CN110376140B - 一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，包括实验箱体、光源供给机构、载物机构、电场供给机构和高光谱设备；光源供给机构包括全波段光源、密闭光罩、反光环和反光片，全波段光源安装在实验箱体的底部中心，反光片安装在所述实验箱体的顶部，载物机构上安装有静电场测试仪，电场供给机构用于对实验箱体内的输电线路提供电场；高光谱设备通过转向机构安装在实验箱体内且悬设于所述载物机构的上方。本发明能够实现不同电压等级电场环境下对线路外绝缘状态和输电走廊植高光谱的全波段检测，有助于为研究人员了解在电场影响下高光谱所得谱线与无电场情况下的异同，为完善电场环境下的高光谱检测提供实验基础。

Description

一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置

技术领域

本发明涉及光谱实验装置技术领域，具体涉及一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置。

背景技术

特高压输电线路承担着我国远距离能源输送与互联的重大任务，其具有输送距离远、输送容量大、功率损耗小等诸多优点，是解决我国能源与电力负荷逆向分布问题、实施电网“西电东送、南北互供、全国联网”发展战略的核心技术，其输电线路的安全运行至关重要。输电走廊面临着一系列安全问题，如外绝缘问题，包括绝缘设备老化、杆塔位移和杆塔形变，另外，输电走廊还存在植被生长威胁，植被生长会带来树障、鸟粪、山火等自然灾害，严重时可能产生巨大经济损失。

利用高光谱成像技术对线路外绝缘状态和输电走廊植被威胁进行监测已经成为一种新兴的检测手段。高光谱技术在绝缘子老化状态评估、污秽程度检测以及输电走廊植被生长威胁预警等方面都已经有相关研究，其对于线路的具有重要的意义。但高光谱在线检测通常处于强电场环境，电场在空间中又会产生磁场，电磁场相互作用下不仅会影响到高光谱设备的精准度，对于这种环境下的外绝缘设备的电磁波反射特性也存在影响。目前，还没有人针对电场环境下的高光谱检测进行研究，也没有相关设备支持这些研究的开展。因此设计一种带可控电场环境的高光谱检测装置，并开展电场环境下的高光谱谱线影响机制的研究对于相关领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，能够实现不同电压等级电场环境下对线路外绝缘状态和输电走廊植被进行全波段的高光谱检测，有助于研究人员了解在电场影响下高光谱所得谱线与无电场情况下的异同，以解决现有的电场环境下的高光谱谱线影响机制无法进行实验的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，包括实验箱体、光源供给机构、载物机构、电场供给机构和高光谱设备；

所述实验箱体的外壳具有吸光层和电磁场屏蔽层；

所述光源供给机构包括全波段光源、密闭光罩、反光环和反光片，所述全波段光源安装在所述实验箱体的底部中心，所述反光片安装在所述实验箱体的顶部，所述反光环安装在实验箱体侧壁上且位于所述密闭光罩和反光片之间，所述所述密闭光罩的光路入口与所述波段光源连接，所述密闭光罩的光路出口与所述反光片正向连接；

所述载物机构安装在所述光环的下部，所述载物机构上安装有静电场测试仪，用于承载试验样品；

所述电场供给机构安装在所述反光环和反光片之间，用于对实验箱体内的输电线路提供电场；

所述高光谱设备通过转向机构安装在实验箱体内且悬设于所述载物机构的上方。

进一步地，所述光源供给机构的光学路径为：所述全波段光源提供的光源经密闭光罩的光路入口射入，沿光源经密闭光罩的光路出口聚焦到所述反光环上，再经反光片聚焦反射到所述载物机构承载的试验样品上。

进一步地，所述电场供给机构包括高压绝缘套管和钢芯铜绞线，所述高压绝缘套管安装在所述实验箱体两侧的侧壁上，所述钢芯铜绞线跨接于实验箱体内且与所述高压绝缘套管连接，所述高压绝缘套管外接电极。

进一步地，所述载物机构包括载物台和光学白板，所述光学白板安装于所述载物台上，所述载物台上安装有样品承载机构，所述静电场测试仪安装在所述载物台和光学白板之间的中心位置。

