CN113671329B - 一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置及方法，通过菲涅尔透镜和匀光器收集局部放电产生的光谱范围为150nm~600nm内不同波段的光子，并均匀平行地导入荧光晶体阵列，将光子激发为400nm~600nm范围内的荧光波段光信号，由雪崩光电二极管面阵接收并转换为电流信号，然后分别经由多通道I‑U转换放大器和多级积分器处理。实现了局部放电发射光谱内的多个波段光子向荧光波段的分波段转置，提高了光电转换效率，为局部放电多光谱信号采集提供更高效的前端装置。
Description
技术领域
本发明属于气体绝缘设备技术领域，尤其是一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置及方法。
背景技术
局部放电检测作为一种发现绝缘缺陷的有效手段，在电力设备绝缘考核和诊断中发挥着重要作用。其中，光测法以其抗干扰能力强、传输过程损耗小等优点，得以广泛应用于局部放电检测领域。研究表明，局部放电的光谱波段主要分布在280nm~500nm范围内，大部分集中于紫外波段，而目前常用的光电探测器，以雪崩二极管阵列为例，其响应敏感波段集中于400nm~600nm，因此在局部放电光辐射检测中会导致光信号的丢失、检测效率较低。另一方面，光测法作为一种较为本征和直观表征手段，通过对光谱信息的解读能够揭示放电的微观过程，因此可利用光谱特征对放电机制和绝缘劣化程度进行深入分析，实现局部放电精细化诊断。
因此，对局部放电光测法的局部放电光辐射检测装置进行改进与优化，提高局部放电光电探测器检测效率，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置及方法，实现了局部放电发射光谱内的光子向荧光波段的分波段转置，提高了光电转换效率，为局部放电多光谱信号采集提供更高效的前端装置。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，包括菲涅尔透镜、匀光器、荧光晶体阵列、雪崩二极管阵列、I-U转换放大器和多级积分器，所述菲涅尔透镜、匀光器和荧光晶体阵列依次为光路的轴向排列，光线由荧光晶体阵列入射到对应的雪崩二极管阵列，I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器，多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入。
而且，所述菲涅尔透镜的制作材料为熔融石英，并且150nm~600nm波段范围内菲涅尔透镜的透光率不低于90%，有效视场角不低于120°。
而且，所述匀光器的输出截面为方形或矩形，输出截面边长为荧光晶体截面边长的整数倍，并且在150nm~600nm波段范围内总体光损耗小于0.5dB。
而且，所述荧光晶体阵列由至少两个独立荧光晶体组成，并且荧光晶体阵列与匀光器或雪崩二极管阵列的连接截面不大于雪崩二极管阵列受光区域。
而且，所述独立荧光晶体的吸收光谱在150nm~600nm波段范围内，并且各个独立荧光晶体吸收光谱中心波段差异≥100nm，吸收光谱波段宽度≥50nm；各个独立荧光晶体激发光谱均在400nm~600nm范围内，激发光谱中心波段处于500nm±25nm范围内，各独立荧光晶体侧面之间保持0.09mm~0.11mm的气隙。
而且，所述雪崩二极管阵列为至少由两个盖革雪崩型光电二极管面阵构成的平面阵列，各个盖革雪崩型光电二极管独立接收光子并进行光电转换，雪崩型光电二极管面阵的光电响应波段至少覆盖400nm~600nm范围，并在400nm~600nm范围内的光量子效率≥30%，光电增益≥5E5。
而且，所述I-U转换放大器的模拟响应带宽覆盖0.5MHz~100MHz，放大增益≥20dB，信噪比≥40dB，通道数量≥光电二极管面阵数量。
而且，所述多级积分器包括至少两级肖特基充放电回路，第一级回路的充电回路导通情况下时间常数τc1≤10ns，第一级回路的放电回路时间常数τd1≥1μs，第二级回路的充电回路导通情况下时间常数τc2≤0.5μs，第二级回路的放电回路时间常数τd2≥50μs。
而且，所述雪崩二极管阵列各个通道均保持临界雪崩偏压状态，施加偏压大小的设定，需要保证各通道暗电流噪声RMS值小于150微安。
一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1、菲涅尔透镜收集150nm~600nm波段范围内的局部放电发射光子，并将收集的光子导入匀光器；
步骤2、匀光器将接收到的光子均匀平行地导入荧光晶体阵列；
步骤3、荧光晶体阵列对导入的不同波段光子进行吸收，并激发为400nm~600nm范围内的荧光波段光信号；
步骤4、雪崩光电二极管阵列接收荧光晶体阵列产生的荧光波段光信号，并将光电信号转换为电流信号输入至I-U转换放大器；
步骤5、I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器；
