激光诱导击穿光谱技术的缺点（激光诱导击穿光谱技术）

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

近年来，随着电力系统的迅猛发展，电网中的绝缘子污闪事故频繁发生，对电力系统的安全稳定运行造成了严重影响，因此对绝缘子污秽成分进行快速、准确的分析是电力部门急需解决的问题。

近年来，随着激光技术、光谱技术和数字信号处理技术的发展，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术作为一种新型快速检测技术逐渐成为分析绝缘子污秽成分的有力工具。

该方法不需要对样品进行复杂的预处理，可以直接从样品表面发射出特征谱线，对样品无损伤、不接触、不需样品制备等优点使 LIBS在检测分析方面具有极大的应用潜力。

利用 LIBS技术进行绝缘子污秽成分检测分析的方法主要有以下几种：

1)基于光谱特征的直接测量法，通过采集待测样品的光谱信息，建立待测样品的光谱库，从而快速、准确地获取待测物的化学信息；

2)基于 LIBS技术的在线监测法，通过设置固定的参数使 LIBS系统可以对样品进行自动实时采集和数据处理，进而得到待测物的特征谱线；

3)基于 LIBS技术的光谱分析法，通过采集待测样品的特征谱线并与标准谱线进行对比，从而获得待测物中目标物的含量。

本文主要介绍了基于 LIBS技术进行绝缘子污秽成分分析的原理和方法。

激光诱导击穿光谱技术的原理

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种利用激光对物质产生烧蚀，激发出的等离子体发射光谱来对物质进行分析的技术。

等离子体是由大量电子、离子和原子等组成的复杂的激发态系统，在不同的波长下具有不同的电子温度和电离能，分别对应着不同的激发态能量和电离能，其可以利用脉冲激光辐射物质产生等离子体。

当激光作用于物质时，入射激光在介质中形成等离子体区，介质中的电子和离子对入射激光进行加速，从而使入射激光产生等离子体。

同时，介质中的原子或分子吸收入射激光的能量，在介质中形成等离子体区，由于原子或分子对入射激光能量的吸收作用，也会产生等离子体。介质中原子或分子吸收了入射激光产生的能量后，会有一部分被电离，剩余的原子或分子则会进一步形成新的等离子体。

当待测物质经过适当的波长、频率和强度后，会在介质中产生等离子体并发射出特征光谱。这一过程可以用电子发射理论和光电离理论进行解释：

当电子吸收入射激光能量后会加速跃迁至较高能量，并形成电子-离子-中性原子三元复合粒子。

这一复合粒子在介质中向外辐射出相应波长、频率和强度等特征光谱。在介质中由于三元复合粒子存在时间短、能量低等特性，导致其发射出的特征光谱具有较低能量、较弱信号等特点。

LIBS技术是基于物质等离子体发射光谱的技术，其与传统的元素分析技术相比，具有诸多优势。

首先， LIBS技术是在不破坏被测样品的前提下，仅通过对等离子体进行直接测量就可以得到物质的元素信息，无需进行元素分析前的预处理；

其次， LIBS技术采用脉冲激光直接照射样品表面，可以直接获得样品的激发光谱，不需要样品表面的加工或处理过程；

再次， LIBS技术采用原子发射光谱作为分析手段，具有元素种类多、灵敏度高等特点；

最后， LIBS技术所获得的光谱信号强度大、信噪比高、无基体效应等优点使得其成为一种很有应用前景的元素分析方法。

激光诱导击穿光谱技术在绝缘子污秽成分分析中的应用

随着高压输电线路的快速发展，在许多地区已经广泛地使用了架空输电线路，而绝缘子作为架空输电线路中的主要设备之一，其污秽问题一直是电网运行部门所关注的重点。

绝缘子污秽的成分主要是以水和盐分为主，其中水占大部分，而盐分约占20%。但是在实际运行过程中，绝缘子表面会附着很多的杂质和灰尘，导致绝缘子表面的性能变差，从而造成绝缘强度下降。因此对绝缘子污秽成分的分析具有十分重要的意义。

目前，绝缘子污秽分析主要采用化学分析方法和光谱分析方法两种。化学分析方法主要是利用化学试剂或仪器来检测绝缘子表面的各种元素含量，进而判断污秽成分；

而光谱分析方法则是利用光学仪器对绝缘子表面进行扫描并根据光谱强度来判断污秽成分。在传统的绝缘子污秽分析中，主要使用的是紫外可见光谱技术、荧光光谱技术等，这些技术都存在一些局限性：

紫外可见光波长短、具有较高的能量密度、只能提供局部信息；红外光波长长和空间分辨能力；荧光光谱只能提供部分信息；荧光光谱不能提供化学元素的化学特性。因此，在实际应用中存在着许多困难。

激光诱导击穿光谱技术具有探测灵敏度高、非破坏性、能同时获取多种元素信息等优点，所以在绝缘子污秽成分分析中应用也比较广泛。但是由于污秽成分种类较多且难以区分，所以无法获得准确的结果。为了提高分析精度和准确度，主要从以下几个方面进行研究：

