基于可調(diào)諧CO2激光器的SF6差分光聲檢測研究

郭 紅，王新兵，左都羅，陳寶錠

(華中科技大學(xué) 武漢光電國家研究中心，武漢 430074)

引 言

SF6氣體是一種具有良好絕緣和滅弧能力的惰性氣體，廣泛應(yīng)用于變壓器、互感器、高壓開關(guān)等電氣設(shè)備中[1-2]。但是SF6在強(qiáng)烈的電暈、電弧放電等條件下會(huì)分解產(chǎn)生氟化氫等腐蝕性劇毒物質(zhì)，危害公共健康，同時(shí)腐蝕性分解物以及高溫、老化等因素會(huì)誘發(fā)電力設(shè)備損壞，引起SF6泄漏，降低電氣設(shè)備的絕緣和滅弧性能，嚴(yán)重威脅電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。SF6還是一種溫室氣體，其全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)是CO2的23900倍，在可預(yù)見的未來排放到大氣中的SF6會(huì)持續(xù)加重全球變暖[3]。為了減少SF6排放、保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，需要對電力場所中SF6濃度進(jìn)行有效監(jiān)測。

目前SF6的檢測方法主要有氣體密度檢測技術(shù)[4]、紅外吸收光譜技術(shù)[5]、氣相色譜技術(shù)等。這些技術(shù)都存在一定不足，不能完全滿足SF6監(jiān)測需要，例如：氣體密度檢測技術(shù)檢測誤差較大；紅外吸收光譜技術(shù)測量濃度范圍較??；氣相色譜技術(shù)耗時(shí)較長且很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測。光聲光譜(photoacoustic spectroscopy，PAS)技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、檢測濃度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6-7]、環(huán)境監(jiān)測[8-10]、生物醫(yī)學(xué)[11-13]等眾多領(lǐng)域的氣體檢測[14-15]。近年來，運(yùn)用光聲技術(shù)檢測SF6氣體逐漸成為研究熱點(diǎn)，東北電力大學(xué)[16-17]、西南科技大學(xué)[18]、意大利巴里理工[19-21]、伊朗德黑蘭理工[22-23]等研究單位都在這方面做了一定工作，在靈敏度方面達(dá)到了10-9甚至10-12量級，但這些研究中，SF6檢測的背景氣采用的主要是N2等紅外波段吸收極弱的氣體，并沒有考慮到大氣環(huán)境下空氣自身吸收的影響。實(shí)際上空氣自身在紅外波段有一定的吸收能力。實(shí)測結(jié)果表明,空氣自身的光聲信號與體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6的SF6氣體基本相當(dāng)，而傳統(tǒng)的單譜線光聲光譜氣體檢測技術(shù)在大氣環(huán)境下的檢測靈敏度受到嚴(yán)重限制。

本文中基于光聲光譜技術(shù)，結(jié)合大氣環(huán)境的檢測條件，基于波長可調(diào)諧CO2激光器設(shè)計(jì)了一套具有良好穩(wěn)定性的SF6泄漏檢測系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上參照差

分吸收光譜法提出一種差分光聲光譜技術(shù)，以盡量降低空氣自身光聲信號及電噪聲、背景噪聲的影響，提升光聲檢測的靈敏度。

1 光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)

1.1 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)SF6光聲檢測系統(tǒng)包括光源、光聲腔和光聲信號檢測處理3個(gè)模塊，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該光聲檢測系統(tǒng)中光源使用的是相干公司GEM SELECT-100型波長可調(diào)諧CO2激光器，其激光束半徑為1.9mm±0.2mm，光束發(fā)散角為5mrad。在光聲信號檢測處理模塊中并沒有使用放大器，而是將駐極體麥克風(fēng)檢測到的光聲信號濾波后直接輸出，在后續(xù)研究中可以通過增加放大器的方式進(jìn)一步提升所設(shè)計(jì)光聲檢測系統(tǒng)的靈敏度。

在工作時(shí)，CO2激光器輸出確定波數(shù)的強(qiáng)度調(diào)制光，經(jīng)偏振衰減器后照射光聲腔內(nèi)氣體，氣體分子周期性吸收光能激發(fā)和無輻射弛豫放熱，使腔內(nèi)氣體周期性脹縮產(chǎn)生熱聲波，再經(jīng)麥克風(fēng)檢測轉(zhuǎn)換為電信號，所獲電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后便可得出SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)。

