紫外检测器

2024-06-10

紫外检测器（精选9篇）

紫外检测器篇1

0 引言

随着环境污染越来越严重,高压电气设备在长期运行的过程中,绝缘性能势必会大幅度下降。愈加恶化的绝缘状况必将造成设备故障[1],引起功率损耗或者电力中断,造成重大电力事故。当设备绝缘性能下降,会出现电晕放电现象。为了保障电力系统的稳定运行和一些重要的电气设备,对设备的绝缘状况进行实时监测显得尤为重要。

近年来,紫外检测已经成为检测电晕放电故障的新技术[2]。利用紫外成像技术,检测电气设备局部放电过程中辐射出的紫外线。利用计算机技术对采集到的紫外图像进行图像灰度、二值化、中值滤波、锐化等相关处理,然后与可见光图像进行融合,能够实现对放电故障点的精确定位。然而,对电晕放电量化等级方面的研究甚少。

以往的研究仅仅是根据高压设备的绝缘故障情况对电力系统稳定性及破坏程度的大小,一般定性的分为三类:一般故障、严重故障、紧急故障。但是以上的绝缘故障状态评定方式缺少定量化的明确标准,且往往发生一般性缺陷的情况占大多数,难以通过定性给定准确的故障评估大小,因此对一般性的缺陷的绝缘故障状态的量化评估就显得尤为必要。本文利用Delphi软件对采集到的电晕图像进行处理后作为分级数据,采用遗传算法的投影寻踪理论,建立设备放电状态模型。应用MATLAB软件进行仿真分析。结合实例的实验结果也达到了预期的效果,能够实现对设备出现故障时电晕放电的量化分级。

1 电晕放电紫外图像采集与处理

数字图像处理是应用计算机程序对数字图像进行不同方面的处理,利用计算机程序对像素进行编程,达到处理图像的目的。Delphi软件编程语言是Pascal语言,其具有可读性好、容易编写,很适合作为开发工具,而且Delphi在图像处理方面拥有强大的功能。本文所处理的紫外图像都是在Delphi环境下进行的。紫外图像的处理过程如图1 所示,对紫外图像进行数字图像处理的最终目的是提取放电目标对象,为故障定位和故障状态模式识别提供依据。经过紫外成像系统采集到的紫外图像首先要过灰度处理,把彩色图像转换为灰度图像,统计出每一个灰度级上像素点的个数,然后将像素点数目绘制出来,取一个合适的像素点做下一步二值化过程中的阈值,这样就可以将目标与背景很清楚地分离开。经过图像二值化处理之后的图像的几何性质只与0 或1 有关,不用再去考虑像素具体的值。采集到目标图像的轮廓往往比较模糊,经过图像的锐化和中值滤波去噪处理后,图像所具有的信息易于人观察,而且其边缘和轮廓线变得比较清晰,为后续的研究提供方便。图像在采集或者传输的过程中,可能存在各种寄生效应,将会受到噪声的干扰,中值滤波是把数字图像中的一点的值用该点的一个领域的各个点的值的中值代替,中值滤波之后,有效的除去噪声干扰点,起到去噪的效果。

本文的紫外图像均是利用一种单通道日盲紫外成像系统[3,4]进行采集的,利用240 nm~280 nm这一日盲波段,借助高分辨率镜头、中心波长为254 nm的窄带日盲滤光片和外部采集盒进行图像采集。由于高压放电具有一定的不确定性,不是均匀的放电现象,所以几组图片作为诊断的依据,并不能很好的反映现实状况。因此需要根据放电状态,对同一处的故障放电状态进行长期监测,观察记录。由于一些外界因素会造成紫外成像的噪声污染,紫外图像部分信息和特征不是很突出,紫外成像信号周围也有干扰,这就需要通过图像处理来提取对象。利用Delphi开发工具实现对紫外成像图进行处理,将彩色图像转换成灰度,经过二值化处理,使得图像不再涉及像素的灰度值,去噪的作用就是处理图像的小白点的干扰,特征提取最后剩下的区域即为放电图像。如图2 所示,保存不同时期的电晕放电紫外图像。本文把采集到的不同时期的放电图像,选取45 组作为输入样本。统计出图像的平均放电面积、最小和最大放电面积和放电范围(紫外电晕图片上所展示的所有白点的范围面积)。这4 个特征向量作为输入样本的基本数据。

2 基于投影寻踪理论的模式识别等级模型

投影寻踪法具有全局搜索能力强、可规模化等优点,因此本文采用其进行投影优化,建立投影寻踪等级模型,对放电故障进行量化分级。建立电晕放电量化评级的模型主要分为6 个阶段。第一阶段选定能够反映对象特性的特征向量,并建立科学的特征向量体系。第二阶段,建立量化分级标准及分级处理。第三阶段,根据随机分布的原理,在各特征向量的等级范围内生成投影向量。第四阶段,投影目标函数的建立。第五阶段,对目标函数运用遗传算法进行优化,找出其最佳投影值。最后,根据评估等级与最佳投影值的关系建立电晕放电量化评级模型。

为消除各特征向量的量纲和统一各特征向量值的变化范围,需要进行极值归一化处理。如式(1)和式(2)所示,越大越优的特征向量:

越小越优的特征向量:

其中:xmax(j),xmin(j)分别为第j个特征向量值的最大值和最小值,x(i,j)为特征向量特征值的归一化的序列。

投影寻踪的方法就是把p维数据{x(i,j)| j=1,2,… ,p}综合成以a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}为投影方向的一维投影值z(i):

构造投影目标函数Q(a):

其中:Sz为投影值z(i)的标准差,Dz为投影值z(i)的局部密度,Rzy为z(i)与y(i)的相关系数。

其中:Ez为{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值,Ey为{y(i)|i=1,2,…,n}的平均值。

当各指标值得样本集给定时,投影指标函数Q(a)只随投影方向a的变化而变化。此时用格雷码加速遗传算法优化投影方向投影目标函数值随投影方向变化,通过求解投影目标函数最大值可估计出最优投影方向,即最大化目标函数:

格雷码加速遗传算法包括6 步:1) 变量取值范围的编码;2) 初始化种群;3) 解码;4) 判断是否满足终止条件,若满足则输出最优解,不满足则算法转入步5);5) 对种群进行选择、杂交、变异生成新的种群,算法转入步2)进行迭代;6) 加速循环,选择第一次、第二次和第三次这3 次迭代中的优秀个体的变量范围作为新的变量取值范围,算法转入步1),由于优秀个体的变量范围越来越小,从而起到加速的作用。

3 应用MATLAB进行故障诊断仿真及实例分析

本文采用MATLAB软件进行分析。经过多次试验最终选定遗传算法参数:初始群体规模n=60,变异概率pm=0.08,交叉概率pc=0.80,最大遗传代数T=60。经过遗传投影得到最佳投影方向a*=[1.512,-1.240,0.536,1.178],将a*带入式(3)得到一维最佳投影值z(i)=1.512x(i,1)-1.240x(x,2)+0.536(x,3)+1.178(x,4)。

图3 为高压设备发生故障时采集到的电晕放电图像[5,6],经过Delphi软件进行数字图像处理。统计出该放电电晕图像的四个特征值,经过归一化处理后得到[0.684 93,0.684 921,0.685 185,0.732 347],将其代入到最佳投影方程可得0.700 1。代入式(10)可得为3.567 级,在第3 级与第4 级之间。其他放电电晕量化评估方法根据放电严重程度只能人为的分为4 种状态等级[7]。从1 级到4 级为由轻到重的放电严重程度。1 级表示已经存在微弱放电状态,应当引起注意。2、3 级表示已经存在故障,应当采取措施,避免造成电力事故。4 级状态存在发生非常严重的电力事故的风险,应当立刻采取措施。表1 为本文与其他等级评定方法的比较,自组织神经网络法[8]基于自组织特征映射神经网络强大的聚类学习能力构建的电晕状态评估模型,评估状态为3 级,通过MATLAB平台仿真测试表明该模型具有较高预测准确度和稳定性。模糊综合法是[9]利用模糊原理与层次分析法相结合的评价法,评估状态也为3 级。本文方法不仅可以判定等级,而且能反映处于该等级的程度,分辨力更高,评估结果更客观、合理。

