激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢快速定量檢測(cè)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)絕緣子污穢快速定量檢測(cè)電力系統(tǒng)中，絕緣子是非常重要的外絕緣設(shè)備，在整個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)，就會(huì)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(cè)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(duì)待檢樣本實(shí)施遠(yuǎn)距離檢測(cè)，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(cè)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包含光學(xué)平臺(tái)、激光器、光譜儀、延時(shí)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(cè)的過程如下：將絕緣子污穢樣本放置在光學(xué)平臺(tái)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(huì)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(shí)控制器對(duì)光譜儀采集光譜信號(hào)的延遲時(shí)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(cè)絕緣子污穢樣本中元素的類別與含量可以通過光譜波長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(cè)

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(duì)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(chǎng)對(duì)絕緣子污穢進(jìn)行快速檢測(cè)。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(zhǎng)λ下的譜線強(qiáng)度；i、j分別為λ對(duì)應(yīng)的電子躍遷的高能級(jí)、低能級(jí)；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(jì)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(jí)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(cè)

3.1人工污穢絕緣片定量檢測(cè)

對(duì)1#、2#人工污穢樣本進(jìn)行定量檢測(cè)，得到這兩個(gè)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(duì)絕緣子污穢的定量檢測(cè)。

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(duì)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(shí)別方法》作為對(duì)比方法，得到光譜檢測(cè)對(duì)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(cè)。與文獻(xiàn)方法相比，本文方法的檢測(cè)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(cè)。

圖3 1#樣本光譜對(duì)比圖

3.2液相自然污穢樣本定量檢測(cè)

利用本文方法對(duì)3#、4#自然污穢樣本進(jìn)行定量檢測(cè)，得到關(guān)于這兩個(gè)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(cè)出9種元素，且主要集中在波長(zhǎng)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(cè)出11種元素，元素Ca(1)的占比最大，對(duì)比3#樣本新增了少量的Fe元素與Si元素，主要集中在波長(zhǎng)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(duì)土壤合金等固相物質(zhì)中的元素檢測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)定量分析。不受地域地形限制，可時(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，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(duì)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(shí)，常需要激光能量>100mJ，功率密度>1GW/cm2，這就對(duì)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(huì)損失掉，因而導(dǎo)致等離子體時(shí)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(gè)非常有效的普適性方法。

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審核編輯 黃宇