Fig.1 Schematic diagram of photoacoustic detection system

1.2 SF6檢測譜線的選擇

SF6氣體檢測譜線的選擇需要同時(shí)考慮吸收譜線的強(qiáng)度和位置，較高的吸收強(qiáng)度可以有效提高光聲信號幅值，適當(dāng)?shù)奈兆V線位置則可以盡量避開干擾氣體的吸收峰，從而降低光聲系統(tǒng)總體噪聲。圖2是在1.01×105Pa(1atm)、20℃條件下基于HITRAN數(shù)據(jù)庫[24]計(jì)算的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6的六氟化硫(SF6)和標(biāo)準(zhǔn)空氣[7]的紅外吸收光譜?？紤]其吸收光譜的強(qiáng)度和位置，可選擇947.777cm-1和947.93cm-1[14-21]兩條譜線。

Fig.2 Absorption spectrum of 0.1×10-6 of SF6 and air

在圖2中，還以點(diǎn)的形式標(biāo)出了CO2激光輸出譜線處SF6及標(biāo)準(zhǔn)氣的吸收強(qiáng)度。由圖2可見，在CO2激光器每一個(gè)輸出譜線位置，空氣均有一個(gè)強(qiáng)度在10-6cm-1(0.1MPa)-1(10-6cm-1·atm-1)量級的吸收峰，該數(shù)值約為體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6的SF6吸收系數(shù)的20%左右，在光聲檢測時(shí)空氣自身的光聲效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此本文中以空氣作為背景氣體，研究了大氣環(huán)境下光聲光譜檢測的實(shí)際情況。

之前SF6檢測譜線主要選擇的是947.777cm-1和947.93cm-1，但由圖2可以看出,947.93cm-1并不是CO2激光器的輸出譜線。結(jié)合CO2激光器輸出譜線位置及SF6吸收強(qiáng)度，同時(shí)避開標(biāo)準(zhǔn)空氣的吸收峰位置，本文中選用10P16(947.777cm-1)和10P12(951.203cm-1)作為檢測譜線，如圖2所示。

1.3 光聲腔設(shè)計(jì)

本文中所設(shè)計(jì)SF6光聲檢測系統(tǒng)采用的是不銹鋼材質(zhì)的圓柱形1階縱向光聲腔，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由共振腔、緩沖室和窗鏡組成。本研究在設(shè)計(jì)過程中，為了保障光聲腔具有良好的聲共振特性，需要選取適當(dāng)?shù)墓舱耦l率和腔常數(shù)。

Fig.3 Schematic diagram of photoacoustic cell

共振頻率是描述光聲腔工作狀態(tài)的參量，以共振頻率調(diào)制光源可使光聲腔工作于共振態(tài)，此時(shí)光聲信號有極大值[25]。共振頻率與光聲腔幾何尺寸的關(guān)系可表示為：

(1)

式中，f100是1階縱向光聲腔的共振頻率，vs是腔內(nèi)氣體中的聲速，L和R分別為共振腔長度和半徑。由(1)式可知，相同條件下共振頻率隨共振腔長度和半徑的增大而減小。另外，在選取共振頻率時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的低頻噪聲和傳聲器的頻率響應(yīng)，為了較好地抑制低頻噪聲(1/f噪聲)，一般要求光聲腔共振頻率高于1kHz，光聲腔共振頻率的上限則取決于傳聲器的頻率響應(yīng)特性，一般取所使用傳聲器頻率響應(yīng)平坦區(qū)間的最大頻率，在本文中其數(shù)值為5kHz。

腔常數(shù)表征了光聲腔將腔內(nèi)氣體吸收的光能轉(zhuǎn)化為聲能的能力[25]，對于工作于共振頻率的1階縱向光聲腔其腔常數(shù)表示為：

(2)

式中，C100為1階縱向光聲腔的腔常數(shù)，Vcell為共振腔體積，Q100為光聲腔品質(zhì)因數(shù)，γ=cp/cV為定壓比熱cp與定容比熱cV之比。

品質(zhì)因數(shù)Q描述了光聲腔內(nèi)能量積累與損耗的比例關(guān)系[25]，其值可由下式計(jì)算得到：

(3)

由(2)式繪制了不同半徑光聲腔腔常數(shù)與腔長的關(guān)系圖，結(jié)果如圖4所示。

Fig.4 Relationship between photoacoustic cell constant and resonator length with different resonator radius