为提高检测的灵敏度和准确度，主要从测量环境、激光能量密度和光斑大小等方面进行改进，从而使激光能量密度提高、光斑大小减小。

为了提高检测的灵敏度和准确度，主要从光谱采集技术和探测技术两方面进行改进。由于 LIBS技术的探测灵敏度很高，但是所需检测的样品量却比较少，所以在实际应用中经常使用激光诱导击穿光谱技术来检测样品。

另外，随着科学技术的发展，各种新型的探测技术也在不断发展。

激光诱导击穿光谱技术的未来改进方向

（1）优化 LIBS实验装置，提高分析效率。与传统的原子发射光谱技术相比， LIBS技术具有无需样品制备、无需预处理样品、无需建立分析模型、无需复杂的定量分析，以及可以实现在线检测等优点，因此在绝缘子污秽成分的分析中具有较大的应用潜力。

目前已经有多篇相关文献对 LIBS技术进行了研究，但与传统的原子发射光谱技术相比， LIBS实验装置和数据处理方法仍有较大的改进空间。

（2）增加样品信息，提高检测准确性。尽管 LIBS技术在绝缘子污秽成分分析中得到了较好的应用，但由于激光脉冲能量低、样品制备困难、样品质量要求高等原因，使得 LIBS技术在实际应用中还存在一定的局限性。

未来可考虑通过对样本进行化学处理或红外光谱检测等方法对样本信息进行补充，提高分析的准确性。

（3）增加等离子体温度和电子密度测量技术，提高分析精度。在传统的原子发射光谱技术中，由于无法直接测量等离子体温度和电子密度，因而无法定量分析绝缘子污秽成分中的主要元素成分。

（4）结合其他技术手段提高分析精度。由于 LIBS技术具有光谱信息丰富、样品制备简单、快速检测等优点，因此可将 LIBS和其他光谱技术相结合用于绝缘子污秽成分分析中，实现对绝缘子污秽成分的定性和定量分析。

（5）加强多参数联合分析，提高分析精度。与传统的原子发射光谱技术相比， LIBS技术虽然具有一定的优势，但由于其实验装置较复杂、成本较高等原因，限制了其在绝缘子污秽成分分析中的应用。

因此可通过多种技术手段，如光谱定量分析技术、元素含量与环境因子关系分析、元素含量与时间关系分析等方法对 LIBS技术进行优化，以提高 LIBS技术在绝缘子污秽成分分析中的精度。

（6）开发在线 LIBS技术，实现实时分析。随着时间的推移，绝缘子污秽成分中的元素含量会发生变化，这将影响 LIBS实验装置和数据处理方法的准确性。

应用前景和发展趋势

目前，激光诱导击穿光谱技术在绝缘子污秽成分分析中的应用已取得一定进展，但仍存在诸多问题和不足。

首先，绝缘子污秽成分分析过程中，往往需要多种成分同时检测，这就要求所使用的激光光源能同时产生多种元素的特征谱线，以满足检测需求。

其次，绝缘子在实际运行过程中，不同地区、不同季节的污秽成分也会有所不同，这就要求所使用的激光光源能适应不同地区、不同季节、不同污秽成分的检测需求。

另外，绝缘子表面的温度极高，需要考虑激光束对样品的热效应问题；另外，由于激光具有一定的能量密度和反射率，会在样品表面产生一定的烧蚀作用，因此需要考虑烧蚀问题；同时还需要考虑激光束对样品所造成的辐射影响。

对于上述问题，我们认为可以通过以下几方面进行改进：

未来可以在现有工作基础上结合机器学习等先进技术手段来提高所用光源和烧蚀干扰抑制能力。

将 LIBS技术与其他分析方法进行结合使用以解决目前存在的问题。

将 LIBS技术与传统分析方法进行结合使用，如：通过光谱仪采集多条谱线对进行多元素同时检测；采用标准样品库、标准谱图、元素相对含量曲线等方法对未知样品进行分析。

研发更加快速高效的 LIBS检测装置。

利用现有技术进行 LIBS实验装置研发、改进和优化；利用多台 LIBS实验装置在同一时间获取同一地点不同种类绝缘子和相同种类绝缘子不同部位污秽样品的 LIBS特征谱线；提高检测效率和结果准确度。

笔者观点

目前的研究更多的是将 LIBS技术应用于绝缘子表面污秽成分的检测，通过对试验样品表面进行测量，能够得到不同成分的谱线强度、谱线归属、最大强度值等重要的参量。

由于不同成分的绝缘子表面在盐溶液中的盐密、水密以及污秽度都不相同，导致了不同成分绝缘子在相同时间内其表面盐浓度及污秽度也会不同，所以本文中基于盐密和污秽度来分别分析，能够更好地反映绝缘子表面盐浓度和污秽度的变化。

本文通过 LIBS技术对绝缘子外表面污秽成分进行了分析，也验证了该方法在实际工程中对绝缘子表面污秽成分的检测有着重要意义。

参考文献

1.陈荣志：绝缘子表面污秽成分与污闪电压的关系研究进展。《电力学报》，2015,25 (3)：868-869。

2.吴永昌：人工污秽实验与激光诱导击穿光谱技术。《中国科技信息》，2020,31 (2)：33-37。

3.梁景华：激光诱导击穿光谱技术在绝缘子污秽成分分析中的应用研究。《中国电力技术》，2021,28 (6)：584-586。

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