进一步地，所述样品承载机构包括基台、试验样品容纳盒和四个滑动安装在所述基台上的支撑台，四个所述的支撑台紧固结构相同且两两对称地安装在所述基台的周侧，所述支撑台上具有紧固机构。

进一步地，所述支撑台包括支撑面、安装部和定位部，所述安装部设于所述支撑面的一侧，所述定位部设于所述支撑面和安装部之间，所述紧固机构安装在所述安装部上，所述定位部开设有通孔，所述基台的横向和竖向上均设有与所述通孔配合的定位孔，定位销钉穿过所述通孔和定位孔将支撑台固定于所述基台上。

进一步地，所述紧固机构为螺栓，所述螺栓的顶端穿设所述安装部，所述螺栓的顶端为球面结构。

进一步地，所述转向机构包括步进电机、主动齿轮和被动齿轮，所述步进电机通过连接杆安装在所述实验箱体的顶端，所述步进电机的输出轴连接有第一转动轴，所述主动齿轮通过上下对称的安装板安装在所述第一转动轴上，所述安装板铰接有联动杆，所述联动杆的末端固设有第二转动轴，所述被动齿轮安装在所述第二转动轴上且与所述主动齿轮啮合。

进一步地，所述第二转动轴的末端连接有三个分支杆，所三个所述分支杆均连接有屏蔽箱，所述屏蔽箱底部设有镜头口，所述高光谱设备的镜头安装在所述镜头口。

进一步地，所述高光谱设备为高光谱测试仪，三个所述屏蔽箱内分别设有波段检测范围为400～1100nm、1100～1700nm和1700～2500nm的高光谱测试仪。

本发明的有益效果是：

1)本发明的实验装置，能够实现不同电压等级电场环境下对线路外绝缘状态和输电走廊植高光谱的全波段检测，有助于为研究人员了解在电场影响下高光谱所得谱线与无电场情况下的异同，为完善电场环境下的高光谱检测提供实验基础。

2)本发明的实验装置可以在保持高光谱高分辨率的同时，能实现采集全波段高光谱信息，使得检测更加全面，准确高效；现有的高光谱设备如果需要试验较高波段跨度是测量时，分辨率无法得到保证，在分辨率较高的情况下，波段跨度较窄，而本发明可以实现对高光谱装置所能检测到的全部波段，本发明在传统检测方法的基础上还考虑了电场因素的影响，可以对电场环境下的高光谱检测技术的完善提供试验设备。

3)本发明采用样品承载机构能实现对不同尺寸的样品的固定，通过各个支撑台在基台移动来调节各个支撑台的之间距离然后靠定位孔和定位销钉的配合实现定位，实验样品承载在试验样品容纳盒内，试验样品容纳盒可根据样品大小定制，支撑台的紧固结构能将试验样品容纳盒牢固固定在基台上，此种固定调节方式简单快捷而且稳定强，为提供准确的实验数据提供了条件。

4)本发明的三个能测量不同波段范围的高光谱测试仪通过齿轮传动结构安装在实验箱体内，通过控制步进电机带动第二转动轴转动，从而带动三个高光谱测试仪互换位置，实现了对实验样品单全段范围的高光谱监测。

附图说明

图1为本发明的实验装置的整体构造示意图；

图2为本发明的光源供给机构的结构示意图；

图3为本发明载物机构的构造简图；

图4为本发明载物机构的载物机构的整体结构示意图；

图5为本发明的载物机构的支撑台构示意图；

图6为本发明的的载物机构基台的结构示意图；

图7为本发明的转向机构的结构示意图；

图8为本发明的高光谱设备的安装结构示意图；

图中，1-实验箱体，2-光源供给机构，201-全波段光源，202-密闭光罩，203-反光环，204-反光片，3-载物机构，301-载物台，302-光学白板，4-电场供给机构，401-高压绝缘套管，402-钢芯铜绞线，5-高光谱设备，6-静电场测试仪，7-样品承载机构，8-基台，801-定位孔，9-试验样品容纳盒，10-支撑台，1001-支撑面，1002-安装部，1003-定位部，1004-通孔，11-螺栓，12-步进电机，13-主动齿轮，14-被动齿轮，15-连接杆，16-第一转动轴，17-安装板，18-联动杆，19-第二转动轴，1901-分支杆，20-屏蔽箱，21-镜头口。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：

