CN113848438A - 一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，包括以下步骤：优化积分球结构，去除样品绝缘纸及积分球探测器的凹进情况；开启光谱仪，在不开光源的情况下，采集光电转换模块暗噪声；开启光源，采集积分球开口处的积分球暗读数以及参比光谱；基于积分球，采集样品绝缘纸的初始红外光谱数据；根据光电转换模块暗噪声，通过积分球暗读数以及参比光谱，对初始红外光谱数据进行吸收误差矫正后，剔除经过误差矫正后的红外光谱数据中的异常样本，获得绝缘纸红外光谱；本发明所提出的方法，能一定程度减少绝缘纸红外光谱采集过程中的系统误差，与直接使用通用型光谱仪采集相比，得到的红外数据质量更高，具有更优的采集效果。

Description

一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法
技术领域
本申请涉及电力变压器检测技术领域，具体而言，涉及一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法。
背景技术
电力变压器承担着电力运输的关键任务，是输配电网的核心设备，保证变压器稳定可靠的运行十分关键。目前，油浸式绝缘是电力变压器主要的绝缘形式，它是由绝缘纸与绝缘油相互配合组成。变压器运行过程中，存在大量电能耗散为热能，导致油浸式电力变压器的运行温度较高，并与局部放电、机械应力等协同作用，使绝缘纸加速老化，绝缘性能下降。而绝缘纸不同于绝缘油，在设计之初就未考虑更换，因此，绝缘纸的寿命决定了整个变压器的寿命。
近几年，国内外专业人员提出了通过红外光谱判断绝缘纸老化状态的方法。相较于传统的方法，红外光谱方法可以快速无损的检测绝缘纸的老化状态。此方法需要使用光谱采集装置进行光谱的采集，分析的准确性与光谱采集的质量与稳定性密切相关。
目前，尚未有专用于绝缘纸红外光谱的采集装置，国内外的通用型红外光谱仪对绝缘纸进行红外光谱采集时系统的不稳定性高，存在大量可能产生系统误差的设计缺陷。厂家在设计之初使用积分球来进行混光以消除被测样本受光面不均匀以及偏振的影响，但其并未考虑在进行绝缘纸红外测量时，积分球引入的其他测量误差，包括但光束样品的吸收误差、暗读数误差，样品凹陷误差，探测器凹进误差，以及镜面反射等误差。同时，便携式漫反射型红外光谱仪的另一大系统误差来源是光电响应模块，其测量稳定性主要受热电子噪声的影响。目前，国内开发的通用型光谱仪精确度上受制于光学器件及光电转化模块的精度或称分辨率，往往致力于开发波长分辨率更优，性能参数更突出的光谱仪器，并无针对绝缘纸的光学结构设计以及消噪方式改进。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，以解决通用型光谱仪在绝缘纸红外采集时的系统误差问题。
本发明是以如下技术方案实现的：
S1.优化积分球结构，去除样品绝缘纸及积分球探测器的凹进情况；
S2.开启光谱仪，在不开光源的情况下，采集积分球的光电转换模块暗噪声；
S3.开启光谱仪，在开启光源的情况下，采集积分球开口处的积分球暗读数以及参比光谱；
S4.基于积分球，采集所述样品绝缘纸的初始红外光谱数据；
S5.根据所述光电转换模块暗噪声，通过所述积分球暗读数以及所述参比光谱，对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正后，剔除经过误差矫正后的所述红外光谱数据中的异常样本，获得绝缘纸红外光谱。
优选地，在步骤S1中，通过将光源光轴与所述样品绝缘纸的镜面反射法线重合，优化所述积分球结构。
优选地，在步骤S3中，通过使用吸光阱采集所述积分球开口处的积分球暗读数，其中，所述吸光阱由高光吸收率、极低反射比的材料涂覆而成，用于通过吸收入射光线，测量光源散射的暗读数。
优选地，所述吸光阱为圆柱形吸光阱，材料为金属或玻璃，所述圆柱形吸光阱的内部包括圆锥结构，内壁涂有黑色无光漆，整体反射比小于0.1％。
优选地，所述圆锥结构的圆锥高长度与圆锥底面直径长度的第一比例为1:1.1-1.5；
所述吸光阱的长度与所述圆锥高度的第二比例为1.5-2:1；
所述圆锥地面直径长度与积分球直径长度的第三比例为1-1.5:1。
优选的，所述第一比例为1:1.1；
所述第二比例为1.9:1；
所述第三比例为1.2:1。
优选地，对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正的过程中，所述吸收误差矫正的方法包括：
Figure BDA0003255198370000031
其中，ps(λ)为矫正后的反射比，R(λ)为矫正前的反射比，pw(λ)为积分球壁的反射比，pr(λ)为参比白板的反射比，fs为采集孔面积与积分球内壁面积比，fi为其他开孔与积分球总面积比。
优选地，其他开孔的反射比为0。
优选地，在步骤S5中，所述异常样本的剔除方法包括：
Figure BDA0003255198370000041
其中，
Figure BDA0003255198370000042
为马氏距离，S为样本的协方差矩阵，a为样本，
Figure BDA0003255198370000043
为所有样本的均值向量。
优选地，将马氏距离按数值进行排序，如果数值超过阈值，则a为异常样本。
本发明公开了以下技术效果：
