变电站巡检轻型装备手机变红外的外挂装置

变电站巡检轻型装备手机变红外的外挂装置

李昆，王艺霖，王伟，冷川，朱冬松

（国网河南省电力公司超高压公司，商丘 47600）

摘要：本文主要研究的是一种将手机变成红外热成像仪的装置。本文针对变电站巡检需要进行专业开发，设计一种外挂装置，直接让手机变成变电站巡检所需要的红外热成像设备。核心采用特制的氧化钒红外成像芯片，其分辨率可以达到变电站巡检专用红外的水准，但是成本会降低很多，数据直接存储到手机上，处理数据会非常方便。通过 USB-OTG 技术将非制冷红外热成像探测器采集到的红外辐射传输到智能手机上，在智能手机端将目标的温度以热像的形式实时显示在手机屏幕上，通过移动手机来测量目标的温度，并且可以通过点击画面对图像进行保存和功能设置。

关键词：红外测温；热成像；手机红外

0引言

红外热成像技术具有安全、直观、高效的特点，在变电站巡检中发挥着重大的作用。例如：2019年5月，笔者所在单位对变电站进行巡检，共检测关键点244处，发现问题隐患点52处，排查处理隐患点52处。红外热成像仪在变电站的巡检工作中作用很大，但是红外热成像仪成本高，拍摄的图像数据处理还存在一些不便之处。笔者在小组会议头脑风暴中创新的提出手机与红外的结合思路，设计一种外挂装置，直接让手机变成变电站巡检所需要的红外热成像设备。

笔者所在组经过调研，虽然其他领域有过类似的设计，由于其设计对象主要是检测电路板，它的核心探测器性能很低，不是很适合变电站巡检，其成像探测能力也只能达到160*120的水准，测温范围虽然可以达到400℃，但是其成像是成片的，对于细微分辨的变电站巡检方向是极其不实用的，针对变电站巡检需要针对性的开发设计，所以该项目具备创新性和实用性。效果也会非常突出。

这种设备如果能够设计实现，有两大优势，一个优势是在红外热成像方面会降低很多成本，它不需要显示屏、FPGA+DSP 双处理器等硬件配置，另一个优势是方便，随时可以让手机变成红外，可以每人配一个，巡逻人员都可以进行检查，这能预警很多问题，更大的发挥红外检测的作用。

1红外辐射

本文设计依据就是红外辐射，红外线发现以后，经过大批科学家和学者的反复实验和验证，一致认为在可见光的右侧，存在一种人眼不可见的“热线”，并且存在一个热效应最大的波段，科学家将这种辐射命名为“红外辐射”。红外辐射作为光的一种，遵循光线沿直线的传播规律，满足反射、折射和衍射等物理规律。红外辐射的波段在0.76-1000μm之间。为了便于科学研究，又将红外波段分为不同的子区间，近红外0.76-3μm、中红外3-6μm、远红外6-15μm和极远红外 15-1000μm，通常用到的只有前三个波段，并且当目标的温度在 190-1000K 时，将发出远红外辐射。一般粗略的认为，地球有三个大气窗口，分别为1-3μm、3-5μm、8-14μm，因此，热像仪也相应的划分为这三个工作波段。

2系统的构建

热像仪的主要作用是将红外辐射转换成伪彩色或者灰度图的可视图像，该图反应了目标发出的红外辐射的二维分布，就红外测温系统而言，这种可视的图像反应的是物体的温度分布。一个完整的红外热成像系统通常包括四个基本组成部分：光学系统（包括扫描系统）、红外探测器、电子信息处理系统和显示系统。光学成像系统的作用是将目标发出的红外辐射汇聚到焦平面阵列上，扫描器的目的在于匹配光学系统的大视野和探测器小视场，随后，红外探测器将物体的辐射转换成可处理的电信号，交由电子信息处理系统对电信号完成放大和处理，最终将电信号以可见的图像形式显示出来，如果用于温度测量，还需要通过黑体对图像进行标定，才能用于测量目标的温度。根据红外探测器是否需要制冷装置，将红外热成像系统分为制冷型和非制冷型，制冷型红外热成像系统不是我们研究的重点，本文采用的是非制冷红外热成像测温系统。

图1  系统框图

3手机红外热成像系统的实现

目标发出的红外光线进入红外探测器，探测器经过光电转换，将目标的红外辐射转换为电信号，这些信号通过USB-OTG电缆，将数据传输到运行Android系统的智能手机上，在手机端经过编程处理，最终将目标的红外辐射以图像的形式实时显示在屏幕上。系统主要包括三个部分：探测器对目标红外辐射的采集、USB-OTG数据线负责数据的传输和智能手机负责热成像的实时显示。在显示界面上，可实现目标上某一点的温度显示，同时可以根据需要对画面进行类似于普通相机的保存。另外，开发了“设置”菜单选项，通过该菜单，可以进行参数设置，也可以对红热外成像的显示方式进行更改。

采集热成像数据的红外探测器组件选择Opagl公司的一款非制冷常温测量组件，探测器的热敏材料是氧化钒，工作波段8-13um，像素间距到达17um，焦聚为0.5米到无限远。

4OTG数据传输技术的设计

OTG是并不是独立的总线，它是在USB2.0标准上建立起来的，增添了电源管理（节省功耗）功能，使设备被当作主机成为可能。一个具有

OTG作用的设备，与USB2.0标准完全符合，并具备一定的主机自检能力，支持主机通令协议（HNP）和对话请求协议（SRP）。工作原理简单来讲就是：初始主机设备称为A，外设设备称为B，AB 经OTG数据线连接以后A 设备负责通信的初始化任务，比如：总线复位、获取USB各种描述符和配置设备，配置完成后，B设备就可以和A设备进行数据传输，反之亦然。

图2  OTG架构图

5精度的提高

对非制冷型红外热像产品而言，由于没有制冷系统，在其工作时，随着环境温度、电源波动或者吸收红外辐射的增加，就会产生较为严重的温度漂移现象，将会严重影响到红外探测器的响应特性，从而导致测温精度受到很大的影响。因此，必须对温度漂移现象进行校正，否则，会带来测量误差，使得我们的研究工作变得毫无意义。针对这一温度漂移现象，本部分在原有手持式热成像系统的基础上，设计一个恒温源系统，温控系统由陶瓷发热片和温控板组成，温控板对陶瓷发热片进行恒温控制。通过软件编程，在Android开发环境中实现校正，整个系统固定在手机外壳上，成为手持式热成像系统的一部分，达到对目标温度的快速准确测量。

6结论

红外热成像仪小型化后的成本问题。该项目技术直接与手机结合，能很好的将图像保存在手机上，省去了屏幕、CPU、部分硬件的成本，大大降低了红外热成像仪的基本成本。同时开发了专用的氧化钒非制冷探测器，解决了小型芯片成像差的难题，并设计了外挂结构，可以直接将手机与模块便捷的组合在一起，更方便现场使用。

[1]杨立，杨桢．红外热成像测温原理与技术[M]．科学出版社，2012.

[2]邢素霞．非制冷红外热成像系统研究[D]．南京理工大学光学工程．2005.

[3]蔡良锋．非制冷红外热成像系统的小型化改进[D]．南京理工大学，2008.

[作者简介] 李昆（1990年04月），男，河南商丘人，本科，工程师，研究方向：电气试验 。