请参照图1，一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，包括实验箱体1、光源供给机构2、载物机构3、电场供给机构4和高光谱设备5；

本发明实验箱体1的外壳具有吸光层和电磁场屏蔽层；本发明的实验箱体1可设计为长方体箱体，吸光层由吸光材料支撑，确保实验箱体1内无光线进入，同时在箱体外侧加有电磁场屏蔽层，用以保证箱体内无外界的电磁干扰。

请参照图1-2，所述光源供给机构2包括全波段光源201、密闭光罩202、反光环203和反光片204，所述全波段光源201安装在所述实验箱体1的底部中心，所述反光片204安装在所述实验箱体1的顶部，所述反光环203安装在实验箱体1侧壁上且位于所述密闭光罩202和反光片204之间，所述所述密闭光罩202的光路入口与所述波段光源连接，所述密闭光罩202的光路出口与所述反光片204正向连接。

本发明的光源供给机构2的光学路径为：所述全波段光源201提供的光源经密闭光罩202的光路入口射入，沿光源经密闭光罩202的光路出口聚焦到所述反光环203上，再经反光片204聚焦反射到所述载物机构3承载的试验样品上。

所述载物机构3安装在所述光环的下部，所述载物机构3上安装有静电场测试仪6，用于承载试验样品。

所述电场供给机构4安装在所述反光环203和反光片204之间，用于对实验箱体1内的输电线路提供电场。

所述高光谱设备5通过转向机构安装在实验箱体1内且悬设于所述载物机构3的上方。

所述高光谱设备5用于对试验样品进行图谱信息采集，所述试验样品线路外绝缘状态和输电走廊植物，如输电走廊周围植物样本、输电线路绝缘子样品等。

请参照图1，所述电场供给机构4包括高压绝缘套管401和钢芯铜绞线402，所述高压绝缘套管401安装在所述实验箱体1两侧的侧壁上，所述钢芯铜绞线402跨接于实验箱体1内且与所述高压绝缘套管401连接，所述高压绝缘套管401外接电极。

本发明的高压绝缘套管401用于提供绝缘通道，钢芯铜绞线402用于模拟输电线路，可通过调节高压绝缘套管401两端所加电压来实现对于输电线路周围电场的模拟。

请参照图3，所述载物机构3包括载物台301和光学白板302，所述光学白板302安装于所述载物台301上，所述载物台301上安装有样品承载机构7，所述静电场测试仪6安装在所述载物台301和光学白板302之间的中心位置。

本发明的光学白板302尺寸与载物台301相同，完全覆盖于载物台301表面上方，能够实现电磁波的全反射，静电场测试仪6位于载物台301正下方，载物台301可以任意调节其固定区域大小，以便不同尺寸样品固定，载物模块均与箱体底面保持平行。

请参照图4-6，所述样品承载机构7包括基台8、试验样品容纳盒9和四个滑动安装在所述基台8上的支撑台10，四个所述的支撑台10紧固结构相同且两两对称地安装在所述基台8的周侧，所述支撑台10上具有紧固机构。

所述的支撑台10能沿着基台8滑动并定位，各个支撑台10之间的距离可以调整，从而，各个支撑台10之间能放置不同尺寸大小的试验样品容纳盒9实现承载不同尺寸大小的实验样品。

请参照图5-6，所述支撑台10包括支撑面1001、安装部1002和定位部1003，所述安装部1002设于所述支撑面1001的一侧，所述定位部1003设于所述支撑面1001和安装部1002之间，所述紧固机构安装在所述安装部1002上，所述定位部1003开设有通孔1004，所述基台8的横向和竖向上均设有与所述通孔1004配合的定位孔801，定位销钉穿过所述通孔1004和定位孔801将支撑台10固定于所述基台8上。

所述支撑台10可直接放置在基台8上，也可以在基台8上设置滑槽，在支撑台10底部设置滑块来实现支撑台10在基台8上的移动，当支撑台10移动到合适的位置时，通过定位销钉将支撑台10固定在在基台8上，紧固机构能实现对试验样品容纳盒9的侧壁的固定，试验样品容纳盒9四个方向的支撑台10能稳固将其固定。

