尹旭坤 董磊 武紅鵬 劉麗嫻 邵曉鵬?

1) (西安電子科技大學(xué), 西安市計(jì)算成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071)

2) (西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 西安 710071)

3) (山西大學(xué), 激光光譜研究所, 量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030006)

針對電力系統(tǒng)對六氟化硫電氣絕緣設(shè)備中氣體衍生物的在線高精度探測需要, 提出了差分雙通道結(jié)構(gòu)的光聲池作為光聲探測模塊, 并使用中心波長為2.3 μm的分布式反饋(distributed feedback laser, DFB)激光器作為激勵(lì)光源, 搭建了一款工作在高濃度六氟化硫背景氣體中的一氧化碳?xì)怏w傳感器.通過光聲共振理論模擬和設(shè)計(jì), 在純六氟化硫氣體中光聲池的品質(zhì)因子為84, 相對于在氮?dú)廨d氣中的品質(zhì)因子提高了約4倍.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 差分結(jié)構(gòu)光聲池的最大氣體流速較單共振腔光聲池提高了6倍, 且具有較強(qiáng)的噪聲免疫能力.在對傳感器系統(tǒng)的共振頻率、氣流速度和工作壓強(qiáng)等參數(shù)優(yōu)化后, 在1 s的積分時(shí)間下, 獲得一氧化碳?xì)怏w的探測靈敏度為體積分?jǐn)?shù)1.18 × 10–6, 對應(yīng)的歸一化噪聲等效濃度(1σ)為3.68 × 10–8 cm–1·W·Hz–1/2.該傳感器的靈敏度高, 選擇性好且噪聲免疫能力強(qiáng), 可以為電力系統(tǒng)中潛在性絕緣故障診斷提供一種在線探測技術(shù),具有重要的應(yīng)用前景.

1 引 言

隨著特高壓、新能源汽車充電樁、5G基站等“新基建”戰(zhàn)略的提出和發(fā)展, 電能以核心能源形式將貫穿“新基建”始終, 助力高耗能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)行, 因此高電壓等級的變電站紛紛建立.因?yàn)榱?SF6)氣體是一種具有強(qiáng)電負(fù)性的惰性氣體, 在均勻電場中的絕緣強(qiáng)度是空氣的2.5倍,滅弧能力達(dá)到空氣100倍, 因此以SF6氣體為絕緣介質(zhì)材料的電氣設(shè)備得到廣泛應(yīng)用.純凈的SF6氣體是無色、無味、無毒的, 且化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定, 不易分解.但是在高電壓電氣設(shè)備的長時(shí)間運(yùn)行過程中, 由于電機(jī)氧化、絕緣子擊穿、觸頭接觸不良等多種絕緣故障的出現(xiàn), 會(huì)在設(shè)備中出現(xiàn)局部過熱,并出現(xiàn)電暈、電火花和電弧等放電現(xiàn)象, 并將SF6氣體分解為低硫氟化物SFx(x = 1—5)和F原子.在電氣設(shè)備中會(huì)不可避免的存在水汽(H2O)、氧氣(O2)和氮?dú)?N2)等氣體雜質(zhì), 并與低硫氟化物發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)、四氟化碳(CF4)、二氧化硫(SO2)、二硫化碳(CS2)等有毒或有腐蝕性的氣體[1?4].這些氣體衍生物的積累和化學(xué)反應(yīng)會(huì)降低電氣設(shè)備中的SF6氣體純度, 并腐蝕電極絕緣材料, 使其沿面閃洛電壓降低, 形成更嚴(yán)重的絕緣故障, 甚至可能會(huì)發(fā)生爆炸, 造成大面積停電, 對儀器設(shè)備和生產(chǎn)人員形成安全威脅.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 不同SF6氣體衍生物的組分、生成速率及濃度等信息與電氣設(shè)備中絕緣故障的類型相關(guān),因此可以通過檢測這些氣體衍生物的濃度信息來判斷設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài).例如, 在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear, GIS)中CO氣體的體積分?jǐn)?shù)一般小于 20 × 10–6, 其主要來源是絕緣紙、互感器和涂料等有機(jī)絕緣材料過熱故障.因此可以通過檢測CO氣體的濃度和生成速率對電氣設(shè)備的內(nèi)部絕緣狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷.