由于评估等级为3.567 级,表示该高压电力设备存在放电故障,而没有得到及时处理,已经成为较严重的放电了。电力检修员工应立即进行电力设备的检修,避免造成更大的电力事故。

4 结论

随着电网的不断发展,输电电压已经跨入了特高压输电时代。高压设备和输电线路的电晕放电不光对环境造成影响,而且电晕放电时所产生的某些化学反应也是促成有机绝缘老化的重要原因之一,会加速设备的绝缘老化,造成电力事故。

本文采用紫外成像系统所采集的放电电晕图像,经过Delphi软件数字图像处理后,作为量化分级数据,利用遗传投影寻踪理论,建立量化等级模型。仿真实验验证了该识别方法能够有效地对电晕放电强度进行量化分级。电网工作人员能够根据电晕放电强度的大小诊断出故障,从而采取相应的措施,避免造成重大的电力事故。

参考文献

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紫外检测器篇2

紫外法检测预混料中VB2含量

采用紫外分光光度计检测维生素预混料及复合预混料中VB2的含量.该方法线性关系良好(r=0.9999),回收率为98.86%,操作简便,结果准确可靠.

作者：饶宏英阮静刘晓h Rao Hongying Ruan Jing Liu Xiaoyue 作者单位：天津正大饲料科技有限公司品管部刊名：饲料广角英文刊名：FEED CHINA 年，卷(期)：2009 “”(14) 分类号：S8 关键词：紫外分光光度计 VB2

紫外眼睛看宇宙篇3

紫外线的发现及早期探测

1801年德国物理学家里特发现硝酸银在蓝光和紫光下照射以后，会分解出黑色的金属银。于是他想到将硝酸银放到紫端以外试试看，令他惊喜的是，他看到了这种反应进行得更快了。这个实验结果证实了太阳光谱中紫外线的存在。

紫外线发现之后，人们首先想要观测的就是太阳的紫外辐射。

1880年，科学家们通过多年的高空气球探测，发现35千米以上的太阳紫外辐射异常强烈。进一步发现地球大气层的15～35千米范围内，有一层厚约20千米的臭氧层，是这个臭氧层将太阳紫外辐射几乎全部吸收了。

1920年，有科学家乘气球升到9千米高空准备拍摄太阳紫外照片，没有成功。1930年，又有人放飞无人气球到20多千米高空去拍摄，依然不成。直到1946年，美国海军研究实验室发射一枚高空火箭，升高到80千米，才终于获得人类第一张太阳紫外照片。

轨道天文台系列

空间科学的发展，为紫外天文学带来了勃勃生机。

从1966年4月到1972年8月，美国发射了一系列共3颗主要从事紫外探测的卫星，名为“轨道天文台”，简称“OAO”。轨道天文台担负的主要任务是在紫外波段巡视宇宙天体辐射源，测定其方向、强度和辐射谱特征，观测恒星、星云、星际物质、银河系和河外天体的紫外辐射状况。卫星长约3米，直径约2.1米，重2吨左右，运行在750千米高空的近圆形轨道上。

轨道天文台1号（OAO-1)于1966年4月8日上天后，因配置的电源失灵，发射2天后停止工作，没有得到任何信息。

轨道天文台2号(OAO-2)于1968年12月7日上天。它携有4架口径32厘米的望远镜，分别在1400、1500、2300和2600埃这4个紫外光谱区用紫外电视光度计对热主序星作紫外光度观测。有1架口径41厘米的反射镜，配上900～3000埃的宽带光度计，用来研究银河系内弥漫星云的紫外线辐射和星际物质吸收。还有4架口径20厘米的望远镜组用作恒星光度测量；2台恒星紫外端光栅分光计，用来研究1100～4000埃区域的光谱细节。

轨道天文台2号实现了对银河系的巡视，发现了银河系中5068个具有紫外辐射的天体。根据这些观测资料，1973年刊布了全世界第一份紫外巡天星表，列出了这些天体的位置、紫外辐射强度、光谱类型等。轨道天文台2号还发现在比2000埃更短的波长上，许多星系的亮度超出了天文学家原来的想象。轨道天文台2号的成功，真正揭开了紫外天文学的序幕。

轨道天文台3号(OAO-3)于1972年8月21日上天后不久，适逢伟大的天文学家哥白尼诞辰500周年，因而又被命名为哥白尼卫星。哥白尼卫星携带一架直径81厘米、f/20的卡塞格林望远镜和光栅光电分光计，主要目标是研究热星的紫外光谱；另外还有三架小型X射线望远镜。

哥白尼卫星获得了许多紫外星的光谱以及星际分子的光谱；探测到星际尘埃中有大量氢原子和重氢原子；发现了可能是超新星爆发或热星喷发物质形成的大范围气体云；更重要的是在天蝎座还发现了一个与一颗超巨星相伴的候选黑洞。

天空实验室

天空实验室（简称SL)是美国于1973年5月1日用大型火箭“土星5号”送上435千米高空的大型载人轨道空间站。天空实验室不像轨道天文台那样是以紫外探测为主，而是承担了许多种学科在内的多达270项各类科学试验的重任。而他们用太阳望远镜观测太阳并分别在光学、紫外、X射线波段拍摄了太阳活动照片多达18万幅。其中有一幅太阳紫外照片拍到了一个高达40万千米的巨大日珥，令人叹为观止。

国际紫外探险者

继轨道天文台之后，1978年1月26日又有一个新的紫外探测器进入环绕地球飞行的轨道。它就是美国航宇局、欧空局联合建造的“国际紫外探险者”，简称IUE。这是一颗地球同步卫星，卫星上载有一个口径45厘米的光学望远镜和紫外摄谱仪。

国际紫外探险者是一颗十分成功的卫星。它和美国航宇局地面跟踪站每天24小时都能保持联系，还可以和欧空局的控制中心每天联络10个小时。国际紫外探险者的预定寿命为3年，而事实上它大大地超过了原计划，正常地在太空中工作了十几年，送回了大量的多种天体的紫外分光和紫外测光资料，为紫外天文学作出了极大的贡献。

国际紫外探险者的预定探测目标包括各类恒星、活动星系、星际物质和太阳系内的天体等。通过它的探测，使早型星的研究进入了新的阶段；弄清了恒星色球和星冕之间过渡区的情况；发现了处于赫罗图中主序星之外的一些混杂恒星。它还探测到了用其它方法很难得到的宇宙元素丰度，发现了一种以前未曾见过的具有氖、镁、铝谱线的新星等等。国际紫外探险者得到的丰富且有价值的信息资料，都存入了美国航宇局戈达德飞行中心的档案馆中，以供天文学家继续分析研究，发挥更大的作用。

向远紫外波段进军

空间天文学中，紫外辐射的探测是很困难的，远紫外波的探测就更困难了。20世纪60年代到70年代，轨道天文台、天空实验室和国际紫外探险者在紫外天文探测方面已经取得了可观的进展。然而，这些探测器在紫外波段的工作波长大都长于1200埃，在100～4000埃广阔的紫外波段范围内还有短于1200埃的远紫外波段一直是一个空白。

