CN106969833B - 一种大视场的紫外光探测系统及其应用 - Google Patents

一种大视场的紫外光探测系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大视场的紫外光探测系统,属于紫外光探测领域,其包括光学接收单元、光电传感器、电源模块、信号处理模块以及信号分析显示单元,其中,光学接收单元用于接收紫外光,光电传感器用于将光学接收单元接收的紫外光信号转换为电信号,电源模块与光电传感器相连接,以用于产生设定的电压供光电传感器工作,信号处理模块用于将来自光电传感器的电信号进行滤波或/和放大处理,信号分析显示单元用于分析经信号处理模块处理后的电信号,以获得表征紫外光的参数,信号分析显示单元还用显示出紫外光的参数。本发明装置能较好的探测GIS电晕放电。

Description

一种大视场的紫外光探测系统及其应用
技术领域
本发明属于紫外光探测领域,更具体地,涉及一种大视场的紫外光探测系统。
背景技术
紫外光探测在国民生活中显得越来越重要,比如在高压变电站里对电弧放电产生的紫外光进行探测,就可以得出对应电弧放电的一些信息,比如强度和放电脉冲频率。
高压变电站里的GIS(中文名称:气体绝缘全封闭组合电器,英文全称:GasInsulated Switchgear))通常会因为其内部的高电压和狭小空间形成高场强分布,使电晕放电发生的机率增大。
根据相关研究表明,GIS内中间导电杆上的毛刺或杂物、壳体上的毛刺或杂物、自由移动的金属微粒、盆式绝缘子的微粒、悬浮屏障和内部缺陷等因素在高电压运行时,会引起场强分布差异化,引发电晕放电的情况产生。发生电晕放电不仅预示着高压开关电气元件的绝缘性能会出现问题,而且会使电气元件的性能进一步恶化,进而影响GIS的正常运行工作,威胁整个电网的正常运行。由于GIS电晕放电存在的安全隐患,有必要对其进行实时监测。
探测光的强度可以用的探测器种类有多种,常用的有光电导探测器、光伏探测器。其中,光电导探测器利用了光电导效应,即在材料吸收光子时会引起载流子的浓度变化,从而导致材料电导率改变。但是,由于光电导探测器的响应时间大致等于光生载流子的寿命,其响应时间在几十毫秒到几秒之间,这是它的工作原理导致的缺陷,这样就使得光电导探测器基本不适用于窄脉冲光信号的检测,而且光电导探测器的光敏面通常较小,不适于探测较大视场的信号光,因此在一些特殊的探测场合,光电导探测器是不合适的。
光伏探测器的响应频率的范围很宽,这跟探测器的种类有关,下面以紫外光探测常用的肖特基结光电二极管为例说明。肖特基势垒是由金属与半导体接触形成的,一般用Au、Cr或Al与GaN、GaAs或GaAsP等半导体接触,所以可以把肖特基势垒光电二极管看成是一个结深为零、表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结,这使得探测器对紫外光的吸收特别好,吸收后激发的光生载流子在复合前就会被强电场扫出,这就提高了光生载流子的产生效率和收集效率。虽然,光伏探测器的光敏面可以做到比较大,但是它的响应频率不一定合适,无法探测到GIS电晕放电产生的高频紫外光。
因此,需要开发出一套装置或者方法能够探测到GIS电晕放电。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种大视场的紫外光探测系统及其应用,其目的在于,通过设计光学接收单元和光电传感器配合工作,能以较大的接收视角接收高频弱光强的紫外光,并具有较好的灵敏度,本发明装置能较好的探测GIS电晕放电。
为实现上述目的,本发明提供了一种大视场的紫外光探测系统,包括光学接收单元、光电传感器、电源模块、信号处理模块以及信号分析显示单元,其中,所述光学接收单元用于接收紫外光,所述光电传感器用于将光学接收单元接收的紫外光信号转换为电信号,所述电源模块与所述光电传感器相连接,以用于产生设定的电压供光电传感器工作,所述信号处理模块用于将来自光电传感器的电信号进行滤波或/和放大处理,所述信号分析显示单元用于分析经信号处理模块处理后的电信号,以获得表征紫外光的参数,所述信号分析显示单元还用显示出所述紫外光的参数。