目前, 在電力系統(tǒng)和國標(biāo)GB/T 18667-2014中主要采用氣相色譜儀來測定SF6載氣中的痕量氣體組分濃度.該方法檢測靈敏度高, 可以對多種氣體組分進(jìn)行檢測, 但是在檢測過程中會(huì)混入水分造成部分氣體組分水解, 且儀器造價(jià)高, 檢測時(shí)間長, 無法提供在線測量數(shù)據(jù), 比較適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的應(yīng)用場景.隨著光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 已有多種光學(xué)痕量氣體傳感器被設(shè)計(jì)和應(yīng)用到SF6氣體衍生物探測領(lǐng)域.例如: Zhang等[5]和Heise等[6]利用傅里葉紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)測量了H2S和CS2等氣體組分; Wang等[7]采用腔增強(qiáng)型拉曼光譜技術(shù)測量了CO2和CO等多種氣體組分濃度; Cui等[8]使用14.3 m的多通池氣體吸收光譜技術(shù)測量了CO氣體.這些直接吸收光譜技術(shù)的探測靈敏度高,但傳感系統(tǒng)體積大、成本高、容易受到探測器的功率極限和探測波長等性能的限制.而光聲光譜技術(shù)[9?14]以無波長選擇性、無背景信號、探測靈敏度與激勵(lì)光功率成正比等優(yōu)勢, 已被應(yīng)用大氣污染物監(jiān)測、無創(chuàng)醫(yī)療診斷、工業(yè)過程控制等多個(gè)領(lǐng)域.在電氣設(shè)備氣體分解物檢測領(lǐng)域, Chen 等[15]利用近紅外DFB光源結(jié)合光聲光譜技術(shù)測量了H2S氣體, 在100 s的積分時(shí)間下傳感器靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為15 × 10–9; Zhang等[16]使用懸臂梁增強(qiáng)的光聲光譜儀在SF6載氣下測得H2S氣體的探測靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為1.75 × 10–6; Luo等[17]使用中紅外寬譜光源和非共振光聲池測量了CO, SO2和CF4氣體, 對應(yīng)的探測靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為5.9 ×10–6, 8.3 × 10–6和5.5 × 10–6, 但不能滿足電力行業(yè)對氣體衍生物高探測靈敏度的需求; Sun等[18]基于大振臂的T型石英音叉在10 s的積分時(shí)間下獲得了CO氣體的靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為1 0 × 10–9,但是自制石英音叉的價(jià)格比較高, 在純SF6載氣中長期穩(wěn)定性比較差, 不利于電力系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用;Yin等[19]使用輸出功率為10 W的光纖放大器結(jié)合光聲池測得了CO氣體的探測靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為110 × 10–9, 但是高功率的激勵(lì)光源帶來準(zhǔn)直難度大、背景噪聲強(qiáng)等問題, 且需要光垃圾池等配件, 系統(tǒng)比較復(fù)雜, 維修成本較高.其他已報(bào)道的CO光聲氣體傳感器都是以N2或空氣為載氣[20,21],而電氣設(shè)備中載氣是純SF6氣體, 載氣的變化會(huì)影響傳感器的性能.例如石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)的信號幅值是與音叉式石英晶振的品質(zhì)因數(shù)Q成正比的, 而在高濃度的SF6載氣中, 由于受到較強(qiáng)的氣體阻尼, 音叉式石英晶振的Q值下降為在空氣中的1/5, 導(dǎo)致傳感器的探測靈敏度下降, 因此這些CO氣體傳感器不能直接用于電氣絕緣故障檢測中[3,22,23].