1、本发明所提出的方法，能一定程度减少绝缘纸红外光谱采集过程中的系统误差，与直接使用通用型光谱仪采集相比，得到的红外数据质量更高，具有更优的采集效果。
2、采用本发明提出的吸光阱，可以一定程度上弥补探测器的设计缺陷，常规采集技术及采集设备并不采用专门的吸光阱。
3、本发明给出的异常样本剔除方法，可以有效剔除异常样本，减少人为或环境对光谱收集造成的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的光谱收集前和光谱收集中的过程流程示意图；
图3为本发明实施例提供的改进后的探测器、样本凹进示意图；
图4为本发明实施例提供的光吸收阱三视图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参照图1-图4，本发明提供了一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，包括以下步骤：
S1.优化积分球结构，去除样品绝缘纸及积分球探测器的凹进情况；示例性地，对积分球结构优化，即光轴与出射孔垂直，然后检查积分球是否有样品及探测器凹进情况，如有则进行去除。
S2.开启光谱仪，在不开光源的情况下，采集积分球的光电转换模块暗噪声；示例性地，打开光谱仪，在不开光源的情况下进行光电转换模块暗噪声读取。
S3.开启光谱仪，在开启光源的情况下，采集积分球开口处的积分球暗读数以及参比光谱；示例性地，开启光谱仪，打开光源，将光吸收阱置于积分球开口处，进行积分球暗读数采集。
S4.基于积分球，采集所述样品绝缘纸的初始红外光谱数据；示例性地，移走光吸收阱，将标准比色板至于积分球开口处测定参比光谱。
S5.根据所述光电转换模块暗噪声，通过所述积分球暗读数以及所述参比光谱，对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正后，剔除经过误差矫正后的所述红外光谱数据中的异常样本，获得绝缘纸红外光谱。示例性地，选择经过老化之后的牛皮绝缘纸作为测试样品，置于积分球开口处，测量其红外光谱，重复测量20次以上，将光谱数据导出，使用单光束样品吸收误差矫正方法，将收集的光谱S1-Si进行单光束样品的吸收误差矫正，将矫正后的光谱使用多次测量剔除异常样本方法进行异常样本的剔除。最终得到质量较高的绝缘纸光谱。
进一步地，在步骤S1中，通过将光源光轴与所述样品绝缘纸的镜面反射法线重合，优化所述积分球结构。
进一步地，在步骤S3中，通过使用吸光阱采集所述积分球开口处的积分球暗读数，其中，所述吸光阱由高光吸收率、极低反射比的材料涂覆而成，用于通过吸收入射光线，测量光源散射的暗读数。
进一步地，所述吸光阱为圆柱形吸光阱，材料为金属或玻璃，所述圆柱形吸光阱的内部包括圆锥结构，内壁涂有黑色无光漆，整体反射比小于0.1％。
进一步地，所述圆锥结构的圆锥高长度与圆锥底面直径长度的第一比例为1:1.1-1.5；
所述吸光阱的长度与所述圆锥高度的第二比例为1.5-2:1；
所述圆锥地面直径长度与积分球直径长度的第三比例为1-1.5:1。
进一步地，所述第一比例为1:1.1；
所述第二比例为1.9:1；
所述第三比例为1.2:1。
进一步地，对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正的过程中，所述吸收误差矫正的方法包括：
Figure BDA0003255198370000071
其中，ps(λ)为矫正后的反射比，R(λ)为矫正前的反射比，pw(λ)为积分球壁的反射比，pr(λ)为参比白板的反射比，fs为采集孔面积与积分球内壁面积比，fi为其他开孔与积分球总面积比。
进一步地，所述其他开孔的反射比为0。
进一步地，在步骤S5中，所述异常样本的剔除方法包括：
Figure BDA0003255198370000072
其中，
Figure BDA0003255198370000081
为马氏距离，S为样本的协方差矩阵，a为样本，
Figure BDA0003255198370000082
为所有样本的均值向量。
进一步地，将所述马氏距离按数值进行排序，如果数值超过阈值，则a为异常样本。示例性地，阈值的设置由工作人员根据实际情况进行设定。
具体的，本方法包括光谱收集前，光谱收集中两个递进的过程。
在光谱收集前，镜面反射容易造成采集后样本吸光度变小，要消除镜面反射，目前多采用两种手段：0/d条件，即光源光轴与样品镜面反射法线重合，即可使得镜面反射成分沿着光路反射回去；d/0条件，光源光轴与样品，的法线呈一定角度，一般为6度或8度，并在积分球壁反射点处置光吸收阱，吸收镜面反射成分。对积分球结构的优化，单光束检测为了消除其检测样品镜面反射至积分球表明带来的误差，参考0/d条件，将光源光轴与样品的镜面反射法线重合。
由于探测器及样品凹进将导致光的散射与收集效率降低，影响红外吸收强度的测量，为了消除积分球样品及探测器凹进造成的光线收集不充分，需要进行结构改进，优化前及优化后的积分球结构如图3所示，因此，按照图3所示，调节探测器及样品与积分球壁的接触位置即可消除探测器及样品凹进导致的系统误差。
在光谱收集中，吸光阱是由高光吸收率、极低反射比的材料涂覆而成，可以吸收几乎全部的入射光线，用以测量光源散射的暗读数，在照明光束会以角度的散射，散射光不经过样品，直接射向积分球壁，这将导致测量误差。
对单光束样品吸收误差矫正
