郭 紅，王新兵，左都羅，陳寶錠

(華中科技大學 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，廣泛應用于變壓器、互感器、高壓開關等電氣設備中[1-2]。但是SF6在強烈的電暈、電弧放電等條件下會分解產生氟化氫等腐蝕性劇毒物質，危害公共健康，同時腐蝕性分解物以及高溫、老化等因素會誘發(fā)電力設備損壞，引起SF6泄漏，降低電氣設備的絕緣和滅弧性能，嚴重威脅電氣設備的安全穩(wěn)定運行。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，在可預見的未來排放到大氣中的SF6會持續(xù)加重全球變暖[3]。為了減少SF6排放、保證電力系統(tǒng)安全運行，需要對電力場所中SF6濃度進行有效監(jiān)測。

目前SF6的檢測方法主要有氣體密度檢測技術[4]、紅外吸收光譜技術[5]、氣相色譜技術等。這些技術都存在一定不足，不能完全滿足SF6監(jiān)測需要，例如：氣體密度檢測技術檢測誤差較大；紅外吸收光譜技術測量濃度范圍較?。粴庀嗌V技術耗時較長且很難實現現場檢測。光聲光譜(photoacoustic spectroscopy，PAS)技術具有靈敏度高、選擇性好、檢測濃度范圍大等優(yōu)點，廣泛應用于工農業(yè)生產[6-7]、環(huán)境監(jiān)測[8-10]、生物醫(yī)學[11-13]等眾多領域的氣體檢測[14-15]。近年來，運用光聲技術檢測SF6氣體逐漸成為研究熱點，東北電力大學[16-17]、西南科技大學[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。實際上空氣自身在紅外波段有一定的吸收能力。實測結果表明,空氣自身的光聲信號與體積分數為0.1×10-6的SF6氣體基本相當，而傳統(tǒng)的單譜線光聲光譜氣體檢測技術在大氣環(huán)境下的檢測靈敏度受到嚴重限制。

本文中基于光聲光譜技術，結合大氣環(huán)境的檢測條件，基于波長可調諧CO2激光器設計了一套具有良好穩(wěn)定性的SF6泄漏檢測系統(tǒng)，并在此基礎上參照差

分吸收光譜法提出一種差分光聲光譜技術，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)總體結構

所設計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個模塊，其結構示意圖見圖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一步提升所設計光聲檢測系統(tǒng)的靈敏度。

在工作時，CO2激光器輸出確定波數的強度調制光，經偏振衰減器后照射光聲腔內氣體，氣體分子周期性吸收光能激發(fā)和無輻射弛豫放熱，使腔內氣體周期性脹縮產生熱聲波，再經麥克風檢測轉換為電信號，所獲電信號經過數據處理后便可得出SF6氣體的體積分數。

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考慮吸收譜線的強度和位置，較高的吸收強度可以有效提高光聲信號幅值，適當的吸收譜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數據庫[24]計算的體積分數為0.1×10-6的六氟化硫(SF6)和標準空氣[7]的紅外吸收光譜?？紤]其吸收光譜的強度和位置，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，還以點的形式標出了CO2激光輸出譜線處SF6及標準氣的吸收強度。由圖2可見，在CO2激光器每一個輸出譜線位置，空氣均有一個強度在10-6cm-1(0.1MPa)-1(10-6cm-1·atm-1)量級的吸收峰，該數值約為體積分數為0.1×10-6的SF6吸收系數的20%左右，在光聲檢測時空氣自身的光聲效應會產生嚴重影響，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。結合CO2激光器輸出譜線位置及SF6吸收強度，同時避開標準空氣的吸收峰位置，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 光聲腔設計

本文中所設計SF6光聲檢測系統(tǒng)采用的是不銹鋼材質的圓柱形1階縱向光聲腔，其結構如圖3所示，主要由共振腔、緩沖室和窗鏡組成。本研究在設計過程中，為了保障光聲腔具有良好的聲共振特性，需要選取適當的共振頻率和腔常數。

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，以共振頻率調制光源可使光聲腔工作于共振態(tài)，此時光聲信號有極大值[25]。共振頻率與光聲腔幾何尺寸的關系可表示為：

(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，需要考慮系統(tǒng)的低頻噪聲和傳聲器的頻率響應，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特性，一般取所使用傳聲器頻率響應平坦區(qū)間的最大頻率，在本文中其數值為5kHz。

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

(2)

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

品質因數Q描述了光聲腔內能量積累與損耗的比例關系[25]，其值可由下式計算得到：

(3)

由(2)式繪制了不同半徑光聲腔腔常數與腔長的關系圖，結果如圖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，腔常數越大。但腔常數主要取決于共振腔半徑，而在實際條件下，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，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，此時該尺寸光聲腔仿真獲得的共振頻率為1058Hz，品質因數為31，腔常數為87.49Pa·m·W-1。

為確定制作完成的光聲腔的實際共振頻率和腔常數，實驗測量了光聲腔的頻率響應曲線，結果如圖5所示。圖中實線是對采樣點數據進行洛倫茲擬合的結果，由擬合結果可知，光聲腔的實測共振頻率為1066Hz，這與仿真值有一定差異。分析原因是由于：(1)光聲腔加工中會產生的一定的尺寸誤差；(2)實驗時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。但通過在實際實驗過程中對環(huán)境溫度的監(jiān)測，由于環(huán)境溫度變化較小，對實驗結果準確性的影響不大。

