一种紫外光电探测装置

技术领域

本发明涉及紫外信号探测技术领域，尤其涉及一种紫外光电探测装置。

背景技术

近年来随着电网规模不断扩大，电网变电设备故障隐患造成的电力系统损失日益增加。紫外信号探测在电网变电设备故障检测中具有广泛的应用，但传统的紫外探测器存在体积大、功耗高、不易携带等问题，使其不能适应多种工作环境，也很难在电网设备日常运维中大量装备。

传统的紫外探测器在数据处理上还需人工进一步分析处理数据，操作复杂，对检测人员技术要求高。同时，依靠人工识别，存在隐患发现不及时，劳动强度大、效率低等突出问题。另外，传统的紫外探测器故障检测准确率低、灵敏度低，且无法对作业人员的权限进行管控，所以无法保障设备作业过程中的安全性和可控性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种紫外光电探测装置，该装置灵敏度高、功耗低、易携带，并可自动准确处理探测信号，且可对作业人员权限进行管控，有效保障设备作业过程中的安全性和可控性。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种紫外光电探测装置，包括：

紫外探测器，用于在检测点发生局部放电或者气体泄漏时产生紫外信号，并将所述紫外信号转换为电流信号；

信号处理模块，包括依次连接的电流电压转换单元、信号放大单元、偏置调节单元和模数转换单元，所述电流电压转换单元将所述电流信号放大并转换为第一电压信号，所述信号放大单元对所述第一电压信号进行次级放大得到第二电压信号，所述偏置调节单元用于降低所述紫外探测器中的暗电流，并对所述第二电压信号进行差分放大得到第三电压信号，所述模数转换单元将所述第三电压信号转换为数字信号；

驱动运算模块，用于驱动所述紫外探测器，并对所述数字信号进行运算处理得到故障检测结果信息；

控制显示模块，用于接收所述故障检测结果信息，并控制显示故障检测结果。

优选的，所述电流电压转换单元包括：

第一运算放大器；

第一电阻至第三电阻，所述第一电阻的第一端接地，所述第一电阻的第二端分别与第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端连接，所述第二电阻的第一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器的同相输入端接地；

第一电容至第五电容，所述第一电容的一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第一电容的另一端与所述第一运算放大器的输出端连接；第二电容和第三电容并联在所述第一运算放大器的正供电端与地之间，第四电容和第五电容并联在所述第一运算放大器的负供电端与地之间。

优选的，所述信号放大单元包括：

第二运算放大器；

第四电阻至第六电阻，所述第四电阻的第一端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第四电阻的第二端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过第五电阻接地；所述第二运算放大器的反相输入端还通过第六电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，其中，所述第六电阻为可调电阻；

第六电容和第七电容，所述第六电容连接在所述第二运算放大器的正供电端与地之间，所述第七电容连接在所述第二运算放大器的负供电端与地之间。

优选的，所述偏置调节单元包括：

第三运算放大器；

第七电阻至第十三电阻，所述第七电阻的第一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第七电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相输入端连接，所述第三运算放大器的同相输入端还通过第八电阻接地；所述第三运算放大器的反相输入端通过第九电阻和第十电阻与第十一电阻的第一端连接，所述第三运算放大器的反相输入端还通过所述第九电阻和第十二电阻接地；所述第三运算放大器的反相输入端还通过所述第十三电阻与所述第三运算放大器的输出端连接，其中，所述第十一电阻的第二端和第三端分别与正负电源连接。

优选的，该装置还包括外部接口模块，所述外部接口模块与所述控制显示模块连接，所述外部接口模块中至少设置有SD接口、USB接口、RS232串口、DCin接口和KEYPAD接口。

优选的，该装置还包括射频识别模块，所述射频识别模块通过所述外部接口模块与所述控制显示模块连接，所述射频识别模块用于接收所述控制显示模块发出的读卡指令，并向周围发射预设频率的电磁波信号进行电子标签卡片搜索；其中，所述电子标签卡片进入所述射频识别模块的有效工作范围时，会发射射频信号，所述射频信号包括用户数据信息，所述射频识别模块还用于接收所述射频信号，并对所述用户数据信息进行识别，以及对识别后的用户进行授权。