以上发明构思中,光学接收单元用于接收紫外光,光电传感器将光信号转换为电信号,再经过信号处理模块将电信号滤波、放大,经过处理后的信号便可以被信号分析显示单元(示波器或者PC上位机)接收。其中,所述的光电传感器,即光电倍增管,需要一个驱动电源模块,提供±15V的工作电压和0.5~1.4V的灵敏度控制电压。所述的驱动电源模块主要由单片机、数字电位器和转电平芯片组成,经过硬件设计和软件设计,模块可以提供±15V的工作电压和0.5~1.4V的灵敏度控制电压。其中,灵敏度控制电压的控制方法为:用上位机与电源模块进行实时串口通信,从而方便地改变电源模块输出的灵敏度控制电压。
进一步的,所述光学接收单元包括滤光片、荧光增反膜、荧光片以及光锥,其中,所述光锥呈筒状,其一端口径较大,另一端口径较小,所述滤光片和所述荧光片层叠设置在光锥的口径较大端口上,所述滤光片和所述荧光片之间设置有荧光增反膜。所述光电传感器设置在光锥口径较小的端口上。所述光锥的壁面上镀有金属反射膜。所述滤光片、自制荧光片和光锥的材质为玻璃。所述玻璃为紫外熔融石英玻璃。
在安装时,滤光片面向光源,以滤除光源中除了紫外光的其它波长的光功率。荧光片与滤光片紧贴,并在荧光片与滤光片之间镀一层对激发荧光增反的光学薄膜,以使激发的荧光尽可能地向着光锥的方向射。此外,有些入射角度较小的光束可能会在光锥里经过几次反射后又从入射面射出,所以在滤光片和自制荧光片之间加一层荧光增反膜也可以减少因为这个原因对光束传输效率的影响。光锥的两边镀有一层金属反射膜,提高光锥对光束的反射传输效率。光锥的较小面积的端口与光电探测器的光敏面大小匹配,以使得光束更好地被耦合到光电探测器里。
进一步的,所述信号分析显示单元为示波器或者上位机。
进一步的,所述光锥口径分别为100cm、30cm,所述光锥长度均匀,为130cm。光锥的厚度是指光锥口径较大的一端端面与光锥口径较小的一端端面之间的距离。
进一步的,所述电源模块产生设定的电压为±15V,该电源模块的灵敏度控制电压的范围为0.5V~1.4V。
如上所述大视场的紫外光探测系统可在气体绝缘全封闭组合电器中的应用,用于检测电晕放电。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本发明利用GIS电晕放电一定会产生设定波长紫外光的特性,设计有一套紫外光检测系统,依次接收紫外光、进行光电转换、处理电信号、分析并显示紫外光参数,从而检测GIS是否有电晕放电。
更进一步的,本发明中光电接收单元中光锥具有大端和小端,这样的设计能提供一个较大的视场接收高频弱光强的紫外光。
附图说明
图1是采用直接接收光信号方法设计的光学接收系统;
图2是简易的荧光激发图示;
图3是采用荧光激发的光学接收单元结构示意图;
图4是本发明基于光锥的大视场高效的紫外光探测系统的结构示意图;
图5是本发明大视场高效的紫外光探测系统的具体实施场景示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1-滤光片 2-荧光增反膜 3-荧光片
4-光锥 5-光电传感器 6-电源模块
7-信号处理模块 8-示波器或者上位机PC 9-双凸镜
10-半球透镜 11-入射光线 12-荧光物质
13-激发的荧光 14-一号绝缘子 15-局放模型
16-高速示波器 17-二号绝缘子
A-第一探测点
B-第二探测点
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了开发出一套装置或者方法能够探测到GIS电晕放电,首先需要了解GIS电晕放电的特点:放电频率高;放电位置不确定;放电产生的光信号较弱。GIS放电频率高,这就要求探测系统有较好的频率响应;在一个较大的空间里放电位置不确定,系统的有效探测视场就应该足够大;放电产生的光信号较弱,这要求探测系统有高的灵敏度。
