利用黑体辐射源和球形亥姆霍兹共振器的增强型光声SF6传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Enhanced Photoacoustic SF 6 Sensor Using a Blackbody Radiation Source with Spherical Helmholtz Resonator

提出基于宽带黑体光源与差分球谐振腔的光声SF6传感器，通过优化光耦合结构实现高灵敏度检测，检测限达6.83 ppb，并验证了其在复杂环境下的适用性。

　　本研究聚焦于一种新型的六氟化硫（SF6）光电声传感器的开发，旨在解决现有检测技术在成本、结构复杂性以及现场部署方面的不足。SF6作为一种关键的绝缘气体，广泛应用于高压电气设备中，例如气体绝缘开关设备（GIS）、气体绝缘导线（GIL）和气体绝缘变压器（GIT）等。然而，由于其极高的全球变暖潜力（GWP）以及泄漏可能引发的爆炸风险，SF6的检测具有重要的现实意义。目前，高灵敏度的SF6检测主要依赖于中红外激光光电声光谱（PAS）传感器，但这些系统通常存在成本高昂、结构复杂以及难以在复杂环境中进行现场部署的问题。

为了克服上述挑战，本文提出了一种基于宽带光源与差分球形亥姆霍兹共振腔的新型光电声传感器。该传感器采用低成本、小体积的黑体辐射源作为激发光源，通过球形亥姆霍兹共振腔结构实现对发散光的有效耦合和利用，从而达到高灵敏度的气体检测效果。实验结果表明，该传感器在SF6检测中的线性度达到了0.999，检测限为408.8 ppb，并且在平均时间529秒后可进一步降低至6.83 ppb。基于球形亥姆霍兹共振腔与黑体辐射源之间的高效耦合配置，该传感器不仅具备对SF6气体的ppb级检测能力，还展现出良好的扩展性，能够应用于其他气体的检测，为光电声检测提供了一种低成本、高灵敏度的解决方案。

### SF6的应用与检测需求

SF6因其优异的电气绝缘性能和电弧熄灭能力，被广泛应用于气体绝缘设备中。然而，由于电气故障引发的过电压可能导致SF6泄漏，这种泄漏不仅会影响设备的绝缘性能，还可能引发严重的爆炸事故。此外，SF6的温室效应是二氧化碳的23900倍，其泄漏对环境造成重大威胁。因此，开发一种能够实时监测SF6泄漏的高灵敏度传感器，对于预防事故和保护环境具有重要意义。

目前，高精度的气体检测主要依赖于光谱吸收技术，包括非分散红外光谱（NDIR）、可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）、光诱导热弹性光谱（LITES）以及光电声光谱（PAS）等。在检测痕量SF6气体时，TDLAS通常需要精确的光学对准和严格的环境控制，这在复杂现场条件下限制了其实际应用。相比之下，NDIR和PAS由于其在系统集成和环境适应性方面的更强鲁棒性，被广泛采用。NDIR技术因其结构简单、成本低、操作便捷，近年来在SF6检测中受到广泛关注。然而，该技术在痕量气体检测中的灵敏度受到目标气体吸收信号弱和背景光变化干扰的影响，存在一定的局限性。

### 光电声光谱技术的优势与挑战

光电声光谱技术在痕量SF6气体检测中表现出色，其优势在于高灵敏度和对背景光干扰的免疫能力。作为一种间接吸收方法，光电声技术通过检测由气体周期性热膨胀所产生的声信号，避免了对光强变化的直接依赖，从而有效规避背景光干扰。然而，由于SF6的吸收线主要集中在中红外区域，传统的研究多采用昂贵的量子级联激光器（QCLs）作为光源。尽管QCLs能够提供高灵敏度和低检测限，但其成本高、结构复杂，限制了其大规模推广和应用。

### 宽带光源的应用潜力

与传统激光光源相比，非相干宽带光源在光电声系统中展现出理想的低成本和低复杂性优势。然而，这类光源在实际应用中仍面临关键挑战：缺乏空间和时间相干性使得光束难以聚焦和调制，从而增加了与光电声腔耦合和共振激发的难度。目前，宽带光源尚未被广泛应用于SF6的光电声检测。黑体辐射源因其成本效益和能够激发稳定的中红外光谱，显示出作为SF6检测光源的巨大潜力。

### 光电声腔的结构设计

光电声腔的形状选择对于实现高效的耦合至关重要。目前，光电声腔主要分为两种类型：圆柱形和球形。现有的研究多集中在宽带光源与圆柱形光电声腔的耦合上。例如，Rey等人使用准直透镜实现中红外发光二极管（MIR LED）与双圆柱形共振光电声腔之间的有效耦合，利用驻波共振模式进行检测。而Fan等人则利用两个凸透镜实现紫外发光二极管（UV LED）与差分亥姆霍兹光电声腔的耦合，采用亥姆霍兹共振模式进行检测。然而，圆柱形光电声腔的信号强度随着其半径的减小而增加，这使得其更适合用于准直、小光斑的激光源，而不是发散的宽带光源。

相比之下，球形光电声腔由于其几何结构，更适合于捕获非相干发散光束，并且在理论上更适用于宽带光源。目前，关于球形光电声腔的研究主要集中在与高相干激光的耦合上。例如，Huang等人直接通过分布式反馈（DFB）二极管激光器将激光导入球形光电声腔，利用腔体的一、二、三阶径向共振频率进行不同气体的检测。Xu等人则结合Herriott型多反射光学系统与球形腔体，提出了一种多反射开放式球形光电声腔，进行一阶径向共振频率的检测。Ma等人引入了积分球的概念，利用球形结构本身实现多激光反射，显著提升了耦合效率。然而，球形光电声腔是否能够有效地与非相干黑体辐射源耦合，并产生显著的共振增强效应，仍需进一步研究。