优选的，还包括显示器，用于显示故障检测结果信息。

优选的，还包括温度控制模块，用于采集装置内各模块的温度数据，并对各模块的工作温度进行控制。

优选的，所述驱动运算模块中用于驱动运算的处理器为FPGA处理器，所述控制显示模块中用于控制显示的处理器为ARM处理器。

优选的，所述驱动运算模块集成有辅助供电模块，所述辅助供电模块通过若干节锂电池进行辅助供电，以防止所述驱动运算模块上电失败。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明提供了一种紫外光电探测装置，该装置通过依次连接的紫外探测器、信号处理模块、驱动运算模块和控制显示模块可实现紫外信号的自动检测处理，无需人工进一步分析处理数据，可降低人工劳动强度和工作效率，另外，信号处理模块包括依次连接的电流电压转换单元、信号放大单元、偏置调节单元和模数转换单元，该装置通过电流电压转换单元、信号放大单元和偏置调节单元三级电路对信号进行放大可有效提高装置探测灵敏度，并且通过偏置调节单元降低紫外探测器中的暗电流，可有效提高装置探测准确率。

2、本发明基于FPGA+ARM处理器开发的装置具有系统处理能力强、易于开发，方便升级与维护的优点，其体积小、重量低，方便携带，且其使用环境温度为0-40摄氏度，湿度为0-90％，适用于多种户外工作环境。

3、本发明为了保证驱动运算模块中FPGA处理器的正常工作，提供了额外的20％的供电能力，以避免FPGA处理器上电曲线不单调导致器件上电失败的问题，具体采用低功耗设计方式即通过若干节锂电池进行辅助供电，以实现装置低功耗、长时间连续工作的要求。

4、本发明通过外部接口模块内置射频识别模块，该射频识别模块可实现用户认证功能，可对作业人员的权限进行管控，减少误操作和安全事故的发生，从而可保障设备的正常运行和人员的安全，并可提高作业过程的安全性和可控性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的紫外光电探测装置的结构框图。

图2为本发明实施例的信号处理模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为解决背景技术中各技术问题，本实施例提供了一种紫外光电探测装置，其主要用于变电设备局部放电检测以及气体泄漏检测。该装置集成人工智能芯片，搭载人工智能算法，可自动检测识别故障信号，实现变电设备放电故障检测信息的采集、前端识别和故障隐患报警功能，其具有准确率高、灵敏度高、重量轻、功耗低、易携带、易操作和安全认证等优势，可提高设备运检效率，保障电网变电设备安全可靠运行。

下面参考附图描述本实施例的一种紫外光电探测装置。

图1为本发明实施例的紫外光电探测装置的结构框图。图2为本发明实施例的信号处理模块的电路结构示意图。如图1和图2所示，该紫外光电探测装置100包括依次连接的紫外探测器10、信号处理模块20、驱动运算模块30和控制显示模块40。

其中，紫外探测器10用于在检测点发生局部放电或者气体泄漏时产生紫外信号，并将紫外信号转换为电流信号。信号处理模块20包括依次连接的电流电压转换单元21、信号放大单元22、偏置调节单元23和模数转换单元，电流电压转换单元21用于将电流信号放大并转换为第一电压信号；信号放大单元22用于对第一电压信号进行次级放大得到第二电压信号；偏置调节单元23用于降低紫外探测器10中的暗电流，并对第二电压信号进行差分放大得到第三电压信号；模数转换单元用于将第三电压信号转换为数字信号。本实施例中的驱动运算模块30除了用于驱动紫外探测器10之外，还用于对数字信号进行运算处理得到故障检测结果信息，并输入至控制显示模块40，以便控制显示模块40接收到故障检测结果信息后，控制显示器，显示故障检测结果。

