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文 | 阅微札记

编辑 | 阅微札记

前言

太赫兹波是一种介于0.1~10THz频段、波长为30um~3mm的电磁波，它介于红外光学和微波毫米波之间，是宏观电子学向微观光子学的过渡波段。

(资料图片)

由于太赫兹频段的特殊性，它的长波频段主要依靠电子科学技术，短波频段主要依靠光子科学技术，交叉区域既不能完全使用电磁学也不能完全使用光子学。

电气设备太赫兹光谱检测

1、电缆气隙缺陷检测

使用透射式太赫兹时域光谱系统对电缆绝缘层隐藏气隙缺陷进行实验检测，实验装置如下，XLPE样品来源于实际使用的电缆，选取的厚度为9.88mm，气隙缺陷的制取采用人工预制的方式制作针孔状间隙（孔径1.01mm)模拟电缆中常见气隙缺陷。

缺陷处的光谱信号用蓝色B曲线表示，虚线R和点划线A分别代表参考信号与无缺陷的XPLE信号。光谱图表明：气隙缺陷信号B相较于无气隙缺陷的信号A，带有缺陷的信号B峰值存在明显的下降，在波峰时延上存在明显差异。

导致此现象的原因是：气隙的存在使太赫兹波在传播过程中经过分界面时发生反射产生能量损耗，使得透射采集的信号幅值降低，与此同时，气隙的存在替代了原材料使得光程减小，接收透射信号时间提前，除此之外，由于气隙两个表面反射的干扰，回波信号与主信号重叠出现了两个波峰B1、B2。

太赫兹透射时域光谱实验测试利用幅值减小、相位超前和有无二次回波这三个特征量有效的检测出了电缆绝缘层内部毫米级气隙缺陷。

2、变压器绝缘纸板微水含量检测

已有研究表明：当太赫兹波遇到水时吸收效应比较明显，透射过水分时太赫兹信号会发生一些变化。

利用分子间的物理性质使用透射式太赫兹时域光谱系统对变压器绝缘纸板微水含量进行了检测，还将光谱图转为频域进行分析。

样品的峰值信号相对于参考信号幅值减小，相位发生滞后，且随着绝缘纸板水分含量不断增加，信号幅值逐渐减小，相位逐渐滞后。

在皮秒量级的时间内，水分子之间发生了各种各样的相互作用，从而在太赫兹波经过水分时就表现出强烈的吸收现象。

对比两种不同情况的浸渍油发现并不会影响结果，可见太赫兹技术不会受浸渍油种类影响，可靠性很高。

为了验证水分对太赫兹波的吸收特性，当水分逐渐增加时，样品信号峰值减小，产生了明显的吸收。

3、绝缘子气隙缺陷检测

采用0.02～2THz的脉冲波对含有人工气孔缺陷硅橡胶一环氧树脂板的试样进行了试验，通过分析太赫兹反射波的时域波形的幅值和与参考曲线的时延，精确地定位到0.4mm深的缺陷，并且能够测量到1.5mm的缺陷尺寸，误差在3%以内。

太赫兹成像技术

太赫兹成像的主流方式目前有5种，包括连续波成像、实时成像、层析成像、近场成像和脉冲波成像。目前学术上用于太赫兹成像技术检测电气设备内部微小缺陷的案例有连续波成像和脉冲波成像。逐点扫描是太赫兹连续波的成像方式，它通过记录太赫兹透射和反射波的强度信息进行成像，成像分辨率较低。

脉冲波成像是通过发射太赫兹脉冲扫描样品，获取透射或是反射样品的点阵数据，然后提取每个点的时域或是频域参数进行成像，成像分辨率优于太赫兹连续波成像。

对比了这两种成像方式，脉冲波成像可以获得振幅、相位信息，通过对获得信息的处理还可以获得样品的深度、折射率等信息，还可以对样品种类进行鉴别，在太赫兹成像检测领域应用前景更为广泛，但相较于连续波成像在成像的速度和所需成本方面存在一定不足，这将是以后改进的方向。

THz-TDS主要应用太赫兹脉冲成像技术，该系统通过产生太赫兹脉冲对样品进行单点检测，然后多点检测形成一个带有透射波或反射波信息的二维矩阵点。

成像的方式有时域成像和频域成像，时域成像即利用太赫兹光谱图的幅值、相位等信息，通过对采集的峰值、平均值、相位信息进行数据处理得到二维图像；频域成像是将太赫兹光谱图进行快速傅里叶变换得到频域信息，利用采集到频域信号的频谱峰值和峰值对应频率等信息进行数据处理得到二维图像。

t1为所有过零点的时间间隔，t2为正负峰值的时间间隔，E1和E2均为峰值。太赫兹波在绝缘材料中传播时，波形的过零点和峰值均会发生改变，对应于明显的特征参量为波形的相位和幅值，延展到频域就表现为频谱峰值和峰值频率。