光电倍增管可以对光生载流子进一步倍增放大,这使得阳极灵敏度可以做到很大,从而可以探测较弱的光信号,而且可以通过选择光窗和光电阴极的材料来控制光谱响应范围,也就能选择到需要探测的光谱范围。再次,光电倍增管有较大的光敏面和较高的频率响应,这些特点都使得光电倍增管适用于这个系统的光电探测器。
探测目标光信号的强度和脉冲频率等信息,大致上可以有两种探测方式,一是直接接收被探测光信号,可以直接得出要测量的信息;二是采取用被测光去激发荧光,然后通过探测荧光的一系列信息,并用被测光的强度等信息和荧光的强度等信息之间的映射关系来得出被测光的信息。方法一的优点是探测比较直接,操作简单,只需要对被测光直接探测,为了得到一个较大视场的光学接收系统,可以设计一个跟光电传感器匹配的大视场接收镜头,如图1所示。
图1是采用直接接收光信号方法设计的光学接收系统,图中,9为双凸镜并且10为半球透镜,其中,双凸透镜9的参数如下:口径为50mm,焦距为72mm,第一面和第二面的曲率半径都为72.66mm,中心厚度为11.9mm,边缘厚度为3mm。半球透镜的直径为30cm。工作时,光线从双凸镜9入射,光线经双凸镜初次聚焦后,再由半球透镜10收集光线,将光线传递到光电传感器处。
但是,在探测GIS放电电弧时,这样的镜头的最大有效视场角也不是太令人满意。
在大量长期的研究后发现,可能需要采取方法二,用被测光来激发荧光,利用激发出的荧光具有不定向的特点来实现更大的有效视场角。荧光物质受到对应波长的激发光照射可以不定向地发射出荧光,而且只要激发光照到波长匹配的荧光物质上,就可以产生荧光,所以采用荧光片后,光学接收系统的有效接收视场就变大了。荧光激发的简易图示如图2所示。
图2是简易的荧光激发图示,图中,11为入射光线(包括两种:垂直入射和斜入射)、12为与入射光线匹配的荧光物质并且13为激发出的荧光。由图可知,激发光不管是直射到荧光物质上,还是以大角度斜射到荧光物质上,都可以激发出荧光,而且激发的荧光具有不定向性。
图3是采用荧光激发的光学接收单元结构示意图;图4是本发明基于光锥的大视场高效的紫外光探测系统的结构示意图,由以上两图可知,于光锥的大视场高效的紫外光探测系统包括光学接收单元、光电传感器5、电源模块6、信号处理模块7以及信号分析显示单元8。其中,所述光学接收单元用于接收紫外光,所述光电传感器5用于将光学接收单元接收的紫外光信号转换为电信号,所述电源模块6与所述光电传感器5相连接,以用于产生设定的电压供光电传感器5工作,所述信号处理模块7用于将来自光电传感器5的电信号进行滤波或/和放大处理,所述信号分析显示单元8用于分析经信号处理模块处理后的电信号,以获得表征紫外光的参数,所述信号分析显示单元还用显示出所述紫外光的参数。
其中,所述光学接收单元包括滤光片1、荧光增反膜2、荧光片3以及光锥4。其中,所述光锥4呈筒状,其一端口径较大,另一端口径较小,所述滤光片1和所述荧光片3层叠设置在光锥4的口径较大端口上,所述滤光片1和所述荧光片3之间设置有荧光增反膜2。所述光电传感器5设置在光锥4口径较小的端口上。所述光锥4的壁面上镀有金属反射膜。所述滤光片1、自制荧光片3和光锥4的材质为玻璃,该玻璃为紫外熔融石英玻璃。在本发明的一个优选实施例中,所述光锥口径分别为100cm、30cm,所述光锥长度均匀,为130cm。
更具体的,滤光片1接收来自目的光源的光束,滤除不需要的光,经过过滤的光束照在荧光片3上,并激发出荧光,再经过光锥4对荧光的反射传输(类似于收集的作用在里面),将荧光射向与光锥4的较小口径匹配耦合的光电传感器5的光敏面上,完成光信号向电信号的转换。
在本发明的又一个实施例中,所述信号分析显示单元8为示波器或者上位机,获得初级电信号经过信号处理模块7的处理,便得到可以在示波器8上显示、分析的电信号。