具体的，驱动运算模块30中用于驱动运算的处理器为FPGA(现场可编程门阵列)处理器，控制显示模块40中用于控制显示的处理器为ARM处理器(一种嵌入式处理器)。所述驱动运算模块30中还集成有SRAM(静态随机存取存储器)存储器和JTAG口(调试接口)，所述JTAG口可用于通过外部调试设备对驱动运算模块30进行调试，所述控制显示模块40还连接显示器如LCD(液晶屏)显示屏。在使用过程中，当检测点产生紫外放电现象，并产生紫外信号后，紫外探测器10可将其转换为电流信号，然后输入至信号处理模块20进行信号处理，并转换为相应的数字信号。信号处理模块20再将数字信号传输至驱动运算模块30中的FPGA处理器，FPGA处理器调用SRAM中的人工智能算法进行运算处理得到故障检测结果信息，再输入至控制显示模块40中的ARM处理器，ARM处理器再控制显示器显示该故障检测结果，或者通过下文中的外部接口模块将故障检测结果信息传输到外部设备。由此，本发明可实现紫外信号的自动检测处理，无需人工进一步分析处理数据，可降低人工劳动强度和工作效率。

需要说明的是，处理器起着处理实时数据、执行逻辑运算、协调组织各外围电路相互配合的重要作用，处理器的性能直接关乎到设备能否高效运行。本实施例中，对于ARM处理器，拟选用ARM11处理器，具体采用Samsung S3C6410型号的处理器。该处理器的内核为ARM1176JZF-S，主频为533MHz/667MHz，具有12MHz、48MHz、27MHz和32.768MHZ时钟，具有较高的信息处理和数据运算能力，支持5V电压供电；并且，其内部集成了高达2M的高速Flash(闪存存储器)存储器和256K的片内SRAM，内存资源相当丰富。本实施例中选用的ARM11有低功耗处理工艺，可以低至0.4mW/MHz，采样率高达2.4Msps，拥有20个高速通信接口，自带LCD控制器和SDRAM(同步动态随机存储器)接口，可以满足用户驱动大屏或扩充内存的需求，并且支持常见的嵌入式操作系统和GUI(图形用户界面)图形界面库移植。

本实施例中，采用ARM+FPGA的综合设计，可以优势互补，大幅度减少外部扩展器件的使用量，并且可极大提升装置的可靠性，保证装置的平均无故障工作时间不低于2500h。本实施例中，ARM处理器处理人机交互功能、通用外部接口以及事务处理；FPGA处理器处理特定接口、实现多路数据快速处理及前端驱动支持，另外还可以完成放电数据校正等信息处理量大的操作，从而降低ARM处理器的处理量。本实施例通过紫外探测器10、信号处理模块20、驱动运算模块30和控制显示模块40可实现装置紧凑型设计，其总重量小于500g，方便携带，另外该装置数据处理能力强，易于开发，方便升级与维护，且其使用环境温度为0-40摄氏度，湿度为0-90％，适用于各种户外工作环境。

当紫外放电信号小时，则需要更精确更灵敏的检测电路。在设计电路时，为了实现高精度、高灵敏度的放电检测，本实施例采用三级电路进行信号处理。

其中，第一级电路为电流电压转换单元21。如图2所示，电流电压转换单元21包括第一运算放大器Y1、第一电阻R1至第三电阻R3、第一电容C1至第五电容C5。其中，第一电阻R1的第一端接地，第一电阻R1的第二端分别与第二电阻R2的第二端和第三电阻R3的第一端连接，第二电阻R2的第一端与第一运算放大器Y1的反相输入端即IN-连接，第三电阻R3的第二端与第一运算放大器Y1的输出端连接，第一运算放大器Y1的同相输入端即IN+接地；第一电容C1的一端与第一运算放大器Y1的反相输入端连接，第一电容C1的另一端与第一运算放大器Y1的输出端连接；第二电容C2和第三电容C3并联在第一运算放大器Y1的正供电端与地之间，第四电容C4和第五电容C5并联在第一运算放大器Y1的负供电端与地之间。其中，正供电端接入电源VCC，负供电端接入电源-VCC。

需要说明的是，第一运算放大器Y1的反相输入端作为IN输入端，用于接入紫外探测器10输出的电流信号。所述电流电压转换单元21用于对该电流信号进行电流电压转换。

具体的，电流电压转换单元21采用的是T型反馈电路，由于紫外探测器10产生电流信号非常微弱，信号放大后想要达到一个较大的数量级，则要求电阻的阻值较大。因此，采用T型网络结构即R1-R3构成的网络结构，通过小电阻实现较大的增益，增益如下公式所示：

