Abstract: The application of detecting SF6 leaking by IR laser imaging system has an important signification. If the emission line of the grating tunable laser is right within the absorb range of SF6, the reflecting line can be received by the IR detector and the system will display the SF6 leaking situation. SF6 gas will absorb more IR spectrum around the center of 10.56μm, so high stability laser output and single output frequency are requested.
?NGM<nK;7 Key words: IR imaging, gas sensing, application of spectrum, SF6, CO2 laser
gLsl/G \'q-Xr'}M 摘 要：激光紅外光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于探測SF6氣體泄漏具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，利用光柵可調(diào)co2激光器使輸出譜線正好在SF6吸收范圍，紅外探測器就能接收反射回的譜線從而顯示氣體泄漏狀況；SF6氣體對以10.56μm為中心的紅外光譜吸收率非常高，要求激光輸出穩(wěn)定性好，且輸出單一頻率。
*%:p01&+ f#ID:Ap3 關(guān)鍵字：紅外成像,氣體探測,光譜應(yīng)用,SF6 ,CO2激光器
f h)Cz) d0Py[37V 1.介紹
J*-m!0 5 由于Sulfur Hexafluoride（SF6）氣體優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，相應(yīng)的SF6應(yīng)用產(chǎn)品的可靠性高，檢修工作量少，周期長等與傳統(tǒng)手段相比具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得SF6應(yīng)用日益廣泛。伴隨著SF6大量的使用，SF6泄漏問題也開始顯露。傳統(tǒng)的檢測方法因?yàn)椴荒茉诰�檢測、不能快速查找泄漏源等缺點(diǎn)，已不滿足應(yīng)用要求。
)r~$N0\D 激光紅外成像探測技術(shù)起源于軍用化學(xué)氣體研究，這種被證實(shí)可用的方法的出現(xiàn)得益于紅外傅立葉變換 (FTIR)技術(shù)近40多年來的發(fā)展,后來由美國電力科學(xué)研究院首先應(yīng)用于變電站作ＳＦ６氣體泄漏探測
［1］。目前在國外已經(jīng)有產(chǎn)品并有相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用，國內(nèi)在十幾年前開始引進(jìn)使用和研究，目前上海交大、山東大學(xué)、中科院等機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出產(chǎn)品，并進(jìn)入到測試階段。
`ihlKFX 2.原理分析
W|NzdxCY 該系統(tǒng)主要由CO2激光器、紅外探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示設(shè)備組成。
f` 2W}|(jA O/e5LA 圖1：激光紅外探測原理示意圖片
$LRvPan` 工作原理是CO2激光入射到被檢測區(qū)域的物體上，并在物體表面上反射，反射光是沿著原來的光路，重新返回到檢測設(shè)備處。由于被測氣體與背景有不同的吸收率（反射率），被反射回探測器的光子數(shù)量不同，返回的數(shù)據(jù)被處理后，通過顯示設(shè)備成像。當(dāng)不存在SF6氣體泄漏時，返回的紅外能量是背景反射的能量，顯示設(shè)備上能看到目標(biāo)區(qū)域紅外成像圖，當(dāng)檢測區(qū)域存在SF6 氣體泄漏時，由于SF6 氣體對紅外光線具有強(qiáng)烈吸收作用，所以此時反射到檢測設(shè)備的紅外光線能量會急劇地減弱，SF6氣體在顯示設(shè)備上顯示為黑色煙，并且隨著氣體濃度變化，黑度也不同。
_'ltz!~ 選擇CO2激光器作為光源是因?yàn)镃O2輸出譜線能被SF6有效吸收，CO
2分子的激光能級圖如圖2所示，CO
2分子可能產(chǎn)生的躍遷很多，但其中最強(qiáng)的有兩條，一條波長在10.6μm，另一條波長約為9.6μm。
m>x.4aO1 圖2. CO2激光分子能級圖
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}r*U? CO2激光分子能級圖有許多條熒光譜線，但在激光器中能同時形成激光振蕩的只有幾條。如果假設(shè)一定的工作條件使得某條譜線的增益系數(shù)較大，則這條譜線首先起振，同時抑制了其它譜線的振蕩,但是由外界影響，附近的幾條譜線總是會交替起振。為了得到單支譜線頻率輸出，可采用外部控制的方法，如采用可調(diào)光柵作為波長選擇器，是一種可行有效的方法。
YjdCCju 圖3.ACCESS公司生產(chǎn)光柵光譜可調(diào)Merit-S系列激光器功率圖
SuB;Nb7r` 圖3為ACCESS公司應(yīng)用最新光譜鎖定器 LT-10
［2］閉環(huán)控制對光柵光譜可調(diào)Merit-S實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定功率 (±2%)和頻率穩(wěn)定(單支譜線)， 甚至在室外環(huán)境變化較大的場合也可實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。被測氣體ＳＦ６是一種無色、無嗅、無毒可以在常溫下壓縮為液體（320psig）以供商業(yè)應(yīng)用的氣體，具有優(yōu)良絕緣性能和滅弧性能，分子量為146.05
［3］。圖4所示是在常溫下ＳＦ６氣體光譜透過率。在圖中可以看出，ＳＦ６氣體在紅外有一個以波長10.56μm為中心吸收帶（對應(yīng)的CO2激光器譜線10P(16)，對應(yīng)的波數(shù)947cm
-1）。顯然這個吸收帶比較窄，要獲得穩(wěn)定的，清晰的成像效果，對激光器輸出譜線頻率的穩(wěn)定性提出一定的要求。激光連續(xù)輸出10P(16)譜線且頻率穩(wěn)定性越好，則成像效果越好。
V()s ! w 圖4. SF6氣體紅外光譜圖(NIST2001)
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