在本发明的又一个实施例中,上述光电传感器5进行工作的必要条件就是有一个合适驱动电压,所述电源模块产生设定的电压为±15V,该电源模块的灵敏度控制电压为0.5V~1.4V。
本发明所述大视场的紫外光探测系统可应在气体绝缘全封闭组合电器中探测GIS电晕放电。
图5是本发明大视场高效的紫外光探测系统的具体实施场景示意图,图5中,14为一号绝缘子、15为局放模型(高压针-板电晕放电模型)、16为高速示波器、17为二号绝缘子、A为第一探测地点、B为第二探测点。其中,一号绝缘子14和二号绝缘子17的作用是绝缘分隔GIS腔室,局放模型15的作用是人工增加GIS腔室里电晕放电的次数,高速示波器16用于显示经信号处理模块7处理的波形。
由图5可知,首先,把本发明基于光锥的大视场高效的紫外光探测系统放在GIS腔内的第一探测地点A和第二探测点B处。
然后,等待电弧放电产生紫外光脉冲。此时的光源就是一个高频的紫外光源,所以可以不要滤光片1,将荧光增反膜2和自制荧光片3直接的暴露在上述紫外光脉冲光源的照射下,有利于提高利用荧光片增大接收视场的效果。由于要探测的是紫外光,对被测光源进行要求不是太现实,所以可以选择紫外光透过率高的透镜搭建光学接收系统,比如紫外熔融石英玻璃。在选择光电倍增管5时,也要注意选择满足要求的光窗材料和光电阴极材料。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,用于探测气体绝缘全封闭组合电器电晕放电,以防止安全隐患,
包括光学接收单元、光电传感器(5)、电源模块(6)、信号处理模块(7)以及信号分析显示单元(8),其中,所述光学接收单元用于接收紫外光,所述光电传感器(5)用于将光学接收单元接收的紫外光信号转换为电信号,所述电源模块(6)与所述光电传感器(5)相连接,以用于产生设定的电压供光电传感器(5)工作,所述信号处理模块(7)用于将来自光电传感器(5)的电信号进行滤波或/和放大处理,所述信号分析显示单元用于分析经信号处理模块(7)处理后的电信号,以获得表征紫外光的参数,所述信号分析显示单元(8)还用于显示出所述紫外光的参数,
所述光电传感器为光电倍增管,
所述光学接收单元包括滤光片(1)、荧光增反膜(2)、荧光片(3)以及光锥(4),其中,所述光锥(4)呈筒状,其一端口径较大,另一端口径较小,所述滤光片(1)和所述荧光片(3)层叠设置在光锥(4)的口径较大端口上,所述光电倍增管设置在光锥口径较小的端口上,
所述滤光片面向气体绝缘全封闭组合电器电晕放电,以滤除电晕放电中除了紫外光的其它波长的光功率,荧光片与滤光片紧贴,在荧光片与滤光片之间镀一层对激发荧光增反的荧光增反膜(2),以使激发的荧光尽可能地向着光锥的方向射去,
光锥的两边镀有一层金属反射膜,提高光锥对光束的反射传输效率。
2.如权利要求1所述的一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,所述滤光片(1)、荧光片(3)和光锥(4)的材质为玻璃。
3.如权利要求2所述的一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,所述玻璃为紫外熔融石英玻璃。
4.如权利要求3所述的一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,所述信号分析显示单元(8)为示波器或者上位机。
5.如权利要求4所述的一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,所述光锥口径分别为100cm、30cm,所述光锥的长度为130cm。
6.如权利要求5所述的一种大视场的紫外光探测系统,其特征在于,所述电源模块产生设定的电压为±15V,该电源模块的灵敏度控制电压的范围为0.5V~1.4V。
7.如权利要求6所述大视场的紫外光探测系统在气体绝缘全封闭组合电器中的应用。
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