紅外成像探測SF6氣體原理和設計

　　1.介紹
　　
　　由于SulfurHexafluoride（SF6）氣體優良的絕緣性能和滅弧性能，相應的SF6應用產品的可靠性高，檢修工作量少，周期長等與傳統手段相比具有不可比擬的優點，使得SF6應用日益廣泛。伴隨著SF6大量的使用，SF6泄漏問題也開始顯露。傳統的檢測方法因為不能在線檢測、不能快速查找泄漏源等缺點，已不滿足應用要求。
　　
　　激光紅外成像探測技術起源于軍用化學氣體研究，這種被證實可用的方法的出現得益于紅外傅立葉變換（FTIR）技術近40多年來的發展,后來由美國電力科學研究院首先應用于變電站作ＳＦ６氣體泄漏探測［1］。目前在國外已經有產品并有相當規模的應用，國內在十幾年前開始引進使用和研究，目前上海交大、山東大學、中科院等機構已經開發出產品，并進入到測試階段。
　　
　　2.原理分析
　　
　　該系統主要由CO2激光器、紅外探測器、數據處理系統和顯示設備組成。　　工作原理是CO2激光入射到被檢測區域的物體上，并在物體表面上反射，反射光是沿著原來的光路，重新返回到檢測設備處。由于被測氣體與背景有不同的吸收率（反射率），被反射回探測器的光子數量不同，返回的數據被處理后，通過顯示設備成像。當不存在SF6氣體泄漏時，返回的紅外能量是背景反射的能量，顯示設備上能看到目標區域紅外成像圖，當檢測區域存在SF6氣體泄漏時，由于SF6氣體對紅外光線具有強烈吸收作用，所以此時反射到檢測設備的紅外光線能量會急劇地減弱，SF6氣體在顯示設備上顯示為黑色煙，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為CO2輸出譜線能被SF6有效吸收，CO2分子的激光能級圖如圖2所示，CO2分子可能產生的躍遷很多，但其中zui強的有兩條，一條波長在10.6μm，另一條波長約為9.6μm。　　CO2激光分子能級圖有許多條熒光譜線，但在激光器中能同時形成激光振蕩的只有幾條。如果假設一定的工作條件使得某條譜線的增益系數較大，則這條譜線首先起振，同時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，如采用可調光柵作為波長選擇器，是一種可行有效的方法。　　圖3為ACCESS公司應用光譜鎖定器LT-10［2］閉環控制對光柵光譜可調Merit-S實現高度穩定功率（±2%）和頻率穩定（單支譜線），甚至在室外環境變化較大的場合也可實現高度穩定運轉。
　　
　　被測氣體ＳＦ６是一種無色、無嗅、無毒可以在常溫下壓縮為液體（320psig）以供商業應用的氣體，具有優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氣體光譜透過率。在圖中可以看出，ＳＦ６氣體在紅外有一個以波長10.56μm為中心吸收帶（對應的CO2激光器譜線10P（16），對應的波數947cm-1）。顯然這個吸收帶比較窄，要獲得穩定的，清晰的成像效果，對激光器輸出譜線頻率的穩定性提出一定的要求。激光連續輸出10P（16）譜線且頻率穩定性越好，則成像效果越好。　　系統設計如圖5所示，發射系統采用頻率穩定，輸出譜線為10P（16）的CO2激光器。光路系統的功能是擴束和散射，采用可調光學系統，可以方便檢測不同距離目標區域。紅外探測器探測范圍必須與激光發射譜線相匹配,對應CO2激光器，可使用8～14μm波段的紅外探測器。紅外探測到的信號可經過高速DSP信號處理輸出到手持式顯示設備，或者通過PC運用強大軟件功能來實現更加智能化的處理。　　激光紅外光譜成像技術成本高，結構復雜，設計過程涉及到光學的內容帶來的加工工藝等的困難造成了成本的急劇上升，但是它與其他探測手段不可比擬的優點，使得應用日益廣泛。隨著激光技術、紅外成像技術、高速數據處理技術的發展和普及，相信紅外光譜成像技術的應用并不限于SF6氣體泄漏的探測，比如通過譜線可調型激光器輸出不同的譜線實現其他氣體探測，通過更強的數據處理技術可實現氣體材料分析等。