这不仅是因为宇宙中星际气体对于波长从100～912埃的远紫外辐射的吸收非常严重，而且还因为可以用来制造紫外望远望成像系统和探测器的透射材料是非常有限的，能够用于远紫外波段的材料就更少了。

从20世纪80年代初期开始，美、澳、加的空间机构和欧空局就致力于远紫外波段空间探测方法的研究。

1992年6月美国航宇局发射了一颗极远紫外探索卫星，简称EUVE,由美国加州大学研制，由德尔它火箭发射，预期工作寿命3年。它利用6种不同的极远紫外波段滤光片和扫描成像系统，在极远紫外波段，即80～800埃范围内作巡天观测。可获得分辨率为6｀的全天亮源图，在这个尚未开垦的波段取得了较为详尽的全天资料。

继EUVE之后，1996年，美国又用德尔它火箭发射了一颗远紫外光谱探索卫星，简称FUSE。这颗卫星的设计思想早在80年代初即已提出，因为已有的紫外卫星都因镜面涂料的限制，在1200埃以下的远紫外波段不能很好地发挥作用，而在这一波段又存在着大量的原子吸收谱线，对研究宇宙元素丰度、星际介质和恒星大气都有相当重要的意义。

紫外检测器篇4

山西兆丰铝业氧化铝40万吨/年焙烧炉燃烧站以瓦斯气为燃料,正常生产每小时瓦斯气流量为10000~12000 m3/h,为了监视炉内燃烧状况,火焰的检测很重要,火焰检测器运行的好坏直接决定着焙烧炉的安全运行,特别是燃烧站启动、停止或调整生产负荷的过程中,由于进入炉内瓦斯气流量和助燃风流量配比控制不当而发生燃烧不稳定或灭火,此时火焰信号是安全联锁保护的重要联锁信号。法国Pillard公司的紫外线火焰检测器RUBY PACKSCAN可传达表示有火焰或无火焰的二进制安全信号,熄火的反映时间小于1s,符合燃气安全设备的相关标准EN298。

1 自检式火焰检测器的选用与工作原理

1.1 火焰检测器的选用

检测火焰的方法很多,如温度检测、紫外线检测、红外线检测、可见光检测等,当燃料(油、煤气、瓦斯气、天然气、煤粉等)燃烧时,火焰会产生一定强度的紫外线、可见光和红外线,其中紫外线最强且火焰一旦熄灭,紫外线即可消失,而且紫外线检测器稳定性好、灵敏度高抗干扰能力强,所以选用紫外线火焰检测器。

1.2 火焰检测器的组成与工作原理

紫外线火焰检测器由紫外线检测管、连续模式的自检装置、微处理器、显示面板等主要组件组成,详细结构如图1。

由于液体燃料火焰根部及周围可发出紫外线,尤其是气体燃料火焰内可发出性质稳定的紫外线,目前的火焰检测器就是通过检测这些紫外线(波长介于185~280nm)进行工作的。这种检测方式是通过UV紫外线检测管实现的,结构为玻璃管内部设置一对钨电极,相距十分之几毫米,两个电极之间加很高的电压300V,置于低压燃气中,紫外线可是玻璃管内的气体电离,从而在两个电极之间产生几毫安电流,有电流就表明有火焰产生。紫外线检测管的平均寿命为10000小时,为了确保火焰检测器工作的可靠性必须定期更换Pillard公司的R1868-01紫外线检测管。

1.填料密封盖;2.后盖;3.后部固定螺丝;4.125mA保险丝(用于4~20mA电流);5.IA保险丝(用于电源回路);6.处理器及自检装置;7.8个开关块;8.扁平电缆;9.IA备用保险丝;10.接头;11.UV检测管接头;12.UV检测管支架;13.UV紫外线检测管;14.机壳;15.前盖;16.六角螺栓(3个);17.空气密封垫;18.扫描支架;19.滚花螺栓

自检装置是一个具有专利技术的机械密闭装置,通过步进电机驱动,该步进电机本身没有机械制动器或复位弹簧,通过微处理器进行驱动。自检装置具有自动巡检机制,每秒覆盖观测孔3次,以确保自检工作正常。即便无火焰时,电离现象有时也会连续发生(比方说明使用了有缺陷的UV检测管),这样就会设备达不到安全使用水平,因此需要使用自检装置进行自检。该自检装置构成火焰检测的安全一次元件。

微处理器接收相应的信号输入,随之分析接收到的信号并对脉冲进行计数,该脉冲数量与接收到的紫外线数量相当。从微处理器输出的逻辑信号,对一个特别设计的装置发出指令,该装置可连续加载两种容量,每种容量的功能是使火焰继电器在工作位置(1或0)维持规定时长。根据相应容量,火焰继电器维持的时间,对于燃气来说应小于或等于1秒,对于液体燃料来说应小于等于3秒。这构成了火焰检测器的安全二次元件。

显示面板由一个八位字母数字显示器、两个LED指示灯组成。八位字母显示器由于现实火焰强度或无火焰信号;两个指示灯分别用于自检状态现实和有火焰显示。

3 故障分析与处理

3.1 检测不到火焰的原因分析与处理

出现检测不到火焰主要有以下几个原因:火焰检测器安装角度不合理、没有正对火焰根部、火焰检测器与火焰之间有遮挡物质、检测器探头试镜过脏等。

调试预处理:调整火焰检测器的安装角度,使视镜对准火焰的根部,视镜与火焰之间无遮挡物;视镜会因为燃料在燃烧时挥发出污染物质使检测器视镜粘污变脏,影响火焰信号的接收,必须定期擦拭视镜,保持视镜清洁透明。

3.2 检测器出现报警故障与处理

(1)“Def Tube”为紫外线检测管故障

(2)“Tp High”为温度缺陷,火焰检测器内部温度高于80℃。

(3)“Err Dial”为内部电子模块间通讯错误。

(4)“Err Drv”为步进电机管理错误(电机连接故障或元件有缺陷)。

调试与处理:

(1)“Def Tube”则需要更换R1868-01型号紫外线检测管

(2)“Tp High”缺陷大多数情况下是由于缺少冷却吹扫风造成环境温度过高而引起,调节冷却吹扫风流量,确保紫外线火焰检测器温度不高于80℃。

(3)出现“Err Dial”和“Err Drv”故障,则需要更换相应部件。

4 结语

通过对法国Pillard公司的紫外线火焰检测器RUBY PACKSCAN工作原理的分析及故障处理,确保了紫外线火焰检测器的准确、可靠运行,为焙烧炉的安全连锁提供了保障,达到了安全生产的目的。

参考文献

[1]黄晓玲《紫外型火焰检测器的研制》,仪器仪表学报第20卷5期,1999年10月.

