Page 28 - 电力与能源2023年第五期

450 唐家萍，等：基于紫外荧光法的电气设备渗漏油在线监测系统研究

声（SN）比，避免必须检测波长带中的太阳光干扰 以上，能够将微弱的荧光信号转换成易于被电路
成分的影响，采用了比率检测方法 。该方法选 处理的电信号。
［3］
择性能优越的带通滤光片（FF01-405）置于相机 2.4 增加滤光片筛选光源
镜头前方，只允许被测样品发射的荧光透过而阻 如果有环境光进入光电倍增管，光电倍增管
止激发光、环境光和其他杂散光通过，从而可获得 也会同样将其放大，有时环境光甚至会将荧光信

理想信号波长的激发光和荧光。 号淹没，因此本系统设计采用滤光片，将室内变电
CCD 相机具有体积小、重量轻、功耗小、工 站除了本系统设计需要的波长的光之外的其他波
作电压低等优点，且在分辨率、灵敏度等方面具 长的光滤去。同时，在户外变电站观测时的太阳
有优越性，因此本系统采用面阵 CCD 相机作为 辐射的波长范围大约为 295 nm～2.5 μm，对于短
光 电 探 测 器 检 测 荧 光 图 像 信 号 ，其 响 应 范 围 为 于 295 nm 和大于 2.5 μm 波长的太阳辐射，因地球

200～1 000 nm。荧光信号本身较弱，并且激发光 大气中臭氧、水蒸气和其他气体分子的强烈吸收，
和环境光对其干扰很大，因此从复杂的背景中提 不能到达地面，因此对于太阳辐射产生的荧光可
以忽略不计 。滤光片选用带通式滤光片，其中
［4］
取到荧光信号，需要去除杂散光的影响。在 CCD
相机采集图像过程中，由于受现场设备干扰、传感 心波长分别位于 254 nm 和 360 nm 处，分别置于脉
器材料属性限制，以及传输介质和记录设备不完 冲氙灯前（过滤其余波长的紫外光）和光电监测模
善等因素的影响，会引入各种噪声，本研究采用高 块前（过滤荧光以外波长的光）。
斯降噪处理。使用 CCD 相机获取到的为灰度图 2.5 装置工作过程
监测系统的搭建将实现以下功能：通过脉冲
像，而灰度图像具有代表性的参数即为灰度值，因
氙灯发出紫外光，经过滤光片 1，获得 225～300 nm
此选择分析光斑的灰度值作为信号值。具体方法
波长的光，照射在充油设备外壳，当设备外壳有渗
如下：将相机拍到的原始图片通过使用最大类间
漏油时，其产生荧光反应，波长范围在 320～400
方差法获取图像阈值，并将其转化为二值图，亮的
nm，这时荧光再通过滤光片 2，进入光电探测器进
部分数值为 1，暗的部分数值为 0。该二值图与原
行光电转换，最后送入该系统的控制器 1 中，进行
始灰度图都是矩阵，且大小相同，将两个矩阵进行
相关数据的处理。装置工作过程如图 1所示。
点乘操作。统计亮斑的像素点个数，用灰度值总
和除以总个数，即为荧光灰度值均值。
2.3 选用光电倍增管作为光电检测器
由于荧光的信号很弱，持续时间也很短，因此
要求选择的光电检测器必须具有极高的放大增益
和很高的灵敏度。光电倍增管由电发射极（即光

阴极）、聚焦电极、电子倍增极以及电子收集极（即
阳极）等组成。当有光照射到光阴极时，光阴极就
会产生反应，随即向真空中激发出特定能量的光
电子。这些光电子会根据聚焦电极的电场进入到 图 1 装置工作过程
倍增系统中，并被进一步放大，然后被阳极收集，
3 控制器系统设计
最终作为信号被输出。光电倍增管具有高增益、
高灵敏度等优点，同时其探测面积大且成本低，在 3.1 选用 STM32 单片机
探测微弱光信号方面有独到之处。光电倍增管输 选择针对工业控制应用的 STM32 系列单片
入电压为±15 V，其对 300～650 nm 的光信号有 机，例如 STM32F4、STM32F7、STM32H7 等，选
极强的响应能力，其放大倍数数量级能够达到 10 7 用 STM32F407ZGT6 微控制器，其高级控制定时