其中，U

由于，本实施例中的紫外探测器10一端接在第一运算放大器Y1的反相输入端，另一端与第一运算放大器Y1的同向输入端一样都是接地，也就是说紫外探测器10是并联在第一运算放大器Y1的反相输入端和地之间，除了紫外探测器10自身的电容外，还有一个对地电容，这会引起电压相位滞后，因此，本实施例中采用第一电容C1进行相位补偿。另外，第一运算放大器Y1也不是理想运算放大器，会使信号产生相移，这个相移同样可以用第一电容C1来补偿。由此，通过第一电容C1可补偿相位，避免电路发生震荡，从而可保障电路的稳定性。

另外，在减小电源干扰方面，由于供电电源处在第一级，必须尽可能的避免电源干扰的输入，因此，通过加入非极性电容C2-C5，分别进行去耦和高频滤波。

进一步的，信号放大单元22包括第二运算放大器Y2、第四电阻R4至第六电阻R6，以及第六电容C6和第七电容C7。其中，第四电阻R4的第一端与第一运算放大器Y1的输出端连接，第四电阻R4的第二端与第二运算放大器Y2的反相输入端即IN-连接，第二运算放大器Y2的同相输入端即IN+通过第五电阻R5接地；第二运算放大器Y2的反相输入端还通过第六电阻R6与第二运算放大器Y2的输出端连接，其中，第六电阻R6为可调电阻；第六电容C6连接在第二运算放大器Y2的正供电端与地之间，第七电容C7连接在第二运算放大器Y2的负供电端与地之间。其中，第二运算放大器Y2的正供电端和负供电端分别用于接入电源VCC和-VCC。

具体的，信号放大单元22电路中的反馈电阻采用的是可变电阻，由此，可以根据实际情况和需要选择放大增益倍数，从而可使得可检测信号范围大大扩展，其中，增益倍数如下公式所示：

其中，U

进一步的，偏置调节单元23包括第三运算放大器Y3、第七电阻R7至第十三电阻R13。其中，第七电阻R7的第一端与第二运算放大器Y2的输出端连接，第七电阻R7的第二端与第三运算放大器Y3的同相输入端即IN-连接，第三运算放大器Y3的同相输入端即IN+还通过第八电阻R8接地；第三运算放大器Y3的反相输入端通过第九电阻R9和第十电阻R10与第十一电阻R11的第一端连接，第三运算放大器Y3的反相输入端还通过第九电阻R9和第十二电阻R12接地；第三运算放大器Y3的反相输入端还通过第十三电阻R13与第三运算放大器Y3的输出端连接，其中，第十一电阻R11的第二端和第三端分别与正负电源VCC和-VCC连接。

具体的，偏置调节单元23使用了差分放大电路，也为减法电路，电路增益如下式所示：

其中，U

在实际应用时，一般取R7＝R9，R8＝R13，此时，公式(3)转换为：

其中，可变电阻R11接在正负电源VCC和-VCC之间，通过改变可变电阻R11的大小可以调节U

本实施例，通过电流电压转换单元21、信号放大单元22和偏置调节单元23三级电路对信号进行放大可有效提高装置探测灵敏度，并且通过偏置调节单元23降低紫外探测器中的暗电流，可有效提高装置探测准确率。

进一步的，该装置还包括如上述所述的外部接口模块，外部接口模块与控制显示模块40连接，外部接口模块中至少设置有SD接口(存储接口)、USB接口(通用串行总线接口)、RS232串口(串行通信接口)、DCin接口(电源接口)和KEYPAD接口(键盘矩阵接口)。

进一步的，该装置还包括射频识别模块，射频识别模块通过外部接口模块中的KEYPAD接口与控制显示模块40连接，射频识别模块用于接收控制显示模块40发出的读卡指令，并向周围发射预设频率的电磁波信号进行电子标签卡片搜索；其中，电子标签卡片进入射频识别模块的有效工作范围时，会发射射频信号，射频信号包括用户数据信息，射频识别模块还用于接收射频信号，并对用户数据信息进行识别，以及对识别后的用户进行授权。