紫外检测技术在云南电网的应用篇5

高压设备电气放电时, 根据电场强度的不同, 会产生电晕、电弧或闪络。在放电过程中, 空气中的电子不断获得和释放能量, 而当电子释放能量 (即放电) , 便会释放出紫外线。紫外线的波长范围是10nm~400nm, 太阳光中的紫外线由于地球的臭氧层吸收了部分波长的分量, 实际上辐射到地面上的太阳紫外线波长大都在300nm以上, 低于300nm的波长区间称为太阳盲区。阳光和电晕电磁波谱辐照度及波长的比较。

高压电气设备放电光谱波长范围为230nm~405nm, 其中240nm~280nm的光谱段称为太阳盲区, 在此波长范围内由太阳发射的紫外光量极低。装有太阳盲滤镜紫外成像仪, 可以在阳光底下探测到240-280nm的微弱电晕辐射, 接收设备放电时产生的紫外信号, 经处理后与可见光影像重叠, 显示在仪器的屏幕上。利用紫外成像仪 (工作波段在240nm~280nm之间) 来检测带电设备的电晕情况, 统计出单位时间内测得的紫外光子数, 以此确定电晕的位置和强度, 可为电气设备的状态监测提供依据。

2 紫外技术在电网的应用

2.1 导线电晕质检

采用紫外成像仪进行导线的电晕试验, 经过夜晚和白天的多次比较, 紫外成像仪观察导线的起晕情况与传统方法 (夜晚用望远镜观察) 基本一致, 紫外成像仪更准确和严格。

2.2 变电站电晕检测

对500kV变电站内35kV#0站用变高压侧电缆进线及PT柜发出的异常声响进行检测。

用紫外成像仪对故障柜进行了仔细的检查后, 未发现声响源。在柜内发现一个安全隐患, 35kV C相进线电缆头电晕较大。

经过分析和排查, 最后找到发出异常声响的是柜内一组电容器, 该电容器提供柜上信号电源同时作为接地刀闸的支柱, 型号为CG1 -35 , 电容量47μF。

2.3 线路检测及试验

通过检测可以直观的观测到放电源的位置, 并可估计出放电的强度。紫外检测技术的特点主要为:

1) 不停电、不改变设备运行状态下, 监测到设备的运行信息。

2) 以图像的形式, 直观形象地显示故障情况。

3) 仪器采集信息迅速, 为线路故障巡检提供了技术手段。

4) 电晕检测技术为设备状态检修提供了技术保障, 可发现早期故障。

3 影响紫外检测的因素

3.1 距离因素

检测距离对检测结果影响显著。当距离增加时, 检测视角将减小, 对应的灵敏度随之降低。理想条件下, 均匀介质中的点光源所发射光波的强度与距离的平方成反比。但实际条件与理想条件可能存在很大差别, 为了确定距离与电晕计数的关系, 模拟了一个点电晕源, 记录不同距离下的紫外计数和平均值。得到的规律为:放电计数与距离的平方近似成反比关系;随着距离的增大, 放电计数次数减小。此外也有放电计数与距离的一次方成反比关系, 随着距离的增大, 放电计数次数减小的报道。在实际应用中需要进一步总结。

3.2 增益的影响

紫外光谱在电晕光谱中所占比例较小, 经过仪器的光学系统传输, 最终到达CCD板的紫外光子数损失很多。为了提高仪器的灵敏性, 仪器内部对进入光学系统的紫外光子进行增益处理。增益后, 紫外计数的数值随之发生改变, 影响对电晕强度的评价。

通过实践总结, 在紫外计数小于200的情况下, 可选择高的增益大于150, 以便发现较弱的电晕源;紫外计数大于200小于5000时, 一般可在90-150区间选取增益, 方便比较。紫外计数大于5000时, 选取小的增益大于80, 以便避免紫外图像相互叠加, 从而准确定位电晕源。

3.3 气压和温度的影响

气压和温度的变化可改变空气的密度, 影响电离过程, 从而气压与温度的变化影响仪器采集到的紫外光子数量。一般情况下, 高气压、温度低条件下紫外计数要比低气压、高温度条件下的紫外计数低。

在实际应用中, 温度和气压的差异引起的偏差较小, 可能淹没在仪器本身的误差和测量的偏差中。因此, 一般不对气压和温度的差异进行修正。

3.4 湿度的影响

湿度的增加, 在有些情况下可降低电晕的强度;而在多数情况下, 湿度的增加会引起电晕强度的增长。由于污秽成分和湿润情况的不确定性, 目前还没有办法对它进行修正。

4 结束语

紫外成像技术是一种新的技术手段, 可以检测绝缘子、导线等电气设备的电晕情况。检测时, 不影响设备的运行状态, 安全可靠;仪器操作简便, 监测结果直观, 值得推广应用。

目前, 紫外成像技术只能做到定性检测, 还不能做到定量检测。同时, 仪器的检定还是一个未能解决的问题。在电网中, 紫外成像技术的应用将为设备的安全可靠运行提供强有力的技术支持。

参考文献

[1]马斌, 周文俊等.基于紫外成像技术的极不均匀电场电晕放电[J].高电压技术2006, 7.

基于紫外辐射的放电检测仪的研制篇6

关键词：电晕放电,紫外辐射,光电检测,滤光,光电倍增管

0 引言

电力设备的使用寿命通常取决于绝缘材料的电气绝缘强度, 设备绝缘会由于运转操作、使用时间、使用频度以及运行环境等影响而逐渐发生劣化, 进而引发故障或事故[1]。局部放电是造成绝缘劣化的主要原因, 目前已做了大量研究并提出了不少局部放电的检测方法, 紫外脉冲法[2]便是其中之一。

紫外脉冲法主要是通过检测设备放电产生的微弱紫外光脉冲数目, 定量地反映设备放电的强弱, 具有非接触、灵敏度高、检测距离远、安全、效率高等优点。但在采用紫外光功率法[3]进行研究时发现在一些放电很微弱的地方检测不到放电, 因而限制了仪器的适用范围。为了提高灵敏度, 本文采用了以光电倍增管为核心的紫外检测仪, 在试验室模拟放电试验并对青海官亭750kV变电站进行了实测, 以验证其检测能力。

1 基于光电倍增管的紫外检测技术

受制造工艺所限, 高压输电设备表面并不光滑, 布满微小突起, 加压后突起周围会形成强电场。当这些突起附近的电场强度超过空气的击穿场强 (30kV/m) 时, 就会发生电晕放电[4]。研究表明, 电晕放电的辐射光谱中含有160~280nm波长的紫外光成分, 可通过日盲型光电倍增管 (PMT) 对此波段光线进行放大, 对其它范围光线成分进行滤光抑制, 从而获得设备放电信息。光电倍增管工作原理如图1所示。

光电子经电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一倍增极, 以便发生二次电子发射, 产生多于光电子数目的电子流。每个光电子在倍增极上击出几个电子, 这些电子又被加速射向第二倍增极, 再经倍增射向第三倍增极, 连续地重复这一过程, 直到最后一个倍增极, 从而达到电流放大的目的。光电倍增管的阴极产生很小的光电子电流, 被放大成较大的阳极输出电流, 增益可达106~108, 光电倍增管在紫外光波段的量子转化率高达25%。

光电倍增管检测仪器的基本原理:在带电情况下, 选择对紫外光敏感的光电倍增管测量绝缘子表面的紫外放电情况, 能够有效地把紫外光信号转变为电信号;光放大器将采集的微弱光信号放大调整, 通过高速比较器将信号转换为数字信号, 再经单片机对此脉冲信号进行采集处理, 最后建立紫外光强度和电晕放电强度、测量距离之间的对应关系, 以确定放电的强弱。

2 紫外传感器管路设计与驱动

2.1 传感器光路设计

通过对高压放电辐射出的紫外光光谱和光电倍增管工作原理的分析, 设计了以光电倍增管为核心元件的紫外光测量电路。该电路主要由滤光模块、紫外传感器模块以及信号处理模块组成, 如图2所示。

绝缘子电晕放电发出的微弱紫外光经过日盲滤光片后进入黒匣中的光电倍增管, 经光电倍增管放大后以脉冲电信号输出。输出光电流送入信号及数字处理模块, 经过整流滤波和A/D转换后通入计数器完成脉冲计数, 以便定量分析。