THz-TDS对样品移动进行扫描，依据分析的频域和时域特征参量进行提取，每次提取的特征参量作为一个成像点并对其进行灰度值设定，形成太赫兹图像。

利用太赫兹透射式脉冲波的幅值和相位这两种特征参量对电缆气隙缺陷进行了成像检测，依据每次扫描提取的峰值对毫米级气隙缺陷进行了成像，成像区域为15mm×12mm，图像中明显的展示了太赫兹波损耗程度的强弱，直观的展示出了气隙缺陷。

通过选取固定的时间节点，对该节点幅值进行提取作为特征参量也观察出了缺陷，但时间节点不同，成像的质量受背景噪声干扰参差不齐，劣于幅值特征参量，因此需要优化的相位成像算法才能有效滤除背景噪声。

使用太赫兹反射式脉冲波的幅值这一特征参量对复合绝缘子的硅橡胶与芯棒交界面处的蚀损缺陷进行了成像检测。采取交界面处太赫兹反射波波峰差值的平方和进行数据处理，形成二维彩虹图像见图。

图中红色贯穿条状代表缺陷，与实际的蚀损较为吻合，并且成像数值由中心向两侧递减，符合实际的劣化程度，该图较为直观的展现了蚀损缺陷的分布位置和劣化程度。

通过获取太赫兹反射波光强度获得的成像结果。用0.01~1.0THz频率的太赫兹反射波成功地成像了从聚合物表面生长的或存在于聚合物下面水树的分布，左图是由数码相机拍摄的带水树的样本视图，水树成像与图红色边框的水树样品相契合。

使用太赫兹反射波对绝缘聚合物屏蔽的铜缆断丝进行了成像无损检测。左侧为人工制作几乎完好的样品，右侧为断裂的样品，通过改变断裂裂纹的大小对其成像，成像结果见图，白色虚线框为缺陷部位，从图中可以清晰的看到嵌在不透明聚乙烯中内部铜缆的断裂缺陷。

总结

太赫兹波由于其独特优越的性能表现出巨大的无损检测能力，其可用于检测电力设备非金属材料绝缘缺陷。

1、水分为极性材料，可以吸收太赫兹波。绝缘油中含有水分时对太赫兹辐射具有强烈的吸收作用，含水量不同吸收效果不同，可以根据这一性质检测变压器绝缘油纸板微水含量；绝缘子处在恶劣的环境中，雨雪天气下会使其表面附着的污秽含有水分，附着量的不同吸收效果也不相同，也可以根据这一性质用于绝缘子表面污秽的检测。

2、太赫兹波长短、频率高、穿透性强，对绝缘材料内部毫米级缺陷成像可视化具有广阔的发展前景。现有的绝缘检测手段对电气设备内部微小缺陷容易漏报，从而导致绝缘击穿，对电力系统稳态运行造成严重影响。太赫兹无损检测技术的发展弥补了这一缺陷，它不仅能够对内部微小缺陷无损检测，还能通过时域或频域的方法对缺陷清晰成像，使得监测人员获得信息的途径更加直观，且在检测电缆绝缘层气隙缺陷和绝缘子交界面蚀损缺陷有较为成功的学术案例。

3、太赫兹辐射不能穿透金属，金属表面几乎完全反射太赫兹波。对一些粉末样品进行太赫兹照射，绝缘材料粉末被太赫兹穿透，附着的金属粉末发生太赫兹反射，有无金属颗粒的存在会使成像产生较大差异。GIS中经常会收集一些混合粉末，其现有的检测方法是X射线衍射分析技术和化学试剂分析方法，没有较为完备的无损检测技术。根据太赫兹性质，可以使用太赫兹技术检测GIS收集的混合粉末是否存在金属颗粒。

太赫兹检测技术近些年发展较快，但应用于电气设备绝缘缺陷无损检测仍处于初步阶段，集中于实验室环境下的学术研究上，因此暴露了一些问题，运行在高压电网上的电气设备周围电磁环境复杂，监测的可行性得不到保证。

此外探测方式选取在线不当，缺陷类型无法进一步识别都会对绝缘缺陷的判定产生影响，这些都是推广太赫兹技术检测电气设备绝缘缺陷道路上的阻碍，仍需要长期且大量的研究去解决上述问题。

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