分析红外成像探测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。

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，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。

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。

ACCESS公司应用最新光谱锁定器 LT-10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。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。

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。

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。

相关文章

【创客好项目】AiBabe智能红外体温计——为宝宝测温，一键搞定

安防领域的应用--红外热像仪和视频报警系统

车载红外光幕系统无触摸屏的解决方案