2.2 滤光技术

为了保证光电倍增管接收到的紫外线信号免受日光和其它因素的干扰, 必须加装“日盲”紫外光滤光片来限制非“日盲”波段的光线。

滤光片的选择应综合考虑所选紫外光光源的光谱辐射能量分布和干扰源中紫外辐射的能量分布。根据实际情况, 选用了一种宽带滤光片———太阳盲滤光片, 其在整个光通范围内的透光百分比为10%~20%, 中心波长为254nm, 正好位于日盲区域, 半波通过20nm。它的波长定位精度、半波带宽精度、波形系数 (矩形化程度) 、峰值透射率等均达到国际同类产品水平。其带通特性如图3所示。

2.3 驱动模块

光电倍增管各倍增极的极间电压由包括一系列电阻的分压器来提供, 其驱动电路如图4所示。

光电倍增管阴极接电源负极, 阳极通过负载电阻RL接电源正极, 总电压U0通过分压网络R1~Rn+1加到各倍增电极上。通过R1的电流为 (I0-IK) , 因此R1两端的电压差为R1 (I0-IK) ;R2上的电压为R2 (I0-IKδ) , 依此类推, 分压电阻上的电压逐级升高。C0为隔直输出耦合电容。RL为负载电阻, 提供输出电压, 一般取数百千欧。

随着入射光通量的增加, 光电倍增管不断增加的阳极输出电流已接近流过分压器的电流值而趋于饱和。为此, 工作中一定要保证分压器电流达到光电倍增管可能达到的平均阳极电流的至少20倍以上。

2.4 信号前置放大

由于光电倍增管输出的信号电压过小, 因此需要对光电倍增管输出的信号进行放大处理, 放大电路如图5所示。

由于前置放大器的输入阻抗极大, 因此光电倍增管输出的电流IP全部进入反相放大器的输入端, 绝大部分的电流将会流过R7, 然后流出前置放大器的输出端。这样, 输出电压V0即为-R2·IP, R2为一个阻值为1kΩ的电位器, 检测过程中可依据光电倍增管输出的电流大小调节电位器, 以便与后续的窗口比较电路配合, 使单位时间内输出脉冲的个数能准确地反映实际情况。该电路的不足之处是, 前置放大器不能无限制地增大输出电压, 实际上最大输出电压约等于前置放大器的工作电压, 但它给测量带来的偏差在允许误差范围内。

如果考虑前置放大器的输入偏置电流IOS, 将其叠加进输入电流中, 则输出电压V0=-R7· (IP+IOS) 。此外, 温漂也会带来影响。基于此, R7采用温度系数较小的金属膜电阻。当需要探测低于100pA的电流时, 除了要考虑上述因素外, 整个电路所需材质也要认真选择, 例如不宜采用胶木, 而应选用特富龙、聚苯乙烯等材料。

3 信号处理电路

信号及数字处理模块以C8051F120单片机为核心, 经放大、比较和整形等预处理后的脉冲信号送入单片机, 完成脉冲计数。

3.1 窗口比较电路

窗口比较电路由精密基准电压源、电压比较器、与门组成, 如图6所示。

VCC提供+5V的稳定电压, 经精密电位器R8、R9分压得到下限基准电压和上限基准电压, 来自前置放大电路的光子脉冲电压通过电压比较器分别同上、下限基准电压比较。比较器的输出为TTL逻辑电平, 经过与门后的数字脉冲代表了高于下限低于上限的光子计数脉冲。

3.2 脉冲整形电路

窗口比较器输出的波形完全由光电倍增管信号决定, 满足窗口条件的信号脉冲宽度有宽有窄。如果脉冲过窄, 在经过长距离的信号传输后, 因高频损耗会导致脉冲边沿过缓而无法计数。为匹配前置电路和计数器电路, 在窗口比较输出极对光子计数脉冲整形, 产生与光子数对应的等宽度脉冲电路, 如图7所示。

带复位端的T′触发器和RC积分网络构成了一个单稳态触发器, T′触发器由JK触发器转换而来。窗口比较器输出信号作为触发器的时钟输入端。的稳态为1, 当每个有效时钟沿来临时, 状态翻转为0, U2A的3脚与同为低电平, 使C1通过R3对地放电, 放电时间常数由R3和C1的值确定。当C1两端电压低于TTL输入低电平最高值Vih时, 触发器清零, 珡Q返回稳态1, C1充电, 当电压高于Vih后触发器又可接收下一个时钟输入。通过调整R3和C1的值, 改变时间常数, 使输出脉冲满足计数器输入要求, 本系统中输出脉冲宽度调整为60ns。整形后的计数脉冲, 通过固定在机壳上的75Ω同轴线连接到计数器进行计数和采集。

3.3 脉冲计数

C8051F120单片机内部有5个计数器/定时器, 设计中主要应用了定时/计数器T0的定时功能和T2的捕捉功能。T2是带捕捉的16位计数器, 经预处理的脉冲信号由T2的输入引脚进入单片机, 每检测到一个脉冲, 寄存器加1;同时, 定时器T0开始定时, 当定时器溢出时产生中断, 执行中断程序把T2中寄存器的值装入到捕捉寄存器RCAP2H和RCAP2L中, 结果即为给定时间内绝缘子电晕放电的脉冲数。用计数器测得的脉冲数可用于对电气设备局部放电的诊断, 其对放电情况定量分析有着重要作用。

4 试验数据与分析

4.1 试验方法

将电火花发生器固定在离测量仪器的传感器 (即光电倍增管的滤光片) 1~8m等不同的距离, 以米为单位取8个测点, 将检测仪器的滤光片方向水平对准电火花光源, 保证入射光的平行进入。使用本文介绍的紫外脉冲法对检测到的脉冲个数进行计数, 设置计数时间为1s, 连续进行1min的测试, 将结果由串口发送至计算机后求出1s的脉冲均值, 同时记录下单位时间的最大测量值和最小测量值。

4.2 试验结果与分析

试验测量结果见表1。脉冲计数的测量结果随着距离增加而下降, 说明仪器采用光电倍增光作为传感器, 在使用紫外脉冲法进行测量时具有一定的脉冲线性度。但是分析具体的测量结果, 并没有在每个点严格符合光电效应第一定律, 即与距离的平方成反比。

分析其原因, 主要是因为紫外脉冲检测方式是以分辨脉冲幅值来进行的。为了甄别有用信号和干扰, 在比较器中设置了低电压阈值, 带来的不利影响是当测量距离增大, 很多有用信号的脉冲幅值降到一定数值, 即经过放大后仍小于低电压阈值时, 信号将被去除而不能检测到。试验显示, 距离在1m时, 检测到的脉冲个数很多;当距离变为2m时, 相当多的脉冲幅值迅速下降至阈值以下, 不能被检测到;此外, 在每次放电过程中, 往往带有几个脉冲尖峰, 比其它脉冲信号高很多, 尤其是放电的头脉冲;在2~6m, 主要是一部分尖峰脉冲被检测到, 其幅值很大, 即使下降几倍仍然超过阈值而被检测, 因此计数结果相差不大。用示波器观察记录放电产生的完整紫外脉冲波形如图8所示。

由图8可知, 在放电的头脉冲处, 幅值很大;随着放电距离的增加, 紫外辐射的整体能量是明显下降的, 但头脉冲的幅值下降却并不明显。这说明光电倍增管对放电所产生的紫外辐射的反应波形具有其自身的特点, 在用于紫外脉冲法的检测时有一定的局限性。

5 结束语

本文研制了一种基于紫外脉冲法的放电检测仪, 它采用极高灵敏度的紫外光传感器———光电倍增管 (PMT) 对电晕放电所产生的微弱紫外光信号进行检测。介绍了仪器的研制过程, 通过针板放电试验验证了仪器的放电检测能力, 并得出以下结论。

