基于紫外和红外的信息工程设备电气安全监测系统的研制

谢俊++柴追君

[摘  要]本文主要研究了研究信息工程设备中紫外和红外的电气安全监测系统的研究背景，并分析了其主要内容、技术关键以及创新点，阐述了其未来发展前景。

[关键词]紫外;红外;信息工程设备;电气安全;监测系统

中图分类号：D380 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0017-01

一、立项的背景和意义

近几年，因为机房电气安全引起火灾的典型案例非常多，其中设备非常昂贵，一旦发生火灾，其损失是机房整个消防投资的上百倍，由此可见，如果能定期监测信息工程设备的放电情况并在设备发生电气安全故障前进行预警将对信息工程设备电气安全运行起到非常关键的作用。

二、国内外研究现状

目前国内外传统的电气安全检测方法可分为基于电的检测方法和非电检测方法，主要包括：脉冲电流法、超声波法、红外成像法、紫外脉冲法和紫外成像法。

1.脉冲电流法

该方法是目前测量和研究产品电流安全最直接和最常用的方法，将传感器获得的泄漏电流信号经预处理和采样后可通过有线或无线方式将传输到后台监测中心做进一步的分析和评估。

2.超声波检测法

电气设备放电中还伴随有电能量的释放过程，对周围的介质产生压力，从而引起空气振动，造成声波发射现象。

3.红外成像法

电气产品表面的泄漏电流和放电可引起局部区域的温度升高，从红外图像上可以观察到温度的变化，通过分析红外图像的温度分布可实现信息工程设备的电气安全评估。

4.紫外脉冲法

信息工程设备放电的过程中伴随有光信号的辐射，在弱放电阶段，其光信号的波长主要分布于400nm以下的紫外波段，紫外脉冲法利用紫外光信号传感器将紫外光信号转换为电信号，对信号进行处理可获得相应的电脉冲信号。

5.紫外成像法

紫外成像法检测的也是放电辐射出的紫外光信号，该方法获得的是放电紫外光的二维图像，能直观地显示出放电发光区域，具有良好的放电定位能力。

三、研究开发的内容、技术关键和主要的创新点

（一）研究内容

1. 对紫外检测放电方法的研究

本项目采用紫外脉冲法实现对信息工程设备放电紫外信号的检测。

2. 对红外检测放电方法的研究

信息工程设备主要采用红外成像和红外点温测量两种红外检测技术，本项目中采用的是红外点温测量技术。

（二）技术关键

基于紫外和红外的智能电气设备主要通过紫外脉冲探测模块、红外测温模块、二维旋转云台和摄像头的协同工作完成。

图1中，紫外脉冲探测模块的紫外探头和红外测温模块的红外探头固定安装在旋转云台上，系统通过旋转云台的运动实现对信息工程设备各检测部位的扫描，并获取和记录被检测点的紫外脉冲数据和温度数据。

（三）创新点

1.该系统解决了红外成像仪和紫外成像仪探测设备放电存在灵敏度不足、对早期电气危险不能预警的弱点。

2.本项目解决了现有紫外脉冲检测技术无法准确定位设备放电故障点的不足的缺点。

3.该检测系统不仅能定量表示放电程度，而且能以图像方式直观地显示出放电位置、温度分布及其发展变化情况，从而直观地监测信息工程设备电气安全性变化趋势。

4.本项目采用技术具有结构简单、成本低廉等优点。

四、研究方案、技术路线和组织方式

（一）研究方案

基于紫外和红外的信息工程设备电气安全监测系统主要由嵌入式系统模块、紫外红外探测模块、温度湿度测量模块和广域无线通信模块组成。

（二）技术路线

1.紫外脉冲探测模块主要由探头罩及光学系统、紫外光敏管、高压电源和检测电路组成，实现对视场区域内紫外脉冲信号的探测，并将其转换为电压脉冲信号，传送给嵌入式系统模块。

2.红外测温模块主要由透射式光学系统、热电堆型红外传感器和检测电路组成，红外测温模块将温度信号转换为模拟电压信号，提供给嵌入式系统模块。

3.二维旋转云台用于承載紫外脉冲探测模块和红外测温模块的探头，可通过对旋转云台两个直流伺服电机的控制，实现对被检测信息工程设备局部放电和温度分布的二维扫描。

4.摄像头用于对被检测信息工程设备的图像采集，并通过接口将采集的图像信息传送给嵌入式系统模块。

5.考虑到空气湿度的影响因素，采用温度湿度测量模块用于对环境温度和湿度的检测。环境温度对红外测温的精度也有非常大的影响，必须通过环境温度来修正被测物体的温度。

6.广域无线通信模块用于实现远距离无线通信。检测的同时可以通过广域无线通信接收在线监测系统发送的测量数据和报警信息，以及处理后包含放电分布数据和温度分布数据的设备图像信息，并可发送控制命令，实现对在线监测系统工作模式的控制。

7.嵌入式系统模块是在线监测系统的核心，它用来实现对信息工程设备紫外红外扫描的控制、紫外脉冲数据的统计分析、环境温度和湿度的测量分析以及设备电气安全性的分析判断。同时，通过图像处理得到结合放电分布和温度分布的设备图像信息，实现电气安全的分析、判断和报警。

（三）组织方式

1.本项目将由浙江省质量检测科学研究院、浙江科技学院承担，并从中抽调专业技术人员成立项目开发小组，明确各参与单位的责职，明确每个小组成员在项目中的分工。包括项目技术规划、方案设计、项目实施、验证等。

2.在项目实施过程中，做好对设计方案评审、设计、验证等工作，切实进行项目管理和实施。项目的组织实施将按照我单位《科技工作管理办法》，由科技管理部门实施项目的监督管理，更好地促进项目的完成。

五、研究预期目标

1、主要技术指标：

1）线连续工作时间1000小时;

2） 紫外探测指标：灵敏度达到5000count/min，响应 190—260nm波段的紫外信号;

3） 红外探测指标：温度测量范围为-40—120℃ ，测温分辨率可达到±0.5K，湿度测量范围为0—100%RH，测量分辨率可达到±2.0%RH;

4） 实现视频连续存储记录，视频记录分辨率大于或等于1280×960，能够进行1帧/秒的扫描连续拍摄1000hour;

5） 可靠性数据库存储库单一安全记录条数不小于每小3000组;

6） 系统能以图像方式直观地显示出放电位置、温度分布及其发展变化情况。

2、产业化前景

凡是具有信息工程设备的场合都涉及电气安全问题，这意味着该系统在信息工程领域的应用前景十分广阔。主要有以下两方面的应用前景：

1） 信息工程设备因放电而产生的电气安全事故有多种原因，信息工程设备的技术参数与电气安全的具体关系有待于进一步研究。设备在什么情况下会观察到放电，在什么情况下放电会影响到系统的电气安全，也有待更深入探讨。

2） 在信息工程产品耐压试验时用该监测系统进行观察，若在试验时紫外、红外数值变化速率过快或超过一定阈值，则试品肯定不合格。

3、社会和经济效益

紫外成像仪与红外成像仪是互补关系，紫外检测放电异常，红外检测发热异常，原理完全不同，各自具有不可互替的优点，监测目的、应用方法也各具特性。