光聲光譜技術(shù)的一個(gè)特性是探測靈敏度與待測氣體的吸收線強(qiáng)度成正比[24?26], 因此本項(xiàng)研究選擇2.33 μm的DFB激光器作為激勵(lì)光源來探測CO氣體, 具有較強(qiáng)的吸收線強(qiáng)度且可以避開高濃度SF6氣體在中紅外波長區(qū)域的吸收干擾.此外, 相對于N2氣體, SF6氣體的相對分子質(zhì)量和密度比較大, 容易引起氣流噪聲, 因此設(shè)計(jì)了雙通道差分結(jié)構(gòu)的光聲池來減小SF6氣體帶來的氣流噪聲, 并減低傳感器響應(yīng)時(shí)間, 在對傳感系統(tǒng)的壓強(qiáng)、氣流速度等工作條件優(yōu)化后, 獲得了體積分?jǐn)?shù)為10–6量級的探測靈敏度, 可以滿足電力系統(tǒng)中的應(yīng)用需求, 為我國智能電網(wǎng)、特高壓、新基建等領(lǐng)域的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ).

2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CO氣體探測波長和激勵(lì)光源的選擇

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫, CO分子在紅外波長區(qū)域有三個(gè)比較強(qiáng)的吸收帶, 分別位于波長1.56,2.33和4.7 μm附近, 其中4.7 μm是CO分子的基頻吸收帶, 吸收線強(qiáng)度最高.此外, SF6分子僅在10—17.2 μm波長區(qū)域有強(qiáng)的υ3, υ4和υ4+ υ6– υ6吸收帶, 在波長小于10 μm的區(qū)域沒有吸收, 因此為獲得最佳的CO氣體探測靈敏度, 應(yīng)選擇基頻吸收帶作為探測波長.但是在電氣設(shè)備中載氣SF6的濃度高于99.8%, SF6分子在中紅外區(qū)域原本較弱的吸收線會(huì)對其他氣體衍生物的探測造成干擾.圖1展示的是將純SF6氣體和濃度為0.1%的CO/N2標(biāo)準(zhǔn)氣分別通入到吸收路徑為9.5 m的多通池后, 并利用FTIR(Thermofisher Nicolet IS50)測量獲得的紅外吸收譜線圖.從圖1中看出在波長大于3.3 μm(尤其在5.5—10.0 μm)區(qū)域, SF6分子出現(xiàn)連續(xù)且較強(qiáng)的吸收譜線.盡管CO分子在4.7 μm附近有最強(qiáng)的基頻吸收帶, 但是在電氣設(shè)備中SF6氣體濃度的微弱變化都會(huì)對光聲信號造成干擾, 影響傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的測量精度.圖1插圖中展示了SF6分子在2.33 μm附近對CO的探測沒有吸收干擾, 且CO分子吸收線強(qiáng)度在2.33 μm附近比在1.56 μm附近強(qiáng)兩個(gè)數(shù)量級, 因此選擇波長2.33 μm作為CO氣體的目標(biāo)吸收線.

圖1 純SF6氣體和0.1% CO/N2氣體混合物在1—10 μm波長區(qū)域的紅外吸收譜線; 插圖: 在2.28—2.42 μm波長區(qū)域放大的吸收譜線Fig.1.The infrared absorbance spectrum cures of pure SF6 and 0.1% CO/N2 gas mixture between 1–10 μm wavelength region; Insert: The enlarged view of absorbance spectrum between 2.28–2.42 μm region.

一個(gè)單模的DFB激光器(nanoplus nanosystems and technologies)被選擇作為激勵(lì)光源, 輸出波數(shù)為4285 cm–1, 對應(yīng)的吸收線強(qiáng)度為3.4 ×10–21cm/molecule.根據(jù)HITAN數(shù)據(jù)庫, SO2, CO2,CF4和H2S等常見的SF6氣體衍生物在波數(shù)為4260—4305 cm–1之間沒有明顯的吸收線, 而從圖2中可以看出, H2O分子(4282.4 cm–1)的吸收線強(qiáng)度比CO分子在第一泛頻吸收帶附近的吸收線強(qiáng)度弱三個(gè)數(shù)量級, 因此CO分子的探測不受常見的SF6氣體衍生物和水汽的影響.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量, 激光器的電流和溫度調(diào)制系數(shù)分別為–0.049 cm–1/mA和–0.403 cm–1/℃.當(dāng)激光器的溫度設(shè)定為29.8 ℃, 輸入電流為90 mA時(shí), 輸出的激光功率為2.3 mW.

圖2 CO和H2O氣體在4260—4308 cm–1波數(shù)范圍的吸收線位置和對應(yīng)的吸收線強(qiáng)度Fig.2.The absorption line positions and line strengths of CO and H2O gas between 4260–4308 cm–1.