步骤6、多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过菲涅尔透镜和匀光器收集局部放电产生的光谱范围为150nm~600nm内不同波段的光子，并均匀平行地导入荧光晶体阵列，将光子激发为400nm~600nm范围内的荧光波段光信号，由雪崩光电二极管面阵接收并转换为电流信号，然后分别经由多通道I-U转换放大器和多级积分器处理，从而实现了局部放电发射光谱内的多个波段光子向荧光波段的分波段转置，提高了光电转换效率，为局部放电多光谱信号采集提供更高效的前端装置。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为本发明多级积分器的电路图；
图3为本发明荧光晶体阵列各光导吸收光谱曲线图；
图4为本发明荧光晶体阵列各光导激发光谱曲线图；
图5为本发明同步追踪实际局部放电得到的三个通道的荧光脉冲图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，如图1所示，包括菲涅尔透镜、匀光器、荧光晶体阵列、雪崩二极管阵列、I-U转换放大器和多级积分器，所述菲涅尔透镜、匀光器、荧光晶体阵列依次为光路的轴向排列，前述光线由荧光晶体阵列入射到对应的雪崩二极管阵列，I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器，多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入。
菲涅尔透镜的制作材料为熔融石英，用于收集局部放电所产生的光谱范围在150nm~600nm内的光子，并在150nm~600nm波段范围内的透光率不低于90%，有效视场角不低于120°，很大程度上降低了光子收集过程中的光子损失率。
匀光器用于改善由菲涅尔透镜聚光光斑的辐照度的均匀性，使得后续各荧光晶体阵列所接收的光斑强度均匀分布，匀光器的输出截面为方形或矩形，输出截面边长为荧光晶体截面边长的整数n倍，保证各荧光晶体上光子的均匀分布且各个荧光晶体上接收的光强度相同，并且在150nm~600nm波段范围内总体光损耗小于0.5dB。
荧光晶体阵列由至少两个独立荧光晶体组成，用于吸收经由匀光器传来的不同波段下的光子，并将其激发为400nm~600nm波段范围内的荧光波段光信号。荧光晶体阵列与匀光器或雪崩二极管阵列的连接截面不大于雪崩二极管阵列受光区域。独立荧光晶体的吸收光谱包含于150nm~600nm波段范围内，并且各个独立荧光晶体吸收光谱中心波段差异≥100nm，吸收光谱波段宽度≥50nm；各个独立荧光晶体激发光谱都应包含于400nm~600nm范围内，激发光谱中心波段处于500nm±25nm范围内，各独立荧光晶体侧面之间保持0.09mm-0.11mm的气隙。
雪崩二极管阵列为至少由两个盖革雪崩型光电二极管面阵构成的平面阵列，用于接收荧光波段光信号，并通过光电转换将其转换为电流信号。各个盖革雪崩型光电二极管够独立接收光子和光电转换，雪崩型光电二极管面阵光电响应波段至少覆盖400nm~600nm范围，并在400nm~600nm范围内的光量子效率≥30%，光电增益≥5E5。
I-U转换放大器用于将雪崩光电二极管阵列输出的多路电流信号转换为多路快速电压脉冲信号。其模拟响应带宽覆盖0.5MHz~100MHz，放大增益≥20dB，信噪比≥40dB，通道数量≥光电二极管面阵数量。
多级积分器用于将多路快速电压脉冲信号转化为多路慢脉冲信号，如图2所示，包括至少两级肖特基充放电回路，第一级回路的充电回路导通情况下时间常数τc1≤10ns，第一级回路的放电回路时间常数τd1≥1μs，第二级回路的充电回路导通情况下时间常数τc2≤0.5μs，第二级回路的放电回路时间常数τd2≥50μs。
雪崩二极管阵列各个通道均保持临界雪崩偏压状态，施加偏压大小的设定，需要保证各通道暗电流噪声RMS值小于150微安为原则，可以通过实验进行确定。
一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1、菲涅尔透镜收集150nm~600nm波段范围内的局部放电发射光子，并将收集的光子导入匀光器中；
步骤2、匀光器将接收到的光子均匀平行地导入荧光晶体阵列；
步骤3、荧光晶体阵列对导入的不同波段光子进行吸收，并激发为400nm~600nm范围内的荧光波段光信号；
步骤4、雪崩光电二极管阵列接收荧光晶体阵列产生的荧光波段光信号，并将光电信号转换为电流信号输入至I-U转换放大器；
步骤5、I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器；
步骤6、多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入。
如图3所示，为用于多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置的荧光晶体阵列（以三个荧光晶体构成的阵列为例）的各光导吸收光谱曲线，具体地，晶体1、晶体2和晶体3的中心吸收光谱分别为297nm、255nm和218nm。