(1) 通过对信号脉冲整形, 提高了测量精度, 能线性地反映放电程度, 可设置一个阈值以配合保护系统一起使用。

(2) 采用极高灵敏度的紫外光传感器PMT提高了仪器灵敏度, 对脉冲进行累计使放电信息得以放大, 以往不能检测的微弱放电也能够检测, 增大了检测距离。

(3) 通过对试验结果的分析, 可以确定紫外辐射与局部放电之间的函数关系, 对放电情况定量分析有着重要作用, 提供了更准确的测量工具。

参考文献

[1]严障, 朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社, 2007

[2]张占龙, 王科, 唐炬, 等.变压器电晕放电紫外脉冲检测法[J].电力系统自动化, 2010 (2) :84~88

[3]汪金刚.高压设备放电紫外检测技术及其应用研究[D].重庆:重庆大学, 2008

紫外检测器篇7

关键词：紫外成像,棒-板间隙放电,光斑面积,最小二乘,量化

0 引言

紫外成像放电检测技术是一种方便快捷地非接触式带电检测方法。20世纪90年代末,美国、南非和以色列等国家的科研人员研制了日盲型紫外成像仪,例如有色列Ofil公司和美国电力科学研究院(EPRI)共同研发而成的Daycor紫外电晕成像仪,以及南非研发的CoroCAM系列紫外成像仪。自2002年以来紫外成像法在我国电力系统中有所应用,目前国内部分高校与相关的电力企业和科研院所联合开展了利用紫外成像技术检测放电的相关研究。结合近几年公开的研究资料可知,此方面的研究主要以应用研究、定性研究和模型研究为主。目前量化紫外成像特征参量主要是光子数,但该参数在实际应用中仍然存在一定的不足[1]。

紫外成像仪将放电现象以紫外图像光斑的形式表现出来,因此光斑的特征量与放电现象有着密切的关系[2]。本文在此提出了从图像处理的角度提取光斑面积来量化放电的新思路,并在此基础上定义了“光斑面积”参数。但由于紫外成像法在现场检测时其观测距离并不固定,而距离成像结果有着显著的影响,即使在同一放电强度下,不同距离下检测的结果也存在很大的差异,因而使得检测结果没有可对比性。

鉴于高压设备的电晕放电多发生在极不均匀电场中,因而本文选用棒一板间隙放电模型作为研究对象,使用南非CoroCAM系列紫外成像仪在不同放电强度和不同距离下观测棒一板间隙放电情况,得到大量试验数据,并对数据进行了曲线拟合分析,得到紫外成像光斑面积与距离之间的量化变化关系,根据实验所得的曲线提出了相应的光斑面积归一化经验公式,并在现场应用中证明了该方法的可行性。本文的相关研究成果可使得不同距离下的检测结果具有可对比性,对电气设备放电强度的量化分析具有借鉴意义[3]。

1 紫外图像处理及光斑面积提取

1.1 紫外图像处理原理

通过对紫外图像进行数字图像分析,便可以分割出光斑区域,从而统计出光斑区域中像素点的个数,其图像处理及参数提取的框图如图1所示[4]。

根据图像处理的方法,本文使用Delphi7编写了紫外图像处理软件,将每一幅RGB数字图像转换为灰度图像,放电区域图像的灰度值接近于255,而背景区域的灰度值一般远低于该值,为实现光斑区域的分割,采用动态阈值分割算法将图像转换为二值图像从而达到目的。

得到的二值图像中,白色图像包括放电区域和部分噪声点,但噪声区域图像包含的像素点个数一般远小于放电区域图像包含的像素点个数,为此采用二值数学形态学(Mathematical Morphology)的腐蚀和膨胀算法对图像进行了滤波处理,可以有效滤除噪声点,从而更加精确的确定放电区域图像的像素点个数[5]。

1.2 紫外图像光斑面积提取

放电强度越大,光斑面积越大,因此可以利用图像光斑面积的大小来表征放电强弱。二值图像在计算机中以矩阵的形式保存,每一个像素点对应一个灰度值,白色点的灰度值为1,黑色点的灰度值为0,因此只要统计出灰度值为1的白色区域内的像素点个数便可以表征出现光斑区域的大小,本文将光斑区域定义为“光斑面积”S,其计算如式(1)所示:

其中:M为二值图像矩阵的行数值,N为二值图像矩阵的列数值,B(x,y)为二合二值数学形态学滤波后的二值图像。根据上述定义可知,光斑面积S实际上是放电光斑区域像素点的个数,因此光斑面积的单位为像素(pixel)。

基于以上紫外图像处理原理及光斑面积的介绍,本文利用Delphi7软件编写了一个图像分析软件可以直接计算出现光斑面积S,处理效果如图2所示。

2 试验工作原理及方法

2.1 试验工作原理及接线

棒一板模型的试验接线图如图3所示,其中,工频高压由型号为HY-AC20的工频高压试验控制台提供,棒一板放电模型中的棒电极直径为3.2 cm,其头部为圆锥形,顶端半径约1.5 mm,板电极长宽均为1.5m,棒-板间距保持21.5 cm不变,紫外成像仪型号为南非COROCAM 504[6,7]。于分析放电的动态过程,输出的视频信号由外接的视频录制设备进行存储。

2.2 试验方法

(1)调节试验变压器,给棒一板间隙施加不同工频高压,分别为40 kV、50 kV、60 kV左右,在试验过程中保持施加电压稳定。

(2)保持紫外成像仪70%增益不变。棒一板间隙施加同一电压等级时,分别在不同距离下使用紫外成像仪录制放电情况,距离分别设置为4m、8m、12 m、16.5m、27m、41.5m。

(3)试验结束后,提取录制视频中的相关片段,用软件连续截图,并从中随机抽取20个截图用图像处理分析软件处理获得光斑面积,并求出其平均值。

(4)分析光斑面积与距离关系,基于最小二乘原理,找出合适的光斑面积与距离关系模型,使用Cftool工具箱实现对数据的拟合。

3 距离对光斑面积的影响及曲线拟合分析

3.1 距离对光斑面积影响及光斑面积求取

紫外成像仪拍摄的图像大小均为720×576像素,用Delphi 7编写的紫外图像分析软件可以计算光斑面积。观察紫外成像仪所拍图像上光斑面积S随观测距离D变化数据[8,9,10,11]。

由图4可以看出,在给棒一板间隙施加同一电压时,随距离的增大紫外成像显示的放电部位的光斑面积明显减小。

用Delphi 7编写的紫外图像分析软件对紫外图像进行数据处理,提取出不同距离(D)下平均光斑面积(S)大小(见表1、表2和表3)。

由表1、表2和表3的数据绘制曲线图如图5所示。

从图5中曲线趋势可以明显看出,光斑面积S随观测距离D的增加呈递减趋势,曲线整体呈现幂函数关系。大量试验数据表明,观测距离小于5 m时,由于紫外成像仪镜头对光线的折射作用会发生图像饱和现象,导致图像不能有效反应光斑面积的实际大小,因此在求取距离与光斑面积量化关系函数时要将4 m距离观测数据舍去。

3.2 距离与光斑面积量化关系函数求取

MATL AB软件中提供了强大的曲线拟合工具Cftool(Curve Fitting Tool),它可以将预拟合的数据以其所提供的任何一种拟合模型进行拟合,并可以将选取拟合模型下拟合的函数表达式求解出来,与此同时还会提供当前拟合模型情况下的拟合优度相关参数,这些参数可以帮助使用者快速的了解所选拟合模型下得到的函数曲线与实际数据的相关性,进而确定结果的合理性[12,13,14,15,16,17,18]。

由图5可以看出紫外图像光斑面积S与距离D成一定的幂函数关系,因此使用Cftool工具箱,选择幂逼近模型最为合适,拟合模型如式(2)所示:

拟合曲线如图6所示,拟合曲线函数表达式及确定系数如表4所示:

表4中的数据给出了出棒一板间隙施加不同电压时对应的拟合函数表达式,并给出相应拟合结果的确定系数R,可以看出这3种情况的R都在0.99以上,十分接近1,说明拟合后的函数曲线与实测数据相比具有很好的相关性,更证明所选的幂函数逼近模型符合数据整体分布规律。多次试验表明,幂函数模型中系数b介于-1.77至-1.78之间。

4 光斑面积参数的归一化

4.1 拟合曲线的统一函数表达式

由上述试验研究可知在不同的放电强度下各拟合函数的指数b并不相同但差异不大,为便于后续对光斑面积进行归一化处理,本文对各拟合函数的幂指数b进行了取平均值处理,这样光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式(3)所示:

为了验证式(3)对不同放电强度下的实验数据的拟合精度,本文再次利用拟合式(3)对图5中的光斑面积值与距离之间的关系进行了拟合分析,由40 kV、50 kV和59.8 kV数据所得拟合曲线的可决系数同样都非常接近于1,这说明采用式(3)的统一函数表达式对不同放电强度下的光斑面积的变化趋势进行拟合仍然具有很高的拟合精度。

4.2 光斑面积的归一化计算式

基于式(3)的拟合函数,本文提出的光斑面积归一化方法如下:对于光斑面积参数,假设在距离D下检测到的光斑面积值为S(D),现需将该值归一化到距离D0下,设在D0下的的值为S(D0),由于D0和S(D0)也近似满足于拟合函数式(3),也即有:

则由(3)和(4)两式可得归一化计算式如下所示:

5 现场应用

为验证该方法在现场应用的有效性,本文利用CoroCAM504紫外成像仪在某发电厂升压变电站进行了实际测试。某220 kV悬式瓷绝缘子串的高压侧存在一较稳定的电晕放电点,观测发现该放电点在高压侧的金具表面,由于金具的边缘的曲率过大,导致场强集中,形成了电晕放电现象,可将其近似等效为棒板间隙放电模型。保持紫外成像仪增益为70%不变,在观测距离分别为6 m、7.9m、10.9m、15.8m、23.0 m、28.5 m、35.2 m和39.1m的距离下录制了其紫外视频信号,部分典型绝缘子紫外图像如图7所示。

经计算得光斑面积S与距离D数据如表5所示:

利用Matlab中Cftool工具箱实现拟合函数的求取,拟合曲线见图8所示,量化函数表达式如表6所示。

从表6中确定系数R可以看出,0.9986十分接近1,说明现场数据拟合效果非常好,与实际情况吻合度高,幂函数系数b为-1.771也符合试验室中b在-1.770至-1.778之间范围内的结论,从而有力证明本文介绍方法在实际现场应用的可行性和可信度。

利用式(5)将其光斑面积归一化到15.8m观测距离下,其相对误差最大值为14.6%,因而采用本文提出的式(5)对光斑面积进行归一化具有较好的归一化精度,可满足现场检测的需要。

6 结论

(1)以棒一板间隙放电模型为对象,构建了试验平台,以紫外图像的光斑面积作为图像的量化参数,研究了在紫外成像仪保持70%增益不变时,光斑面积在不同电压下随距离的变化特性,研究发现,光斑面积随距离的增大呈递减趋势。

(2)根据光斑面积的数据的变化趋势,依据最小二乘拟合原理选取Cftool工具箱中幂逼近(Power)模型对数据进行拟合,得到棒-板间隙施加不同等级电压时的光斑面积与距离的量化关系曲线,发现幂函数模型中系数b介于-1.77至-1.78之间,且当观测距离大于5 m时,估算效果较好。

紫外检测器篇8

电气故障紫外线检测是近几年发展起来的故障检测技术。紫外成像仪是较常用的紫外检测设备,所采用的就是紫外检测技术。由于在日常情况下,局部放电是很难用肉眼看到的,但可以通过紫外摄像机捕捉到紫外光信号。紫外成像仪的原理是先采集故障点的紫外图像和可见光图像,然后采用图像融合技术,将两幅图像融合成一幅既包含局放点紫外光又包含可见光背景的新图像,从而准确定位故障点。国外先进的紫外成像仪有以色列ofil公司的全日盲紫外成像仪SUPBER、UVOLLE-VC和南非CSIR公司生产的Coro CAM紫外成像仪等[1,2]。

图像融合技术[3]是紫外检测技术的核心部分,是把两个或者多个信号源的图像按照一定的规则融合成新的图像,然后生成融合图像。融合图像可以很好地表达融合源图像的图像信息。紫外光与可见光图像融合是近十几年才发展起来的图像融合技术,目前市面上的紫外成像仪大都采用紫外图像融合技术,但所运用的融合算法却不尽相同,例如加权融合算法和拉普拉斯融合算法都是比较常见的融合算法。

独立成分分析[4]( independent component analysis,ICA) 是上世纪90 年代以后才发展起来的信号处理方法,其主要作用是从混合信号中分理处独立的、原始的信号。独立成分分析在信号去噪方面也有很广泛的用途。不同于其他融合算法,ICA算法可以有效地去除图像系数冗余性,在应用到图像融合技术时具有很大的优势。目前市场上的紫外成像仪使用的图像融合方法有很多,应用最广泛的是加权融合法,但是效果一般。由于笔者研究的紫外图像融合算法适用于电气设备局放检测,它对融合后的局放故障点的轮廓、信息量、能量值等要求很高。

文献[7]提出的方法在紫外图像和可见光图像融合中的效果并没有达到预想的要求,故本研究通过对系数处理和对ICA算法的改进,弥补ICA算法直接应用于紫外图像融合的缺点,以获得较好的融合效果。

1紫外成像系统设计

双通道电晕紫外检测系统是紫外成像仪常采用的紫外成像系统,该系统把可见光分为两条光路,一条为可见光通道,另一条是紫外光通道,两条通道采集的图像信号通过图像采集卡传输到PC端,然后进行图像融合,得到可识别电晕故障点的融合图像,从而准确定位故障[5,6,7,8]。

双通道电晕紫外检测系统结构图如图1 所示。

2ICA算法基本原理

ICA算法实际上是一种将源信号从未知混合信号中分离算法,它可以把信号分解成若干个互相独立的成分,是一种根据源信号系数的统计特性,仅由观察的混合信号分离出未知源信号的过程[9]。

首先假设有N个观测信号x1,x2,x3. . . xn记做X,它可由N个独立变量s1,s2,s3. . . sn线性组成,即X =AS。( 式中: A是混合矩阵) 。

ICA算法的基本原理是在源信号S和混合信号A均不可知的情况下,求得解混矩阵W,使得X经过W之后所得输出Y( Y = WS) 是S的最优逼近。

ICA解混模型示意图如图2 所示。

为了方便起见,在进行独立分量分析的时候一般进行以下假设:

( 1) 待观察信号数目M不小于源信号数目N,取M = N,即信混合之后所得矩阵为满秩矩阵。

( 2) 源信号S的每个分量之间是保持相互统计独立的。

( 3) 源信号的每个分量最多只有一个是服从高斯分布的。

目前对于ICA算法的研究分为两大类,一是迭代估计方法,二是统计学的代数方法。由于源信号具有独立性和非高斯性,故研究者可以运用统计学和信息论等方法对其进行研究,例如针对最大熵、最大似然、负熵和最小互信息等计算方法对独立分量进行估算。其中,常用的ICA算法有Fast ICA算法,Infomax算法和最大似然估计算法等[9]。