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光聲光譜法的CO氣體傳感系統(tǒng)示意圖如圖3所示.一瓶純SF6和一瓶體積分?jǐn)?shù)為1000 ×10–6的CO/SF6標(biāo)準(zhǔn)氣輸入到配氣系統(tǒng)后, 用于制作不同濃度的CO/SF6氣體.在光聲池的進(jìn)氣口和出氣口通過壓力控制器、隔膜氣泵及針閥來控制和維持整個(gè)系統(tǒng)的壓強(qiáng)和氣體流速.光聲池由兩個(gè)尺寸完全一樣的光學(xué)諧振腔(尺寸為φ90 mm ×8 mm)、兩個(gè)氣體緩沖室(φ20 mm × 10 mm)及兩片光學(xué)窗口(φ25.4 mm × 5 mm)構(gòu)成.在每一個(gè)諧振腔的中間部位開一個(gè)小孔, 并安裝一個(gè)高靈敏的駐極體麥克風(fēng)來探測在聲學(xué)腔中積累的光聲信號.兩個(gè)麥克風(fēng)的尺寸大小為6.0 mm × 2.7 mm,靈敏度為(–40 ± 2) dB, 且在頻率1 kHz附近的響應(yīng)幾乎一樣.從麥克風(fēng)輸出的電流信號輸入到一個(gè)自制的差分放大電路后, 輸送給鎖相放大器(Stanford, SR830)進(jìn)行解調(diào).由于采用了結(jié)構(gòu)完全對稱的光聲池, 在沒有激勵(lì)光通過光聲池時(shí), 麥克風(fēng)探測到的氣流噪聲和環(huán)境噪聲等技術(shù)噪聲的幅值和相位相同, 因此可以通過差分電路降低系統(tǒng)的背景噪聲.鎖相放大器的積分時(shí)間設(shè)置為1 s, 濾波器斜率為12 dB/oct, 對應(yīng)的探測帶寬 ? f=0.25 Hz.

圖3 在SF6載氣下的CO氣體傳感器裝置示意圖Fig.3.Schematic of CO gas sensor system in SF6 buffer gas.

DFB激光器的溫度由臺式溫度控制器(Thorlabs, TED200C)控制, 在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為29.8 ℃.為實(shí)施2f 波長調(diào)制技術(shù)來獲得較高的探測靈敏度,激光器的電流由電流驅(qū)動(dòng)器(Newport, ILX3220)控制.從信號發(fā)生器(Agilent, 33500B)輸出一路鋸齒波信號和一路正弦波信號, 并通過自制加法器輸入到電流驅(qū)動(dòng)器來掃描激光器的波長.鋸齒波信號的周期為掃描一個(gè)完整二次諧波信號所需時(shí)間,正弦波信號的頻率為光聲池共振頻率的一半, 峰峰值為激光器的調(diào)制深度.從DFB激光器輸出的激光輸入到一個(gè)光纖準(zhǔn)直器(Thorlabs, F810APC),輸出的束腰直徑為7.3 mm, 光束發(fā)散全角是0.02°,因此激光可以在不碰到共振腔壁的情況下潔凈地通過光聲池.

3 傳感系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 光聲共振頻率

光聲池的共振頻率 f 一般可以用f=ν/(2L)計(jì)算所得, 式中 ν 是聲速, L 是共振腔長度.在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20 ℃時(shí), 在N2中的聲速為340 m/s, 在SF6氣體中的聲速為133 m/s, 因此需要對光聲池的頻率進(jìn)行測量標(biāo)定.光聲光譜技術(shù)的信號幅值S是與光聲池常數(shù)C, 激勵(lì)光功率P及目標(biāo)氣體分子的吸收系數(shù)α成正比的, 即S = CαP.在選定了激勵(lì)光源和目標(biāo)吸收線后, 可以通過提高光聲池的品質(zhì)因數(shù)Q來獲得較高的光聲池常數(shù)C.共振光聲池的Q值可以用粘性邊界層厚度 dv和熱邊界層厚度 dh來計(jì)算:

式中, R是光聲共振腔的半徑; γ是指在恒定壓力和恒定體積中的氣體比熱容; dv=(μ/ρ0πf)1/2,dh=(κM/cpρ0πf)1/2, μ 是氣體黏性, ρ0是氣體密度, κ 是氣體導(dǎo)熱系數(shù), M 是摩爾質(zhì)量, cp是指在恒壓下氣體混合物的比熱容.因此可以通過代入SF6氣體的物理常數(shù)以及光聲共振腔的尺寸, 計(jì)算得到在SF6載氣中Q值為81.如圖4所示, 將濃度為0.1%的CO/SF6和CO/N2氣體分別通入到光聲池中, DFB激光器的輸出波長鎖定在CO氣體的吸收線(4285 cm–1)上, 并以0.1 Hz的步進(jìn)掃描正弦波的頻率即可獲得光聲池的共振頻率響應(yīng)曲線.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Q值計(jì)算公式Q=f/?f得到, 在0.1% CO/N2氣體中光聲池的共振頻率f2為1722.5 Hz, 線寬 ? f2為77.07 Hz, 計(jì)算得品質(zhì)因數(shù)Q2為23, 在0.1% CO/SF6氣體中, 光聲池的共振頻率 f1為683.7 Hz, 線寬 ? f1為8.04 Hz, 品質(zhì)因數(shù)Q1為85, 與理論計(jì)算值基本一致.光聲光譜技術(shù)的信號幅值是與品質(zhì)因數(shù)成正比的, 因此在SF6載氣中采用光聲池可以獲得較高的探測靈敏度.

圖4 在0.1% CO/SF6和0.1% CO/N2載氣下的光聲池頻率響應(yīng)曲線Fig.4.Frequency response curves of photoacoustic cell in 0.1% CO/SF6 and 0.1% CO/N2.

3.2 氣體流速

光聲氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間是指加入目標(biāo)待測氣體后, 達(dá)到信號穩(wěn)定幅值的90%所需時(shí)間.響應(yīng)時(shí)間主要是受目標(biāo)氣體與光聲池壁的吸附退吸時(shí)間和氣體在光聲池里的交換時(shí)間影響, 可以通過對光聲池加熱、表面拋光、選不易吸附的材料及增加氣體流速來降低傳感器的響應(yīng)時(shí)間.對于CO氣體來說, 氣體與池壁的吸附與退吸附過程快, 可以瞬間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡, 吸附時(shí)間可以忽略不計(jì).傳感器系統(tǒng)的換氣時(shí)間主要與氣流速度和光聲池體積有關(guān), 因此在實(shí)驗(yàn)中可以通過增加氣體流速來減低傳感器的響應(yīng)時(shí)間.但由于SF6氣體的密度和相對分子質(zhì)量分別是N2的5.6和5.2倍, 因此隨著氣體流速的增加, 光聲池的氣流噪聲會(huì)急劇增加.如圖5所示是在不同的SF6氣體流速下單通道和雙通道光聲池的噪聲和信號幅值變化曲線.單通道光聲池的共振腔與雙通道光聲池共振腔的尺寸一樣,內(nèi)徑為8 mm, 長度為90 mm.從圖5中可以看出,在高濃度的SF6氣體中, 當(dāng)氣流速度> 20 sccm時(shí), 單通道光聲池的背景噪聲開始急劇增長, 而雙通道光聲池的噪聲在流速> 120 sccm后開始增長.此外, 在體積分?jǐn)?shù)為500 × 10–6的CO/SF6氣體中, 雙通道和單通道光聲池的信號幅值幾乎相等,且隨著氣體流速的增加基本保持不變.因此, 雙通道差分結(jié)構(gòu)的光聲池對傳感器系統(tǒng)流速噪聲有很強(qiáng)的抑制作用.為獲得較快的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間, 在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中傳感器系統(tǒng)的氣流速度都設(shè)置為100 sccm.

圖5 單通道和雙通道光聲池在不同SF6氣體流速下的信號和噪聲響應(yīng)Fig.5.Sensor system noise and signal amplitude of the single-resonator and the double-resonator photoacoustic cells in different SF6 gas flow rate.