Fig.5 Frequency response curve of photoacoustic cell

2 實驗結果與分析

2.1 單譜線光聲SF6氣體檢測

為對比差分光聲光譜技術與傳統(tǒng)單譜線光聲光譜技術的靈敏度，首先在所設計光聲檢測系統(tǒng)上做了單譜線光聲光譜法SF6檢測的相關實驗。選取遠離標準空氣吸收峰譜線的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氣體體積分數的關系如圖6中圓點所示。

Fig.6 Relationship between photoacoustic signal and SF6 concentration

由圖6可見，在體積分數為60×10-6以下時，光聲信號與濃度呈良好的線性關系，但在更高濃度時光聲信號出現了類似飽和的現象。這是因為體積分數高時，SF6對入射激光吸收強烈，此時光聲腔中激光功率在縱向上有明顯的指數分布，其激勵的模式與均勻光功率時的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數線性增加。為驗證上述推論，通過朗伯-比爾定律結合入射光功率，計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，修正后的結果如圖6中方形點所示。

由圖6可見，在對光聲信號進行修正后，其在較高體積分數時恢復了近乎線性的增長，這證明前面的分析是正確的。但即使修正后，在高體積分數時光聲信號增長趨勢仍比低體積分數時較緩，這是因為前面提到的光聲腔中激發(fā)的共振模式因功率不均勻而受到破壞。將體積分數為60×10-6以內修正后的數據提出，單獨做線性擬合，可以獲得的光聲信號幅值SPA與SF6的體積分數c的關系式為：

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。為對比噪聲項的擬合值與實驗值，也為后續(xù)靈敏度計算方便，測定了所設計光聲系統(tǒng)的總體噪聲，實驗中激光波數、功率和調制信號與定標時相同。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械泵的設備，測量結果如圖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，且頻率與光源調制頻率相同，這表明所設計光聲檢測系統(tǒng)的噪聲主要來自背景噪聲和空氣自身的光聲信號。

依據定標實驗中體積分數為1×10-6的SF6標準氣的光聲信號數據和系統(tǒng)噪聲幅值，結合靈敏度的表達式：cmin=c/RSNR，可以得出所設計光聲檢測系統(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(體積分數)。

2.2 差分光聲光譜技術

傳統(tǒng)單譜線光聲檢測法對SF6氣體的檢測靈敏度可達10-9甚至10-12量級，但是以上靈敏度是在氮氣等紅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。實際上，由圖6和圖7可知，空氣自身光聲效應所產生的噪聲與10-7量級SF6的光聲信號基本相當，故單譜線光聲技術無法在大氣條件下實現10-12或10-9量級的SF6檢測。為突破空氣自身光聲效應對光聲檢測法靈敏度的限制，本文中基于波長可調諧CO2激光器，提出了一種基于雙譜線檢測差分光聲光譜技術。

實驗中在951.203cm-1和947.777cm-1處分別對SF6氣體體積分數進行定標，需要指出的是：在947.777cm-1處的數據對吸收光功率做修正后，對兩波數入射光功率的差異也做了修正。兩波數處光聲信號與SF6體積分數的關系數據見于圖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實驗數據進行了擬合，擬合優(yōu)度均達到了99.9%，擬合獲得的光聲信號表達式為：

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氣體檢測體積分數的表達式。

定標之后于951.203cm-1處分別測得體積分數為1×10-6和體積分數為10×10-6的SF6標準氣的光聲信號，修正后的結果分別0.044V和0.4035V，再檢測947.777cm-1處相同SF6標準氣的光聲信號，修正后所得光聲信號幅值分別為0.0818V和0.8047V，將上述實驗結果代入(7)式，得到的體積分數分別為0.97×10-6和10.4×10-6，與標準氣體的體積分數誤差較小，這說明差分光聲光譜的準確性相對較好。

由體積分數為1×10-6的SF6的實驗數據，結合靈敏度計算公式可以計算出采用差分光聲光譜法后靈敏度的值為0.02×10-6(體積分數)，相較于單譜線光聲檢測法的測量結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，則噪聲項近乎為零，那時將可進一步提升靈敏度。

3 結 論

采用波長可調諧CO2激光器設計了一套能夠在大氣環(huán)境下檢測SF6的光聲檢測系統(tǒng)，文中對所設計光聲系統(tǒng)的基本參量及檢測特性做了詳細分析，主要成果如下：(1)運用所設計光聲系統(tǒng)對SF6體積分數做單譜線光聲檢測，并就檢測過程中發(fā)現的高體積分數時光聲信號類似飽和現象，提出了通過修正腔中光功率進而修正光聲信號的方法，并基于實驗數據計算出單譜線檢測時，光聲系統(tǒng)對SF6氣體檢測的靈敏度為0.06×10-6(體積分數)；(2)提出了差分光聲光譜技術，從實驗結果看，采用該方法后所設計光聲系統(tǒng)對SF6的靈敏度為0.02×10-6(體積分數)，靈敏度確實有所提高，且如果選用空氣吸收更為接近的譜線，則可進一步提升光聲系統(tǒng)的靈敏度。