### 差分球形亥姆霍兹共振腔的设计

基于上述分析，本文提出了一种新型的光电声SF6传感器，该传感器结合了宽带光源与差分球形亥姆霍兹共振腔的耦合结构。该传感器采用低成本、小体积的黑体辐射源作为激发光源，有效降低了系统的成本和集成复杂度。同时，球形亥姆霍兹共振腔结构能够高效地耦合发散光源，实现对SF6的高灵敏度检测。实验结果表明，该传感器在SF6检测中的线性度达到了0.999，检测限为408.8 ppb，并且在平均时间529秒后可进一步降低至6.83 ppb。基于球形亥姆霍兹共振腔与黑体辐射源之间的高效耦合配置，该传感器不仅具备对SF6气体的ppb级检测能力，还展现出良好的扩展性，能够应用于其他气体的检测，为光电声检测提供了一种低成本、高灵敏度的解决方案。

### 差分球形亥姆霍兹共振腔的模拟

由于黑体辐射源的发散特性，传统圆柱形光电声共振腔难以充分耦合和利用其能量。因此，本文设计了一种球形亥姆霍兹共振腔结构，以匹配黑体辐射源的发散特性，如图1所示。该共振腔的几何结构由两个对称的球形共振腔组成，即激发腔和测量腔。通过模拟，可以优化腔体的尺寸和位置，以确保最佳的耦合效果。此外，差分结构的设计有助于提高系统的信噪比，从而提升检测的准确性。

### 宽带光源的选择

在选择SF6的吸收线时，需要综合考虑吸收强度和可能的其他气体干扰。SF6的吸收带主要集中在中红外区域，并覆盖了较宽的光谱范围。如图4所示，基于HITRAN数据库，该图展示了SF6及其可能干扰气体（如水蒸气、氧气和二氧化碳）在中红外区域的吸收光谱。通过分析这些吸收光谱，可以确定最佳的检测波长范围，以减少其他气体的干扰。同时，选择合适的光源，如黑体辐射源，可以确保光谱覆盖范围和强度，从而提升检测的灵敏度。

### 光电声SF6检测系统

基于黑体辐射源与差分球形亥姆霍兹共振腔的高效耦合，本文设计了一种新型的光电声SF6检测系统。该系统的原理图如图5所示。首先，数字电源输出4 V电压和175 mA电流至光源驱动系统，确保驱动系统输入功率稳定达到700 mW。这一功率保证了黑体辐射光源输出最大光学功率。随后，光源发出的光束通过共振腔进行检测，从而实现对SF6气体的高灵敏度测量。通过优化光源和腔体的耦合方式，可以进一步提高系统的检测性能。

### 光电声腔的频率响应与差分效应

在光电声检测中，需要在共振频率下测量气体，以获得最佳的信噪比。通过模拟，该光电声腔的理论亥姆霍兹共振频率被确定为281 Hz。因此，在实验中，围绕281 Hz附近的频率进行测量，以获取实际的共振频率。如图6(a)所示，测量在激发腔、检测腔及其差分结构中进行，以确保最佳的信号采集和处理效果。差分结构的设计有助于提高系统的信噪比，从而提升检测的准确性。

### 结论

综上所述，对于气体绝缘电气设备中的SF6泄漏检测，亟需一种低成本、高灵敏度的解决方案。然而，目前依赖的中红外激光光电声气体检测技术存在成本高、体积大以及难以在场部署等缺点。因此，本文首次提出了一种基于宽带光源和差分球形亥姆霍兹光电声腔耦合结构的新型光电声SF6传感器。该传感器不仅能够实现对SF6气体的ppb级检测，还展现出良好的扩展性，能够应用于其他气体的检测，为光电声检测提供了一种低成本、高灵敏度的解决方案。

### 研究团队与贡献

本文的研究团队由多位科学家组成，他们分别在不同的研究环节中发挥了重要作用。其中，Mu Liang负责实验调查，Jiao Mingqi进行理论分析，Yingying Qiao提出方法论，Li Lei负责撰写和编辑，同时参与方法论研究和资金获取。Kaijun Mu负责撰写和编辑，Nuopu Shi进行实验验证，Mingyang Feng负责数据管理，Pengbo Chen负责数据可视化，Chongxin Shan负责撰写和编辑，同时提供资源和实验调查。Xiang Ji则负责撰写和编辑，撰写原始稿件，提出方法论，进行实验调查和数据管理。

### 竞争利益声明

本文的作者声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的研究成果。

### 致谢

本研究得到了多项资金支持，包括中国国家重大科学仪器和设备开发项目（62027816）、国家自然科学基金（62271451, 62005247）、郑州协同创新重大项目（18XTZX12008）、河南省科技研究项目（222102210163）、河南省科技重大项目（221100230300）以及河南省博士后研究基金（202102011）。这些资金支持对于本研究的顺利进行起到了关键作用。

### 作者背景

Xiang Ji于2024年获得郑州大学的硕士学位，目前的研究兴趣集中在光电声传感器领域。他的研究工作为本项目提供了重要的理论支持和实验设计。其他团队成员也分别在不同的研究环节中做出了贡献，共同推动了这一新型光电声传感器的开发。