具体的，该装置还通过KEYPAD接口内置射频识别模块如RFID(射频识别)射频识别模块，其通过读取工作人员的RFID电子标签卡片信息可快速进行身份认证，提高装置的安全性和便捷性。射频识别模块工作时，在接收到控制显示模块40发来的读卡指令后，依据ISO14443A(非接触式IC卡标准)编码协议，向周围发射预设频率的电磁波信号进行寻卡，当有RFID电子标签卡片进入射频识别模块的有效工作范围时，卡片在电磁波信号的激励下产生一微小电流变为激活状态，并发射携带有用户数据信息的射频信号，射频信号通过天线发送至射频识别模块。然后，射频识别模块接收射频信号，并对其中的用户数据信息进行识别，以及对识别后的用户进行授权。

本实施例中的射频识别模块拟采用NXP公司推出的RC522型号射频识别芯片，该芯片内部集成了多种协议标准，支持ISO14443A/MIFARE工作模式，可读写Mifare系列卡、NFC(近距离无线通信)标签卡等，具有快速的解调和译码能力，其提供了多种通信方式可供选择。

本实施例中，将射频识别模块内置于装置中，实现了身份认证和数据传输的一体化，提高了装置的安全性和便捷性。另外，将射频识别模块内置于装置中，无需外部连接读卡器或其他硬件，大大简化了设备的使用和维护。以及，本实施例中的射频识别模块采用ISO14443A编码协议，具有功耗较低，有利于延长装置续航能力的优势。本实施例中的射频识别模块还能够精确识别电子标签卡片，并通过天线快速传输数据信息，其还具有识别准确率高、响应速度快、可靠性高的特点。本实施例，采用射频识别技术进行身份认证，无需直接接触，保证了信息传输的安全性。

本实施例中，通过对作业人员的权限进行管控，可保障设备的正常运行和人员的安全。具体而言，在使用前对操作人员进行身份认证，只有经过认证的用户才能使用设备进行工作。由此，可有效防止未授权人员滥用设备，同时也可以减少误操作和安全事故的发生，提高作业过程的安全性和可控性。

进一步的，该装置还包括温度控制模块，其用于采集装置内各模块的温度数据，并可基于所采集的温度数据对各模块的工作温度进行控制，从而保证装置的最佳使用效果。

进一步的，驱动运算模块30容易产生功耗问题，由于FPGA内部逻辑和互连线资源在上电的瞬间处于不确定状态，容易发生电流冲突，导致电流比较大，甚至大于FPGA处理器正常工作的电流。为避免FPGA处理器在上电瞬间出现上电曲线不单调，导致器件上电失败的问题，系统电源供电能力要在系统正常工作的基础上，额外提供20％的供电能力。为此，本实施例选择低功耗的设计方式，具体在驱动运算模块30中集成辅助供电模块，辅助供电模块通过若干节锂电池进行辅助供电，使得总电量为5200mAH，从而提高装置续航能力，使得装置大致续航能力为9个小时，进而满足装置低功耗、长时间连续工作的要求。

综上所述，本发明提供了一种紫外光电探测装置，该装置通过依次连接的紫外探测器、信号处理模块、驱动运算模块和控制显示模块可实现紫外信号的自动检测处理，无需人工进一步分析处理数据，可降低人工劳动强度和工作效率，另外，信号处理模块包括依次连接的电流电压转换单元、信号放大单元、偏置调节单元和模数转换单元，该装置通过电流电压转换单元、信号放大单元和偏置调节单元三级电路对信号进行放大可有效提高装置探测灵敏度，并且通过偏置调节单元降低紫外探测器中的暗电流，可有效提高装置探测准确率；本发明基于FPGA+ARM处理器开发的装置具有系统处理能力强、易于开发，方便升级与维护的优点，其体积小、重量低，方便携带，且其使用环境温度为0-40摄氏度，湿度为0-90％，适用于多种户外工作环境；本发明为了保证驱动运算模块中FPGA处理器的正常工作，还提供了额外的20％的供电能力，以避免FPGA处理器上电曲线不单调导致器件上电失败的问题，具体采用低功耗设计方式即通过若干节锂电池进行辅助供电，以实现装置低功耗、长时间连续工作的要求；以及，本发明通过外部接口模块内置射频识别模块，该射频识别模块可实现用户认证功能，可对作业人员的权限进行管控，减少误操作和安全事故的发生，从而可保障设备的正常运行和人员的安全，并可提高作业过程的安全性和可控性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。