3.3 氣體壓強(qiáng)

對于光聲光譜技術(shù), 光聲池的Q值, 目標(biāo)氣體分子的吸收系數(shù)α, 最佳的激光調(diào)制深度等參數(shù)是與傳感器的工作壓強(qiáng)相關(guān)的, 因此需要在不同的壓強(qiáng)下對光聲傳感器的性能進(jìn)行優(yōu)化.將體積分?jǐn)?shù)為500 × 10–6的CO/SF6氣體通入了光聲池后,在200—760 Torr (1 Torr = 1.33 × 102Pa)的工作壓強(qiáng)范圍內(nèi), 對每個(gè)壓強(qiáng)下激光器的調(diào)制深度進(jìn)行了優(yōu)化, 并記錄傳感器最高的光聲信號幅值, 如圖6所示.從圖6可以看出, 隨著壓強(qiáng)的增加, 傳感器的信號幅值呈正比例的增長, 因此為獲得最佳的探測靈敏度, 后面的實(shí)驗(yàn)中, 傳感器的工作壓強(qiáng)都保持在760 Torr.

圖6 在體積分?jǐn)?shù)為500 × 10–6的CO/SF6氣體中光聲信號與氣體壓強(qiáng)的線性響應(yīng)圖Fig.6.Linear response of photoacoustic signal and gas pressure in the volume fraction of 500 × 10–6 CO/SF6 gas.

4 傳感器性能評估

為評估傳感系統(tǒng)的靈敏度, 體積分?jǐn)?shù)為0—300 × 10–6的CO/SF6混合氣體被依次通入到光聲池中, 在光聲信號穩(wěn)定后(約2 min), 連續(xù)記錄100 s光聲信號幅值, 并展示在圖7中.以體積分?jǐn)?shù)為50 × 10–6的CO/SF6混合氣體為例, 光聲信號幅值為19.6 μV, 計(jì)算得到1σ探測信噪比為27.1,在1 s的積分時(shí)間下獲得傳感器的探測靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為1.85 × 10–6, 對應(yīng)的歸一化噪聲等效濃度為3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.

圖7 不同CO/SF6氣體濃度下的光聲信號幅值響應(yīng)Fig.7.Photoacoustic signal in different CO/SF6 gas concentrations.

為評估傳感器的響應(yīng)線性度, 不同濃度的CO/SF6混合氣體(體積分?jǐn)?shù)為0—1000 × 10–6)被依次通入到光聲池中, 待信號穩(wěn)定后記錄每個(gè)濃度下的最高信號幅值.如圖8所示, 通過線性擬合獲得傳感器的R2值為0.9997, 證明該傳感器具有優(yōu)異的線性響應(yīng)性能.

圖8 CO/SF6氣體傳感器的響應(yīng)線性度Fig.8.Linearity of CO/SF6 gas sensor system.

5 結(jié) 論

在電力系統(tǒng)中可以通過檢測SF6電氣絕緣設(shè)備中CO氣體的濃度和生成速率來對電氣設(shè)備內(nèi)部潛在性絕緣狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷, 本文中使用波數(shù)為4285 cm–1的DFB激光器作為激勵(lì)光源, 避開了高濃度SF6在中外波長區(qū)域的吸收干擾, 且吸收線強(qiáng)度比在1.56 μm波長附近強(qiáng)兩個(gè)數(shù)量級.利用SF6氣體的物理特性設(shè)計(jì)了高Q值的光聲池, 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量比在N2中Q值高了約4倍, 與理論結(jié)果一致.此外, 差分結(jié)構(gòu)的雙通道光聲池可以將系統(tǒng)最大氣流速度提高到120 sccm,降低了傳感系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間, 且具有較強(qiáng)的噪聲免疫能力.在對傳感器系統(tǒng)的共振頻率和壓強(qiáng)優(yōu)化后,在SF6載氣下獲得了CO氣體最佳探測靈敏度的體積分?jǐn)?shù)為1.18 × 10–6, 歸一化噪聲等效濃度(1σ)為3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.下一步工作可以通過使用更高功率的激勵(lì)光源來進(jìn)一步提高CO氣體的探測靈敏度, 并設(shè)計(jì)長度較短的諧振腔來進(jìn)一步提高Q值并縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間.