SF6氣體激光紅外成像探測(cè)技術(shù)剖析

    1.介紹

    由于Sulfur Hexafluoride（SF6）氣體優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，相應(yīng)的SF6應(yīng)用產(chǎn)品的可靠性高，檢修工作量少，周期長(zhǎng)等與傳統(tǒng)手段相比具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得SF6應(yīng)用日益廣泛。伴隨著SF6大量的使用，SF6泄漏問(wèn)題也開(kāi)始顯露。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法因?yàn)椴荒茉诰�檢測(cè)、不能快速查找泄漏源等缺點(diǎn)，已不滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

    激光紅外成像探測(cè)技術(shù)起源于軍用化學(xué)氣體研究，這種被證實(shí)可用的方法的出現(xiàn)得益于紅外傅立葉變換 (FTIR)技術(shù)近40多年來(lái)的發(fā)展,后來(lái)由美國(guó)電力科學(xué)研究院首先應(yīng)用于變電站作ＳＦ６氣體泄漏探測(cè)［1］。目前在國(guó)外已經(jīng)有產(chǎn)品并有相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在十幾年前開(kāi)始引進(jìn)使用和研究，目前上海交大、山東大學(xué)、中科院等機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品，并進(jìn)入到測(cè)試階段。

    2.原理分析

    該系統(tǒng)主要由CO2激光器、紅外探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示設(shè)備組成。 
 
    工作原理是CO2激光入射到被檢測(cè)區(qū)域的物體上，并在物體表面上反射，反射光是沿著原來(lái)的光路，重新返回到檢測(cè)設(shè)備處。由于被測(cè)氣體與背景有不同的吸收率（反射率），被反射回探測(cè)器的光子數(shù)量不同，返回的數(shù)據(jù)被處理后，通過(guò)顯示設(shè)備成像。當(dāng)不存在SF6氣體泄漏時(shí)，返回的紅外能量是背景反射的能量，顯示設(shè)備上能看到目標(biāo)區(qū)域紅外成像圖，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域存在SF6 氣體泄漏時(shí)，由于SF6 氣體對(duì)紅外光線具有強(qiáng)烈吸收作用，所以此時(shí)反射到檢測(cè)設(shè)備的紅外光線能量會(huì)急劇地減弱，SF6氣體在顯示設(shè)備上顯示為黑色煙，并且隨著氣體濃度變化，黑度也不同。

    選擇CO2激光器作為光源是因?yàn)镃O2輸出譜線能被SF6有效吸收，CO2分子的激光能級(jí)圖如圖2所示，CO2分子可能產(chǎn)生的躍遷很多，但其中最強(qiáng)的有兩條，一條波長(zhǎng)在10.6μm，另一條波長(zhǎng)約為9.6μm。  

    CO2激光分子能級(jí)圖有許多條熒光譜線，但在激光器中能同時(shí)形成激光振蕩的只有幾條。如果假設(shè)一定的工作條件使得某條譜線的增益系數(shù)較大，則這條譜線首先起振，同時(shí)抑制了其它譜線的振蕩,但是由外界影響，附近的幾條譜線總是會(huì)交替起振。為了得到單支譜線頻率輸出，可采用外部控制的方法，如采用可調(diào)光柵作為波長(zhǎng)選擇器，是一種可行有效的方法。 
 
    光譜鎖定器 LT-10［2］閉環(huán)控制對(duì)光柵光譜可調(diào)Merit-S實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定功率 (±2%)和頻率穩(wěn)定(單支譜線)， 甚至在室外環(huán)境變化較大的場(chǎng)合也可實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
被測(cè)氣體ＳＦ６是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒可以在常溫下壓縮為液體（320psig）以供商業(yè)應(yīng)用的氣體，具有優(yōu)良絕緣性能和滅弧性能，分子量為146.05［3］。圖4所示是在常溫下ＳＦ６氣體光譜透過(guò)率。在圖中可以看出，ＳＦ６氣體在紅外有一個(gè)以波長(zhǎng)10.56μm為中心吸收帶（對(duì)應(yīng)的CO2激光器譜線10P(16)，對(duì)應(yīng)的波數(shù)947cm-1）。顯然這個(gè)吸收帶比較窄，要獲得穩(wěn)定的，清晰的成像效果，對(duì)激光器輸出譜線頻率的穩(wěn)定性提出一定的要求。激光連續(xù)輸出10P(16)譜線且頻率穩(wěn)定性越好，則成像效果越好。 

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示，發(fā)射系統(tǒng)采用頻率穩(wěn)定，輸出譜線為10P(16)的CO2激光器。光路系統(tǒng)的功能是擴(kuò)束和散射，采用可調(diào)光學(xué)系統(tǒng)，可以方便檢測(cè)不同距離目標(biāo)區(qū)域。紅外探測(cè)器探測(cè)范圍必須與激光發(fā)射譜線相匹配,對(duì)應(yīng)CO2激光器，可使用8～14μm波段的紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)到的信號(hào)可經(jīng)過(guò)高速DSP信號(hào)處理輸出到手持式顯示設(shè)備，或者通過(guò)PC運(yùn)用強(qiáng)大軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)更加智能化的處理。


    激光紅外光譜成像技術(shù)成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到光學(xué)的內(nèi)容帶來(lái)的加工工藝等的困難造成了成本的急劇上升，但是它與其他探測(cè)手段不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得應(yīng)用日益廣泛。隨著激光技術(shù)、紅外成像技術(shù)、高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和普及，相信紅外光譜成像技術(shù)的應(yīng)用并不限于SF6氣體泄漏的探測(cè)，比如通過(guò)譜線可調(diào)型激光器輸出不同的譜線實(shí)現(xiàn)其他氣體探測(cè)，通過(guò)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣體材料分析等。

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