由圖4可知，共振腔半徑越小及腔長越長時(shí)，腔常數(shù)越大。但腔常數(shù)主要取決于共振腔半徑，而在實(shí)際條件下，共振腔半徑不可能無限小，其最小值取決于激光束半徑。綜合考慮光聲腔共振頻率和腔常數(shù)，選取共振腔長為160mm，半徑為3mm。在20℃,0.1MPa,空氣為載氣的條件下，空氣中聲速為349.2m/s，此時(shí)該尺寸光聲腔仿真獲得的共振頻率為1058Hz，品質(zhì)因數(shù)為31，腔常數(shù)為87.49Pa·m·W-1。

為確定制作完成的光聲腔的實(shí)際共振頻率和腔常數(shù)，實(shí)驗(yàn)測量了光聲腔的頻率響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖5所示。圖中實(shí)線是對采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合的結(jié)果，由擬合結(jié)果可知，光聲腔的實(shí)測共振頻率為1066Hz，這與仿真值有一定差異。分析原因是由于：(1)光聲腔加工中會(huì)產(chǎn)生的一定的尺寸誤差；(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度與仿真取值不同而使得聲速比仿真值略大，從而造成共振頻率偏移，可見溫度對光聲信號的影響。但通過在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中對環(huán)境溫度的監(jiān)測，由于環(huán)境溫度變化較小，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響不大。

Fig.5 Frequency response curve of photoacoustic cell

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單譜線光聲SF6氣體檢測

為對比差分光聲光譜技術(shù)與傳統(tǒng)單譜線光聲光譜技術(shù)的靈敏度，首先在所設(shè)計(jì)光聲檢測系統(tǒng)上做了單譜線光聲光譜法SF6檢測的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。選取遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)空氣吸收峰譜線的SF6吸收譜線為951.203cm-1位置處檢測，并在3W光功率下測量獲得的光聲信號與SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖6中圓點(diǎn)所示。

Fig.6 Relationship between photoacoustic signal and SF6 concentration

由圖6可見，在體積分?jǐn)?shù)為60×10-6以下時(shí)，光聲信號與濃度呈良好的線性關(guān)系，但在更高濃度時(shí)光聲信號出現(xiàn)了類似飽和的現(xiàn)象。這是因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)高時(shí)，SF6對入射激光吸收強(qiáng)烈，此時(shí)光聲腔中激光功率在縱向上有明顯的指數(shù)分布，其激勵(lì)的模式與均勻光功率時(shí)的1階縱向模式完全不同，此外共振腔中激光功率要明顯小于入射光功率，故而光聲信號幅值不再隨體積分?jǐn)?shù)線性增加。為驗(yàn)證上述推論，通過朗伯-比爾定律結(jié)合入射光功率，計(jì)算出共振腔中部的光功率，并以此功率與入射光功率間的比值修正所測光聲信號幅值，修正后的結(jié)果如圖6中方形點(diǎn)所示。

由圖6可見，在對光聲信號進(jìn)行修正后，其在較高體積分?jǐn)?shù)時(shí)恢復(fù)了近乎線性的增長，這證明前面的分析是正確的。但即使修正后，在高體積分?jǐn)?shù)時(shí)光聲信號增長趨勢仍比低體積分?jǐn)?shù)時(shí)較緩，這是因?yàn)榍懊嫣岬降墓饴暻恢屑ぐl(fā)的共振模式因功率不均勻而受到破壞。將體積分?jǐn)?shù)為60×10-6以內(nèi)修正后的數(shù)據(jù)提出，單獨(dú)做線性擬合，可以獲得的光聲信號幅值SPA與SF6的體積分?jǐn)?shù)c的關(guān)系式為：

SPA=0.0408·c+0.0028

(4)

式中，光聲信號SPA單位為伏特，0.0028為噪聲項(xiàng)。為對比噪聲項(xiàng)的擬合值與實(shí)驗(yàn)值，也為后續(xù)靈敏度計(jì)算方便，測定了所設(shè)計(jì)光聲系統(tǒng)的總體噪聲，實(shí)驗(yàn)中激光波數(shù)、功率和調(diào)制信號與定標(biāo)時(shí)相同。需要指出的是，為了模擬環(huán)境噪聲，在光聲檢測裝置周圍打開了一些諸如機(jī)械泵的設(shè)備，測量結(jié)果如圖7所示。

Fig.7 Relationship between noise signal an time of photoacoustic detection system

由圖7可見，光聲檢測系統(tǒng)的總體噪聲約為2.3mV，波形呈正弦狀，且頻率與光源調(diào)制頻率相同，這表明所設(shè)計(jì)光聲檢測系統(tǒng)的噪聲主要來自背景噪聲和空氣自身的光聲信號。

