紅外成像探測SF6氣體原理和設計

1.介紹

由于Sulfur Hexafluoride（SF6）氣體優良的絕緣性能和滅弧性能，相應的SF6應用產品的可靠性高，檢修工作量少，周期長等與傳統手段相比具有不可比擬的優點，使得SF6應用日益廣泛。伴隨著SF6大量的使用，SF6泄漏問題也開始顯露。傳統的檢測方法因為不能在線檢測、不能快速查找泄漏源等缺點，已不滿足應用要求。

激光紅外成像探測技術起源于軍用化學氣體研究，這種被證實可用的方法的出現得益于紅外傅立葉變換 (FTIR)技術近40多年來的發展,后來由美國電力科學研究院首先應用于變電站作ＳＦ６氣體泄漏探測［1］。目前在國外已經有產品并有相當規模的應用，國內在十幾年前開始引進使用和研究，目前上海交大、山東大學、中科院等機構已經開發出產品，并進入到測試階段。

2.原理分析

該系統主要由CO2激光器、紅外探測器、數據處理系統和顯示設備組成。

圖1：激光紅外探測原理示意圖片

工作原理是CO2激光入射到被檢測區域的物體上，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量不同，返回的數據被處理后，通過顯示設備成像。當不存在SF6氣體泄漏時，返回的紅外能量是背景反射的能量，顯示設備上能看到目標區域紅外成像圖，當檢測區域存在SF6 氣體泄漏時，由于SF6 氣體對紅外光線具有強烈吸收作用，所以此時反射到檢測設備的紅外光線能量會急劇地減弱，SF6氣體在顯示設備上顯示為黑色煙，并且隨著氣體濃度變化，黑度也不同。

選擇CO2激光器作為光源是因為CO2輸出譜線能被SF6有效吸收，CO2分子的激光能級圖如圖2所示，CO2分子可能產生的躍遷很多，但其中最強的有兩條，一條波長在10.6μm，另一條波長約為9.6μm。

圖2. CO2激光分子能級圖