优选地，所述紧固机构为螺栓11，所述螺栓11的顶端穿设所述安装部1002，所述螺栓11的顶端为球面结构。

所述球面结构能增大螺栓11与试验样品容纳盒9的接触的面积，增强稳定性。

请参照图7，所述转向机构包括步进电机12、主动齿轮13和被动齿轮14，所述步进电机12通过连接杆15安装在所述实验箱体1的顶端，所述步进电机12的输出轴连接有第一转动轴16，所述主动齿轮13通过上下对称的安装板17安装在所述第一转动轴16上，所述安装板17铰接有联动杆18，所述联动杆18的末端固设有第二转动轴19，所述被动齿轮14安装在所述第二转动轴19上且与所述主动齿轮13啮合。

本发明的电机采用步进电机12，电机转动时带动主动齿轮13转动，主动齿轮13带动被动齿轮14运动，安装板17和联动杆18套接在第一转动轴16上可随第一转动轴16转动，上下两根安装板17起到将主动齿轮13限位的作用，两根联动杆18铰接在两根安装板17的末端，因此联动杆18也能跟随安装板17沿着第一转动轴16的中心轴做圆周运动，从而跟联动杆18固定连接的第二转动轴19也能沿第一转动轴16的中心轴做圆周运动，可控制电机每次转动三分之一圈，第二转动轴19在圆周方向转动120°。

请参照图8，所述第二转动轴19的末端连接有三个分支杆1901，所三个所述分支杆1901均连接有屏蔽箱20，所述屏蔽箱20底部设有镜头口21，所述高光谱设备5的镜头安装在所述镜头口21，所述镜头口21与高光谱装置镜头大小一致。

优选地，所述高光谱设备5为高光谱测试仪，三个所述屏蔽箱20内分别设有波段检测范围为400～1100nm、1100～1700nm和1700～2500nm的高光谱测试仪。

因此基于上述转向机构的传动，三个能测量不同波段范围的高光谱测试仪通过齿轮传动结构安装在实验箱体1内后，通过控制步进电机12带动第二转动轴19转动，从而带动三个高光谱测试仪互换位置，实现了对实验样品单全段范围的高光谱监测。

本发明的实验装置的使用方法如下：

可分为两种不同方式，其一为无电场环境的高光谱试验，其二为电场环境下的高光谱检测试验；

首先从输电走廊采集实验样品，根据实验样品的尺寸调节四个支撑台10在基台8上的位置，将实验样品装入试验样品容纳盒9，拧动螺栓11对试验样品容纳盒9的四周侧壁进行定位固定，在用定位销钉将支撑台10定位固定在基台8上；然后，将实验箱体1和屏蔽箱20关闭，打开全波段光源201开关，调节反光环203及反光片204的相对位置，使光源照射至试品检测区域的试验样品上，同时在高压绝缘套管401两端的电极处加±30kV的直流电压，通过静电场测试仪6对样品固定区域的检测区域的电场环境进行实时监测，启动步进电机12对屏蔽箱20进行转向互换位置，每调节一次使得高光谱检测仪的镜头刚好正对试品检测区域，对实验样品进行图谱信息采集，从而完成三个波段检测范围分别为400～1100nm、1100～1700nm和1700～2500nm的高光谱测试仪的镜头对实验样品的图谱信息进行采集，即完成了不同电场环境下的线路外绝缘状态和输电走廊植被的实验样品的全波段高光谱图谱信息采集。

最后再将高压绝缘套管401电极两端电压去掉，重复上述过程，得到无电场环境下的试品全波段高光谱图谱信息，将之与电场环境下的图谱信息进行比较分析，总结规律，得到电场对试品的高光谱检测的影响程度及规律。

本发明的实验装置，能够实现不同电压等级电场环境下对线路外绝缘状态和输电走廊植高光谱的全波段检测，有助于为研究人员了解在电场影响下高光谱所得谱线与无电场情况下的异同，为完善电场环境下的高光谱检测提供实验基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：包括实验箱体(1)、光源供给机构(2)、载物机构(3)、电场供给机构(4)和高光谱设备(5)；

