激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢快速定量檢測

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢快速定量檢測電力系統(tǒng)中，絕緣子是非常重要的外絕緣設(shè)備，在整個輸電網(wǎng)中占有較為重要的作用。

電力系統(tǒng)中，絕緣子是非常重要的外絕緣設(shè)備，在整個輸電網(wǎng)中占有較為重要的位置。然而電網(wǎng)在日常運(yùn)行過程中，絕緣子表面通常會附著污穢物，當(dāng)污穢物累積到一定程度或含有腐蝕性成分時，就會影響絕緣子的絕緣性能，甚至?xí)霈F(xiàn)線路閃絡(luò)的現(xiàn)象，進(jìn)而造成電力系統(tǒng)故障，導(dǎo)致大面積停電。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）作為新興起的光譜檢測技術(shù)，其依據(jù)脈沖激光技術(shù)，采用高能激光聚集方式，對待檢樣本實(shí)施遠(yuǎn)距離檢測，具有非接觸性和無損性，在遠(yuǎn)程元素分析方面有著廣泛應(yīng)用。

01 絕緣子污穢快速定量檢測

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包含光學(xué)平臺、激光器、光譜儀、延時控制器以及反射透鏡與聚焦透鏡等。實(shí)驗(yàn)流程圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

利用LIBS進(jìn)行絕緣子污穢快速檢測的過程如下：將絕緣子污穢樣本放置在光學(xué)平臺上，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)樣本與透鏡的間距，使樣本處于透鏡的焦點(diǎn)位置；激光器發(fā)出的脈沖激光通過反射透鏡與聚焦透鏡作用于樣本表面，樣本便會被燒蝕、激發(fā)、蒸發(fā)以及解離，從而形成等離子體，這些等離子體具有溫度高、電子密度高的特點(diǎn)[13]；利用延時控制器對光譜儀采集光譜信號的延遲時間進(jìn)行控制，使光譜儀利用光纖獲取輻射粒子光譜，待檢測絕緣子污穢樣本中元素的類別與含量可以通過光譜波長所在位置以及強(qiáng)度反映出來，這也是利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行定量分析的依據(jù)；光譜中的相關(guān)數(shù)據(jù)則通過計算機(jī)進(jìn)行獲取與處理。

02基于CF-LIBS的絕緣子污穢快速定量檢測

自由定標(biāo)激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法（CF-LIBS）是進(jìn)行定量分析的一種模型，其依據(jù)光譜線強(qiáng)度以及等離子體參數(shù)之間的關(guān)系對模型進(jìn)行構(gòu)建。該方法不受基體效應(yīng)影響，也不需要利用大量樣本構(gòu)建定標(biāo)曲線，比較適用于現(xiàn)場對絕緣子污穢進(jìn)行快速檢測。光譜譜線強(qiáng)度以及等離子體參數(shù)間的關(guān)系如式（1）所示。

式（1）中：Iλij為躍遷波長λ下的譜線強(qiáng)度；i、j分別為λ對應(yīng)的電子躍遷的高能級、低能級；F為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；GS為樣本內(nèi)發(fā)射粒子濃度，下標(biāo)S表示粒子類別；Aij為譜線躍遷概率；gi為i的統(tǒng)計權(quán)重；T為等離子體激發(fā)溫度；US(T)為T溫度下種類為S的粒子配分函數(shù)；Ei為i能級粒子的能量；kB為玻爾茲曼常數(shù)；e為自然常數(shù)。

03 污穢絕緣片定量檢測

3.1人工污穢絕緣片定量檢測

對1#、2#人工污穢樣本進(jìn)行定量檢測，得到這兩個污穢樣本的光譜圖如圖2所示。從圖2可以看出，光譜圖可以清晰地反映出人工污穢樣本中所有元素的類別與含量。樣本1#和2#中均含有9種元素，其中樣本1#中元素Ca(1)的含量最大,元素Na次之，元素O(1)含量最小。而樣本2#中元素Ca(2)的含量最大，元素Ca(1)次之，元素O(3)含量最小。由此可見，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)對絕緣子污穢的定量檢測。

表1絕緣子污穢樣本中主要元素內(nèi)參考線

圖2 人工污穢樣本光譜圖

采用X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)對1#樣本進(jìn)行元素分析，以文獻(xiàn)《基于高光譜技術(shù)的絕緣子污穢成分識別方法》作為對比方法，得到光譜檢測對比結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，

本文方法得到的光譜圖與XPS技術(shù)相一致，說明本文方法可以有效實(shí)現(xiàn)污穢樣本的定量檢測。與文獻(xiàn)方法相比，本文方法的檢測結(jié)果精度較高，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)污穢樣本的定量檢測。

圖3 1#樣本光譜對比圖

3.2液相自然污穢樣本定量檢測

利用本文方法對3#、4#自然污穢樣本進(jìn)行定量檢測，得到關(guān)于這兩個污穢樣本的光譜圖，如圖4所示。從圖4可以看出，3#樣本檢測出9種元素，且主要集中在波長為400～700nm，其中元素C的含量最大，元素O(1)含量最小。而4#樣本中則檢測出11種元素，元素Ca(1)的占比最大，對比3#樣本新增了少量的Fe元素與Si元素，主要集中在波長為400～800nm。從上述數(shù)據(jù)可知，4#樣本的污穢程度高于3#樣本，進(jìn)而說明本文方法有效。

圖4自然污穢樣本光譜圖

LIBS技術(shù)在固相中的研究要比液相或者氣相更加豐富和深入。大量的文獻(xiàn)多見于對土壤合金等固相物質(zhì)中的元素檢測分析。采用LIBS技術(shù)研究土壤污染不需要復(fù)雜的樣品制備，可以靈活快速地對樣品進(jìn)行檢測定量分析。不受地域地形限制，可時時現(xiàn)場檢測，大大提高結(jié)果的真實(shí)程度。

04LIBS技術(shù)存在的問題和挑戰(zhàn)

LIBS系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是高功率激光光源，不同的樣品對激光的能量和功率密度要求不同，一般要求能量為10~100mJ，光斑尺寸在100μm以下。用于液體樣品分析時，常需要激光能量>100mJ，功率密度>1GW/cm2，這就對激光的能量要求提出挑戰(zhàn)。

激光脈沖能量無法全部使用，部分能量會損失掉，因而導(dǎo)致等離子體時刻隨著能量改變而變化，因此實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性不強(qiáng)，這需要從脈沖激光器控制的角度進(jìn)行深入研究改進(jìn)激光脈沖的穩(wěn)定和重復(fù)性。

如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析，一直是LIBS研究的重點(diǎn)。根據(jù)不同的物質(zhì)，也發(fā)展出了多種定量分析方法，但一直還沒有一個非常有效的普適性方法。

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審核編輯 黃宇