与实际灰度E(I_T)的第一定标曲线；

（3.4.2）将探测器置于玻璃容器内，容器内壁镀上水银层，探测器镜头与容器内壁贴合密闭，将该容器置于抽真空的黑体腔室内，按照步骤（3.4.1）的方法进行标定，做出标定温度T与实际灰度E(I_T)的第二定标曲线，第二定标曲线与第一定标曲线的偏差是由于系统工作产生的热量引起的；

（3.4.3）将探测器置于未经过任何处理的黑体腔室内，并保持实验室环境恒温恒湿，按照步骤（3.4.1）的方法进行标定，做出标定温度T与实际灰度E(I_T)的第三定标曲线，第三定标曲线与第一定标曲线的偏差E₁是由于环境温度与系统工作产生的热量共同引起的，第三定标曲线与第二定标曲线的偏差E₂则是由于环境温度引起的；

（3.4.4）根据三条定标曲线之间的偏差，确定每个标定温度T对应的系统工作产生热量补偿量以及环境温度补偿量，将第三定标曲线与第一定标曲线的偏差E₁和第三定标曲线与第二定标曲线的偏差E₂求和之后除以2得E₃，将E₃叠加至第三定标曲线修正处理得到测温曲线，所述测温曲线满足二次抛物线方程：

T(X)＝aX²+bX+c   （3）

式中，T(X)为图像灰度值X对应的实际温度值，X表示灰度值，a、b、c分别为曲线控制系数。

（3.5）原始的14位即14-bit测温预图像经过直方图均衡化处理后转成8位即8-bit的格式，得到正常的视觉图像；

（3.6）通过流水线数据替代的方式在正常的视觉图像中找到灰度即温度最大值的位置坐标，将温度字符叠加到该点周围，并用方框将该点标出，得到目标的温度信息图像；通过（3.4）～（3.5）两个步骤得到了测温预图像中最大温度信息和正常的视觉图像，将这两部分融合起来向用户展示；

（3.7）将温度信息图像放大以适合目镜的显示维度；例如采用的探测器是320×240的像素点维度，而目镜的显示维度是640×480，因此需要将图像放大4倍以适合目镜的显示维度，用的方法是用一个比像素时钟快4倍的时钟对连续输入的每个像素点值进行缓存和读取，将原来一个像素点的数据在“田”字格范围内读取4次，这样就完成了图像的4倍放大。

（3.8）将放大后的温度信息图像经过伪彩色编码转换为彩色图像。

第4步，信号处理板（3）的显示芯片将得到的温度信息图像进行处理，以VGA格式输出至LCD目镜（6），供人眼观察。

实施例1

本发明头盔式红外测温仪，具有以下参数：

1）、头盔9：采用电力部门标准头盔，重量＜1kg，防水等级＞IPX5；

2）、探测器1：采用以非制冷焦平面探测器为核心的小型红外热像仪；

3）、电池7：采用1900mA锂电池，对本发明可连续工作8小时；

4）、存储按钮8：具有两个脱机工作按键，分别是校正和拍照，系统长时间工作后可通过校正按键来修正系统误差；

5）、LCD目镜6：采用640×480标准VGA彩色显示目镜，目镜尺寸0.61英寸，加装透镜组将屏幕放大至2英寸供人眼观察；

6）、SD卡存储电路5：利用FAT32文件系统，将实时采集的当前帧图像存储到SD卡中，配有VGA信号增强电路，可以供多路VGA信号显示用；

7）、信号处理板3：FPGA芯片采用Altera公司EP3C80F484U4芯片，该芯片在速度、容量和价格方面都符合设计要求，充分考虑到实现硬件算法所需的外部存储空间，本处理电路搭配了1片型号为MT48LC4M32B2的SDRAM作为NIOS软核运行空间，其大小为128Mb；同时搭配了3片型号为IS61WV102416BLL的SRAM作为片外存储器，每片SRAM大小为1M×16位，可以存储三帧图像；