3ICA算法的改进方法

本研究使用的算法是由芬兰赫尔辛基大学Hyvrinen等学者提出的Fast ICA算法,也叫作固定点算法。Fast ICA是用于寻优的迭代算法,与其他算法相比,Fast ICA算法具有速度快的特点,与传统神经网络算法的不同之处在于其可以对信号进行批量处理,这样可以为算法的迭代过程节省大量时间。利用最大熵原理来接近负熵的原理是Fast ICA算法的基本思想,故其可以说是一种最小化估计分量互信息的神经网络方法,通过合适的非线性函数来寻找最优[10]。

Fast ICA算法采用的是固定点迭代优化算法,具体可以总结为以下几步:

( 1) 将混合信号X进行中心化,即令混合信号系数均值为0;

( 2) 白化数据Z = Q × X,其中Q是白化矩阵,之后算法对Z进行操作;

( 3) 获取需要估计分量的数量,设置最大迭代次数P←1;

( 4) 设置Wp为随机初始权矢量,使其满足‖Wp(0)‖2=1;

( 5) 令WP= E{ Zg( WPTZ) } - E { g' ( WpTZ) } W ( 式中: g,g'—导函数和非线性函数) ;

( 6) 归一化: 令Wp= WP/ ‖WP‖,如果未收敛,则返回步骤( 3) 。

和其他文献不同的是,本实验所用信号源为紫外图形和可见光图像,两幅图像在图像能量、低频系数灰度值方面差异很大,若直接进行ICA分析,将会出现紫外图像信息丢失的现象,为使处理会图像系数既可以表达紫外图像信息又具备可见光图像信息,本研究对Fast ICA算法的改进思想是首先把两幅源图像小波分解后的系数进行加权处理,即D = a D1+ b D2,其中D1为可见光图像系数,D2为紫外图像系数,从而形成一组新的系数D( d1,d2,d3…dn)[11]。

对于加权系数的选取规定a + b = 1,经过多次实验加权系数取值范围为a的取值范围[0. 1,0. 4]。为了使处理后的图像保持清晰且图像系数尽可能保留原可见光图像信息并含有紫外图像信息,实验决定在保证平均梯度AG > 2. 0 的前提下,在[0. 1,0. 4]之间选取30 个点进行择优,以加权后图像和原紫外光图像的相关系数Corr和加权后图像与原可见光图像偏差指数Bindex为权值择优依据,选取Corr - Bindex最大时的a的值为最优权值。

紫外检测器篇9

1 材料

1.1 试验样品

2015年7月28日早晨,在北京房山三力源养殖场挤奶厅采集新鲜奶样,盛放于50 m L离心管中,放入冰盒保存待检。

1.2 试剂

三氯乙酸、氢氧化钾、BHBA对照品、NAD、BHBA脱氢酶(1 000 U)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)、草酸、海藻糖,由国药化工集团生产(均为分析纯)。

缓冲液:称取Tris 6.05 g,草酸1.26 g,海藻糖2.5 g,加纯化水至500 m L;对照品储备液:精密称取BHBA 0.020 80 g,置于10 m L量瓶中,用缓冲液定容得到10 mmol/L对照品储备液;BHBA脱氢酶液:用缓冲液溶解BHBA脱氢酶,转移至10 m L量瓶中,用缓冲液定容至刻度;NAD液:称取NAD 0.066 34 g,置于10 m L量瓶中,用缓冲液定容至刻度。

1.3 仪器

紫外可见分光光度计(型号为752PC),由上海光谱仪器有限公司生产;离心机(型号为LD5-2A),由北京时代北利离心机有限公司生产;移液器(5 m L、1 m L、100μL),由国药化工集团生产生产。

2 方法

2.1 奶样前处理

精密量取牛奶5 m L,加20%高氯酸溶液2.5 m L,涡动1 mim,6 000 r/min离心10 min;取上清液4 m L,加1 mol/L氢氧化钾溶液1.2 m L,混匀,加缓冲液4 m L,涡动1 min,6 000 r/min离心10 min,上清液为样本液。

2.2 奶样中β-羟丁酸的测定

精密量取对照品储备液0.05,0.1,0.2,0.4,0.8 m L分别置于10 m L量瓶中,用缓冲液定容,得到50,100,200,400,800μmol/L对照品标准溶液;分别精密量取对照品标准溶液0.5 m L置于10 m L离心管中,加入缓冲液3 m L,NAD液0.05 m L,BHBA脱氢酶液0.04 m L,混匀,放置5 min,供测;空白溶液:取缓冲液3.54 m L,加NAD液0.05 m L,在340 nm测定吸光度。线性方程y=0.002 3x+0.027 8,R2=0.997 2,线性范围为6~100μmol/L。

精密量取样本液3.5 m L置于10 m L离心管中,加NAD液0.05 m L,酶液0.04 m L,混匀,放置5 min,如浑浊则于6 000 r/min离心10 min待测;样品空白溶液:精密量取样本液3.5 m L,置于10 m L离心管中,加NAD液0.05 m L,缓冲液0.04 m L,如浑浊则于6 000 r/min离心10 min,在340 nm测定吸光度值。

按照标准曲线法计算奶样中β-羟丁酸含量。

精密量取对照品储备液0.05,0.1,0.2 m L置于量瓶中,用牛奶定容至10 m L,按上述方法计算回收率,分别为103.0%、100.0%、105.0%,符合试验要求。

3 结果与分析

3.1 牛奶中β-羟丁酸含量

结果见表1。

3.2 BHBA含量分析

奶样中BHBA含量酮病诊断标准,见表2。检测48份奶样中,BHBA含量最高为176.10μmol/L,接近阳性。

不同胎次奶样中BHBA含量结果比较见表3。

由表3可知,3头可疑患有酮病的奶牛出现在第1胎及第4胎。通过卡方检验,第1胎与第4胎出现可疑酮病差异显著。

头

不同体况评分奶样中BHBA含量结果比较见表4。

头

由表4可知,3头可疑患有酮病的奶牛出现在体况评分2.5分和4.0分的奶牛中,说明过瘦或过胖的奶牛更易出现高BHBA症。

以上结果与邵大富等[5]的结论相近。

4 结论

试验结果表明,本方法简便易行,准确性精密度高,对48份奶样的分析结果与相关研究一致,因此可用于牛场奶牛隐性酮病的筛查和研究。

摘要：为了诊断奶牛是否患有亚临床酮病,试验采用紫外分光光度法检测牛奶中β-羟丁酸(β-hydroxybutyric acid,BHBA)含量的方法,测定48份牛奶样品。结果表明:检测方法的线性范围为6~100μmol/L,相关系数(R2)=0.997 2,平均回收率为104.0%,48份奶样中BHBA浓度最高值为176.1μmol/L。说明本方法可用于牛场奶牛亚临床酮病的筛查和研究。

关键词：乳汁,亚临床酮病,β-羟丁酸,β-羟丁酸(BHBA)脱氢酶,紫外检测

参考文献

[1]李建,王银龙,刘强,等.酮病奶牛乳液与血液中β-羟丁酸浓度的相关性试验[J].中国兽医杂志,2015,51(1):17-19.

[2]杜玉兰,松朋,杜向宏,等.奶牛乳清酮体含量检测的评价[J].中国兽医杂志,2014,50(5):50-53.

[3]刘仕军,刘振华,王赞江,等.乳酮症试纸条对奶牛酮病检测的使用效果评价分析[J].乳业科学与技术,2011(3):135-136,125.

[4]张志刚,刘国文,李小兵,等.牛旁检测诊断产后初期奶牛亚临床酮病研究[J].中国农学通报,2008,24(8):39-42.

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