红外成像探测SF6气体原理和设计

1.介绍

由于Sulfur Hexafluoride（SF6）气体优良的绝缘性能和灭弧性能，相应的SF6应用产品的可靠性高，检修工作量少，周期长等与传统手段相比具有不可比拟的优点，使得SF6应用日益广泛。伴随着SF6大量的使用，SF6泄漏问题也开始显露。传统的检测方法因为不能在线检测、不能快速查找泄漏源等缺点，已不满足应用要求。

激光红外成像探测技术起源于军用化学气体研究，这种被证实可用的方法的出现得益于红外傅立叶变换 (FTIR)技术近40多年来的发展,后来由美国电力科学研究院首先应用于变电站作ＳＦ６气体泄漏探测［1］。目前在国外已经有产品并有相当规模的应用，国内在十几年前开始引进使用和研究，目前上海交大、山东大学、中科院等机构已经开发出产品，并进入到测试阶段。

2.原理分析

该系统主要由CO2激光器、红外探测器、数据处理系统和显示设备组成。

图1：激光红外探测原理示意图片

工作原理是CO2激光入射到被检测区域的物体上，并在物体表面上反射，反射光是沿着原来的光路，重新返回到检测设备处。由于被测气体与背景有不同的吸收率（反射率），被反射回探测器的光子数量不同，返回的数据被处理后，通过显示设备成像。当不存在SF6气体泄漏时，返回的红外能量是背景反射的能量，显示设备上能看到目标区域红外成像图，当检测区域存在SF6 气体泄漏时，由于SF6 气体对红外光线具有强烈吸收作用，所以此时反射到检测设备的红外光线能量会急剧地减弱，SF6气体在显示设备上显示为黑色烟，并且随着气体浓度变化，黑度也不同。

选择CO2激光器作为光源是因为CO2输出谱线能被SF6有效吸收，CO2分子的激光能级图如图2所示，CO2分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的有两条，一条波长在10.6μm，另一条波长约为9.6μm。

图2. CO2激光分子能级图[page]

CO2激光分子能级图有许多条荧光谱线，但在激光器中能同时形成激光振荡的只有几条。如果假设一定的工作条件使得某条谱线的增益系数较大，则这条谱线首先起振，同时抑制了其它谱线的振荡,但是由外界影响，附近的几条谱线总是会交替起振。为了得到单支谱线频率输出，可采用外部控制的方法，如采用可调光栅作为波长选择器，是一种可行有效的方法。

图3.ACCESS公司生产光栅光谱可调Merit-S系列激光器功率图

图3为ACCESS公司应用最新光谱锁定器 LT-10［2］闭环控制对光栅光谱可调Merit-S实现高度稳定功率 (±2%)和频率稳定(单支谱线)， 甚至在室外环境变化较大的场合也可实现高度稳定运转。
被测气体ＳＦ６是一种无色、无嗅、无毒可以在常温下压缩为液体（320psig）以供商业应用的气体，具有优良绝缘性能和灭弧性能，分子量为146.05［3］。图4所示是在常温下ＳＦ６气体光谱透过率。在图中可以看出，ＳＦ６气体在红外有一个以波长10.56μm为中心吸收带（对应的CO2激光器谱线10P(16)，对应的波数947cm-1）。显然这个吸收带比较窄，要获得稳定的，清晰的成像效果，对激光器输出谱线频率的稳定性提出一定的要求。激光连续输出10P(16)谱线且频率稳定性越好，则成像效果越好。

图4. SF6气体红外光谱图(NIST2001)

系统设计如图5所示，发射系统采用频率稳定，输出谱线为10P(16)的CO2激光器。光路系统的功能是扩束和散射，采用可调光学系统，可以方便检测不同距离目标区域。红外探测器探测范围必须与激光发射谱线相匹配,对应CO2激光器，可使用8～14μm波段的红外探测器。红外探测到的信号可经过高速DSP信号处理输出到手持式显示设备，或者通过PC运用强大软件功能来实现更加智能化的处理。 [page]

图5：红外成像探测系统示意图

图6.红外成像实物应用示意图

激光红外光谱成像技术成本高，结构复杂，设计过程涉及到光学的内容带来的加工工艺等的困难造成了成本的急剧上升，但是它与其他探测手段不可比拟的优点，使得应用日益广泛。随着激光技术、红外成像技术、高速数据处理技术的发展和普及，相信红外光谱成像技术的应用并不限于SF6气体泄漏的探测，比如通过谱线可调型激光器输出不同的谱线实现其他气体探测，通过更强的数据处理技术可实现气体材料分析等。

参考资料
1. Standoff Wide Area Detection of SF6 by Means of a Passive IR Imaging SpectrometerE.Robert Schildkraut and Raymond F. Connors Block Engineering, Marlborough, MA., 508/480-9643
2. ACCESS LASERCOMPANY http://www.access-laser.com/
3. Visualization of air flow using infrared thermography V. Narayanan, R.H. Page, J. Seyed-Yagoobi Experiments in Fluids 34 (2003) 275–284 DOI 10.1007/s00348-002-0557-x
4. NIST Chemistry Web Book, http://webbook.nist.gov/chemistry