单光束测量指的是当光谱采集设备光源及采集点只有一条光路时，参照标准光谱与待测样品光谱需要一次放在同一个采集点进行测量。如果光谱采集设备使用了积分球结构，则会由于参比白板与样本的光吸收比差异，使积分球壁的平均效率发生变化，进而产生单光束样品的吸收误差。因此，进行反射比的矫正方法为：
Figure BDA0003255198370000091
其中，ps(λ)为矫正后的反射比，R(λ)为矫正前的反射比，pw(λ)为积分球壁的反射比，pr(λ)为参比白板的反射比，fs为采集孔面积与积分球内壁面积比，fi为其他开孔与积分球总面积比。公式假设其他开孔的反射比为0，矫正后反射比与目前的光谱数据转换为同样的反射比单位进行相乘，得到最终的光谱数据。
进行多次测量剔除异常样本
由于便携式红外光谱仪样品光谱收集过程易受到人员操作、探测器温度、等因素的影响，易产生误差，因此，需要对样品进行20次以上的扫描记录。
进行马氏距离的测量
对于一个多维数据D，假设
Figure BDA0003255198370000092
是均值向量，那么，对于数据集D中，其它对象a，从a到
Figure BDA0003255198370000093
的马氏距离为：
Figure BDA0003255198370000094
其中，
Figure BDA0003255198370000101
为马氏距离，S为样本的协方差矩阵，a为样本，
Figure BDA0003255198370000102
为所有样本的均值向量。将马氏距离按数值进行排序，如果数值超过阈值，则a为异常样本。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.优化积分球结构，去除样品绝缘纸及积分球探测器的凹进情况；
S2.开启光谱仪，在不开光源的情况下，采集积分球的光电转换模块暗噪声；
S3.开启光谱仪，在开启光源的情况下，采集积分球开口处的积分球暗读数以及参比光谱；
S4.基于积分球，采集所述样品绝缘纸的初始红外光谱数据；
S5.根据所述光电转换模块暗噪声，通过所述积分球暗读数以及所述参比光谱，对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正后，剔除经过误差矫正后的所述红外光谱数据中的异常样本，获得绝缘纸红外光谱。
2.根据权利要求1所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
在步骤S1中，通过将光源光轴与所述样品绝缘纸的镜面反射法线重合，优化所述积分球结构。
3.根据权利要求1所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
在步骤S3中，通过使用吸光阱采集所述积分球开口处的积分球暗读数，其中，所述吸光阱由高光吸收率、极低反射比的材料涂覆而成，用于通过吸收入射光线，测量光源散射的暗读数。
4.根据权利要求3所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
所述吸光阱为圆柱形吸光阱，材料为金属或玻璃，所述圆柱形吸光阱的内部包括圆锥结构，内壁涂有黑色无光漆，整体反射比小于0.1％。
5.根据权利要求4所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
所述圆锥结构的圆锥高长度与圆锥底面直径长度的第一比例为1:1.1-1.5；
所述吸光阱的长度与所述圆锥高度的第二比例为1.5-2:1；
所述圆锥地面直径长度与积分球直径长度的第三比例为1-1.5:1。
6.根据权利要求5所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
所述第一比例为1:1.1；
所述第二比例为1.9:1；
所述第三比例为1.2:1。
7.根据权利要求6所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
对所述初始红外光谱数据进行吸收误差矫正的过程中，所述吸收误差矫正的方法包括：
Figure FDA0003255198360000031
其中，ps(λ)为矫正后的反射比，R(λ)为矫正前的反射比，pw(λ)为积分球壁的反射比，pr(λ)为参比白板的反射比，fs为采集孔面积与积分球内壁面积比，fi为其他开孔与积分球总面积比。
8.根据权利要求7所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
所述其他开孔的反射比为0。
9.根据权利要求1所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述异常样本的剔除方法包括：
Figure FDA0003255198360000032
其中，
Figure FDA0003255198360000033
为马氏距离，S为样本的协方差矩阵，a为样本，
Figure FDA0003255198360000034
为所有样本的均值向量。
10.根据权利要求9所述一种基于电力变压器的绝缘纸红外光谱采集方法，其特征在于：
将所述马氏距离按数值进行排序，如果数值超过阈值，则a为异常样本。
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