8）、预设的温度报警阈值：根据电力部门要求设为55摄氏度；

使用上述红外测温仪，标定得到测温曲线方程：

T(X)＝aX²+bX+c

式中，T(X)为图像灰度值X对应的实际温度值，X表示灰度值，a、b、c分别为曲线控制系数，各系数的取值分别为a=-3×10^-6，b=0.065，c=-176.15。图5（a）是传统方法所得测温曲线图；图5（b）是本发明宽温度范围黑体标定所得的测温曲线图，为了使看得更清楚，截取了温度段从22度到64度的部分如表1所示，原始温度为黑体的温度；第一定标曲线值是在理想环境条件，没有系统工作产生的热量和环境温度的影响所得的值；测温曲线值是在实际环境中，对系统工作产生热量和环境温度补偿后所得的测温曲线对应的值。

表1

可以看出，最终拟合的测温曲线结果是全局寻优，实现对输入的灰度值得出对应的输出温度值。根据表中的数据可以看出，温度补偿后的测温曲线，剩余标准差为0.952，与理想测温精确度相比有所下降，但是已经高于传统测温精度，为本发明中的最终测温精度能够达到与传统手持设备相当的精度提供了数学依据。该拟合结果十分准确，对于变量间的非线性关系比较复杂的情况也能够很好的适应。

综上所述，本发明采用将红外测温方式与头盔式成像方式相结合的技术，形成一种新型的测温方式，主要用于电力部门对大型变电基站的各种设备运维巡检过程中。本发明具有体积小、重量轻、续航时间长等物理优势，可全面解放运维人员的双手，使运维人员可以操作更多的巡检设备来对被检目标进行调整和维护；通过调节被检设备、红外测温仪、人眼实现同轴观测，使得运维人员可以快速准确的定位到异常目标并开始排障。同时，在技术上首次实现了在小型化的热像仪上利用单FPGA为核心的精确红外测温技术，不仅测温精度能够达到传统手持式测温仪的测温精度，同时由于抛弃了手持式设备中昂贵的处理器芯片，大大降低了产品成本，目前本设计的成本只占传统手持式设备的30%-40%，便于大批量装备，保证每位运维人员都可以装备，大大提高了巡检效率和故障检出率。

Claims (2)

1.一种头盔式红外测温仪，其特征在于，包括头盔（9）以及设置在该头盔（9）上的探测器（1）、探测器驱动电路（2）、信号处理板（3）、电源板（4）、SD卡存储电路（5）、LCD目镜（6）、电池（7）和存储按钮（8），其中探测器（1）设置在头盔（9）正前方且与头盔外壁固定为一体，LCD目镜（6）通过支架与头盔相连，并且LCD目镜（6）与探测器（1）同轴；

所述探测器（1）的输出端与探测器驱动电路（2）连接，探测器驱动电路（2）的输出端通过信号线与信号处理板（3）连接，信号处理板（3）的图像信号输出端分别接入SD卡存储电路（5）和LCD目镜（6），存储按钮（8）接入信号处理板（3）的控制端，电池（7）为电源板（4）提供总电源，电源板（4）的电源输出端接入其它各个部件的电源端；

探测器驱动电路（2）对探测器（1）进行配置，探测器（1）开始采集目标的实时图像原始数据；探测器驱动电路（2）接收探测器（1）发送的实时图像原始数据，并将接收到的实时图像原始数据发送到信号处理板（3）；信号处理板（3）对接收到的实时图像原始数据进行数字图像处理得到目标的温度信息图像；信号处理板（3）的显示芯片将得到的温度信息图像进行处理，以VGA格式输出至LCD目镜（6）。

2.根据权利要求1所述的头盔式红外测温仪，其特征在于，所述信号处理板（3）集成了FPGA芯片，以及与FPGA芯片连接的存储器、探测器驱动电路接口、电源板接口、蜂鸣器和显示芯片，探测器驱动电路接口与探测器驱动电路（2）连接，电源板接口与电源板（4）连接，显示芯片的输出端接入SD卡存储电路（5）和LCD目镜（6）；FPGA芯片将数字图像处理结果发送到显示芯片，并产生报警信号控制蜂鸣器。

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