如图4所示，为用于多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置的荧光晶体阵列（以三个荧光晶体构成的阵列为例）的各光导的激发光谱，具体地，晶体1、晶体2和晶体3的中心激发光谱，由图可知经光导阵列处理后，可将原本紫外不同波段的放电光辐射信号均转置到雪崩光电面阵的中心响应波段范围内，即450nm～550nm，从而获得相比不经过荧光晶体阵列更高的光电转换效率。
如图5所示，为采用多波段荧光装置的局部放电光辐射检测装置，同步跟踪实际局部放电得到的三个通道的荧光脉冲结果，该结果由多路AD采集卡对多波段荧光转置局部放电光辐射检测装置的模拟输出信号进行采集后得到，实现了局部放电发射光谱内的多个波段光子向荧光波段的分波段转置，提高了光电转换效率，为局部放电多光谱信号采集提供更高效的前端装置。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：包括菲涅尔透镜、匀光器、荧光晶体阵列、雪崩二极管阵列、I-U转换放大器和多级积分器，所述菲涅尔透镜、匀光器和荧光晶体阵列依次为光路的轴向排列，光线由荧光晶体阵列入射到对应的雪崩二极管阵列，I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器，多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入，其中，荧光晶体阵列由至少两个独立荧光晶体组成，并且荧光晶体阵列与匀光器或雪崩二极管阵列的连接截面不大于雪崩二极管阵列受光区域，独立荧光晶体的吸收光谱在150nm～600nm波段范围内，并且各个独立荧光晶体吸收光谱中心波段差异≥100nm，吸收光谱波段宽度≥50nm；各个独立荧光晶体激发光谱均在400nm～600nm范围内，激发光谱中心波段处于500nm±25nm范围内，各独立荧光晶体侧面之间保持0.09mm～0.11mm的气隙。
2.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜的制作材料为熔融石英，并且150nm～600nm波段范围内菲涅尔透镜的透光率不低于90％，有效视场角不低于120°。
3.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述匀光器的输出截面为方形或矩形，输出截面边长为荧光晶体截面边长的整数倍，并且在150nm～600nm波段范围内总体光损耗小于0.5dB。
4.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述雪崩二极管阵列为至少由两个盖革雪崩型光电二极管面阵构成的平面阵列，各个盖革雪崩型光电二极管独立接收光子并进行光电转换，雪崩型光电二极管面阵的光电响应波段至少覆盖400nm～600nm范围，并在400nm～600nm范围内的光量子效率≥30％，光电增益≥5E5。
5.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述I-U转换放大器的模拟响应带宽覆盖0.5MHz～100MHz，放大增益≥20dB，信噪比≥40dB，通道数量≥光电二极管面阵数量。
6.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述多级积分器包括至少两级肖特基充放电回路，第一级回路的充电回路导通情况下时间常数τc1≤10ns，第一级回路的放电回路时间常数τd1≥1μs，第二级回路的充电回路导通情况下时间常数τc2≤0.5μs，第二级回路的放电回路时间常数τd2≥50μs。
7.根据权利要求1所述的一种多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置，其特征在于：所述雪崩二极管阵列各个通道均保持临界雪崩偏压状态，施加偏压大小的设定，需要保证各通道暗电流噪声RMS值小于150微安。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的多波段荧光转置的局部放电光辐射检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、菲涅尔透镜收集150nm～600nm波段范围内的局部放电发射光子，并将收集的光子导入匀光器；
步骤2、匀光器将接收到的光子均匀平行地导入荧光晶体阵列；
步骤3、荧光晶体阵列对导入的不同波段光子进行吸收，并激发为400nm～600nm范围内的荧光波段光信号；
步骤4、雪崩光电二极管阵列接收荧光晶体阵列产生的荧光波段光信号，并将光电信号转换为电流信号输入至I-U转换放大器；
步骤5、I-U转换放大器将输入的电流信号转化为多路快速电压脉冲信号并输入多级积分器；
步骤6、多级积分器将多路快速电压脉冲信号处理为多路慢脉冲信号输入。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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