六氟化硫（SF₆）作为新一代超高压绝缘介质材料，具有优异的电气绝缘性能和卓越的灭弧性能，在微电子技术领域应用广泛，例如电气行业通常将其用作为高压开关、大容量变压器以及高压电缆的绝缘材料。然而，当一些高压电力设备发生故障时，产生的电弧、火花等可能会致使绝缘材料分解，并与SF₆发生化学反应，从而生成二氧化硫（SO₂）等多种气体分解物。对这些气体分解物含量进行检测，能够作为一项关键指标，为设备故障预警提供有力支持。
目前，研究人员已经开发出多种用于检测SF₆分解物的气体传感器。在各种检测技术中，光声光谱技术（PAS）因具备高灵敏度、高选择性以及紧凑的检测模块等优势，成为一种理想的痕量气体检测方法。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安电子科技大学、重庆邮电大学和西安交通大学的研究团队联合开展了一项研究，基于新型266 nm低成本高功率固态脉冲激光器和高品质因数（Q）差分光声池，研发出一种高灵敏度（ppb级）的SO₂光声气体传感器，能够有效检测电力系统中SF₆的分解情况。相关研究成果以“ppb-Level SO₂ Photoacoustic Sensor for SF₆ Decomposition Analysis Utilizing a High-Power UV Laser with a Power Normalization Method”为题发表在Sensors期刊上。
在这项研究工作中，研究团队采用了一种基于被动调Q技术的紧凑型紫外（UV）脉冲激光器，用于检测SF₆分解物中的SO₂。该紫外脉冲激光器波长为266 nm，输出功率为28 mW。通过将光声信号与激光功率进行归一化处理，解决了因紫外激光功率不稳定而导致的光声信号波动问题。此外，所采用的差分光声池能够获得高Q值，并降低SF₆缓冲气体中的气流噪声。
图1 266 nm紫外激光器的工程几何结构（a、c、d）和实物照片（b）
图2 低噪声差分光声池的实物照片及三维解剖示意图
图3 SO₂光声气体传感器系统示意图
研究团队针对SO₂光声气体传感器系统的激光功率和工作压力参数进行了优化，使其在积分时间为1 s时，实现了1 σ检测限（信噪比为1）为2.34 ppb的水平，对应的归一化噪声等效吸收系数（NNEA）为7.62 × 10⁻¹⁰ cm⁻¹W√Hz。该SO₂光声气体传感器的响应时间为1 s，其灵敏度能够较好地满足电力系统故障预警的需求，为后续开展现场测试奠定了良好的基础。
图4 充入50 ppm SO₂和SF₆混合气体时光声池的频率响应曲线
图5 蓝色曲线为功率计采集的激光器发射光的功率变化情况；红色曲线为50 ppm SO₂和SF₆混合气体的光声信号变化情况
图6 传感器对50 ppm SO₂和SF₆混合气体的响应幅度与压力之间的函数关系
图7 （a）不同浓度SO₂和SF₆混合气体的归一化信号幅度；（b）归一化信号随SO₂浓度变化的函数关系
综上所述，这项研究工作成功开发了一种ppb级SO₂光声气体传感器系统，通过将新型紫外脉冲激光器与低噪声高Q值差分光声池相结合，为SF₆分解物中的SO₂检测提供了一种高灵敏度且性能稳定的解决方案，未来有望用于电力系统故障的早期预警。
论文信息：
https://doi.org/10.3390/s24247911