依據(jù)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中體積分?jǐn)?shù)為1×10-6的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣的光聲信號數(shù)據(jù)和系統(tǒng)噪聲幅值，結(jié)合靈敏度的表達(dá)式：cmin=c/RSNR，可以得出所設(shè)計(jì)光聲檢測系統(tǒng)在951.203cm-1處對六氟化硫氣體的檢測靈敏度約為0.06×10-6(體積分?jǐn)?shù))。

2.2 差分光聲光譜技術(shù)

傳統(tǒng)單譜線光聲檢測法對SF6氣體的檢測靈敏度可達(dá)10-9甚至10-12量級，但是以上靈敏度是在氮?dú)獾燃t外波段吸收極弱氣體作為背景氣的條件下獲得的，并沒有考慮背景氣體的影響。實(shí)際上，由圖6和圖7可知，空氣自身光聲效應(yīng)所產(chǎn)生的噪聲與10-7量級SF6的光聲信號基本相當(dāng)，故單譜線光聲技術(shù)無法在大氣條件下實(shí)現(xiàn)10-12或10-9量級的SF6檢測。為突破空氣自身光聲效應(yīng)對光聲檢測法靈敏度的限制，本文中基于波長可調(diào)諧CO2激光器，提出了一種基于雙譜線檢測差分光聲光譜技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)中在951.203cm-1和947.777cm-1處分別對SF6氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定標(biāo)，需要指出的是：在947.777cm-1處的數(shù)據(jù)對吸收光功率做修正后，對兩波數(shù)入射光功率的差異也做了修正。兩波數(shù)處光聲信號與SF6體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)見于圖8。

Fig.8 Corrected relationship between photoacoustic signal and SF6concentration at 951.203cm-1and 947.777cm-1

圖8中分別對兩波長的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，擬合優(yōu)度均達(dá)到了99.9%，擬合獲得的光聲信號表達(dá)式為：

SPA，1=0.0408·c+0.0028

(5)

SPA,2=0.0791·c+0.0035

(6)

兩式作差得：

(7)

該式即為差分光聲光譜SF6氣體檢測體積分?jǐn)?shù)的表達(dá)式。

定標(biāo)之后于951.203cm-1處分別測得體積分?jǐn)?shù)為1×10-6和體積分?jǐn)?shù)為10×10-6的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣的光聲信號，修正后的結(jié)果分別0.044V和0.4035V，再檢測947.777cm-1處相同SF6標(biāo)準(zhǔn)氣的光聲信號，修正后所得光聲信號幅值分別為0.0818V和0.8047V，將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入(7)式，得到的體積分?jǐn)?shù)分別為0.97×10-6和10.4×10-6，與標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積分?jǐn)?shù)誤差較小，這說明差分光聲光譜的準(zhǔn)確性相對較好。

由體積分?jǐn)?shù)為1×10-6的SF6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合靈敏度計(jì)算公式可以計(jì)算出采用差分光聲光譜法后靈敏度的值為0.02×10-6(體積分?jǐn)?shù))，相較于單譜線光聲檢測法的測量結(jié)果檢測線靈敏度略有提升，若采用空氣吸收更為接近的兩條譜線，則噪聲項(xiàng)近乎為零，那時(shí)將可進(jìn)一步提升靈敏度。

3 結(jié) 論

采用波長可調(diào)諧CO2激光器設(shè)計(jì)了一套能夠在大氣環(huán)境下檢測SF6的光聲檢測系統(tǒng)，文中對所設(shè)計(jì)光聲系統(tǒng)的基本參量及檢測特性做了詳細(xì)分析，主要成果如下：(1)運(yùn)用所設(shè)計(jì)光聲系統(tǒng)對SF6體積分?jǐn)?shù)做單譜線光聲檢測，并就檢測過程中發(fā)現(xiàn)的高體積分?jǐn)?shù)時(shí)光聲信號類似飽和現(xiàn)象，提出了通過修正腔中光功率進(jìn)而修正光聲信號的方法，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出單譜線檢測時(shí)，光聲系統(tǒng)對SF6氣體檢測的靈敏度為0.06×10-6(體積分?jǐn)?shù))；(2)提出了差分光聲光譜技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，采用該方法后所設(shè)計(jì)光聲系統(tǒng)對SF6的靈敏度為0.02×10-6(體積分?jǐn)?shù))，靈敏度確實(shí)有所提高，且如果選用空氣吸收更為接近的譜線，則可進(jìn)一步提升光聲系統(tǒng)的靈敏度。