所述实验箱体(1)的外壳具有吸光层和电磁场屏蔽层；

所述光源供给机构(2)包括全波段光源(201)、密闭光罩(202)、反光环(203)和反光片(204)，所述全波段光源(201)安装在所述实验箱体(1)的底部中心，所述反光片(204)安装在所述实验箱体(1)的顶部，所述反光环(203)安装在实验箱体(1)侧壁上且位于所述密闭光罩(202)和反光片(204)之间，所述密闭光罩(202)的光路入口与所述波段光源连接，所述密闭光罩(202)的光路出口与所述反光片(204)正向连接；

所述载物机构(3)安装在所述反光环(203)的下部，所述载物机构(3)上安装有静电场测试仪(6)，用于承载试验样品；

所述电场供给机构(4)安装在所述反光环(203)和反光片(204)之间，用于对实验箱体(1)内的输电线路提供电场；

所述高光谱设备(5)通过转向机构安装在实验箱体(1)内且悬设于所述载物机构(3)的上方；

所述光源供给机构(2)的光学路径为：所述全波段光源(201)提供的光源经密闭光罩(202)的光路入口射入，沿光源经密闭光罩(202)的光路出口聚焦到所述反光环(203)上，再经反光片(204)聚焦反射到所述载物机构(3)承载的试验样品上。

2.根据权利要求1所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述电场供给机构(4)包括高压绝缘套管(401)和钢芯铜绞线(402)，所述高压绝缘套管(401)安装在所述实验箱体(1)两侧的侧壁上，所述钢芯铜绞线(402)跨接于实验箱体(1)内且与所述高压绝缘套管(401)连接，所述高压绝缘套管(401)外接电极。

3.根据权利要求1所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述载物机构(3)包括载物台(301)和光学白板(302)，所述光学白板(302)安装于所述载物台(301)上，所述载物台(301)上安装有样品承载机构(7)，所述静电场测试仪(6)安装在所述载物台(301)和光学白板(302)之间的中心位置。

4.根据权利要求1所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述样品承载机构(7)包括基台(8)、试验样品容纳盒(9)和四个滑动安装在所述基台(8)上的支撑台(10)，四个所述的支撑台(10)紧固结构相同且两两对称地安装在所述基台(8)的周侧，所述支撑台(10)上具有紧固机构。

5.根据权利要求4所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述支撑台(10)包括支撑面(1001)、安装部(1002)和定位部(1003)，所述安装部(1002)设于所述支撑面(1001)的一侧，所述定位部(1003)设于所述支撑面(1001)和安装部(1002)之间，所述紧固机构安装在所述安装部(1002)上，所述定位部(1003)开设有通孔(1004)，所述基台(8)的横向和竖向上均设有与所述通孔(1004)配合的定位孔(801)，定位销钉穿过所述通孔(1004)和定位孔(801)将支撑台(10)固定于所述基台(8)上。

6.根据权利要求5所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述紧固机构为螺栓(11)，所述螺栓(11)的顶端穿设所述安装部(1002)，所述螺栓(11)的顶端为球面结构。

7.根据权利要求1所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述转向机构包括步进电机(12)、主动齿轮(13)和被动齿轮(14)，所述步进电机(12)通过连接杆(15)安装在所述实验箱体(1)的顶端，所述步进电机(12)的输出轴连接有第一转动轴(16)，所述主动齿轮(13)通过上下对称的安装板(17)安装在所述第一转动轴(16)上，所述安装板(17)铰接有联动杆(18)，所述联动杆(18)的末端固设有第二转动轴(19)，所述被动齿轮(14)安装在所述第二转动轴(19)上且与所述主动齿轮(13)啮合。

8.根据权利要求7所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述第二转动轴(19)的末端连接有三个分支杆(1901)，所三个所述分支杆(1901)均连接有屏蔽箱(20)，所述屏蔽箱(20)底部设有镜头口(21)，所述高光谱设备(5)的镜头安装在所述镜头口(21)。

9.根据权利要求8所述的用于检测不同电场环境下全波段高光谱的实验装置，其特征在于：所述高光谱设备(5)为高光谱测试仪，三个所述屏蔽箱(20)内分别设有波段检测范围为400～1100nm、1100～1700nm和1700～2500nm的高光谱测试仪。

Images