OE1022锁相放大器在铌酸锂音叉阻抗模式在线SF₆气体监测系统中的应用
2026-07-08 来源:本站 点击次数:13
OE1022 在铌酸锂音叉阻抗模式在线 SF₆ 气体监测系统中的应用
2026 年 3 月，宋春林研究团队在《Symmetry》发表研究成果，提出了一种基于微型铌酸锂音叉传感器的在线声学 SF₆ 气体监测系统。该系统工作在阻抗模式下，通过读取铌酸锂音叉在不同 SF₆/N₂ 混合气体浓度中的机械阻抗变化，实现对 SF₆ 气体浓度变化的在线检测。
在该工作中，赛恩科仪 OE1022 锁相放大器（DC–102 kHz）作为信号解调单元，用于对铌酸锂音叉反馈信号进行解调，从微弱响应信号中提取稳定的阻抗变化信息，为后续浓度分析提供可靠数据。
研究背景
SF₆ 具有优良的绝缘和灭弧性能，被广泛用于高压电气设备，但它也是强温室气体，因此现场泄漏监测十分关键。传统红外、离子迁移谱等检测方案往往需要额外光源或复杂维护；石英音叉虽然应用成熟，但在含氟气体和温度漂移场景中仍面临稳定性和抗干扰方面的挑战。
相比石英材料，铌酸锂具有更高的密度、杨氏模量、居里温度和更好的耐腐蚀性，同时具备较强压电响应，适合用于制备高稳定性、小型化的音叉传感器。该系统采用基于 Z 切铌酸锂衬底制备的微型音叉作为核心敏感元件。其对称叉臂结构有助于增强一阶反弯曲振动模式、减少能量损耗，从而提高品质因数和谐振稳定性。
SF₆ 在线检测系统
测试系统由密封气室、SF₆/N₂ 配气装置、阻抗分析模块、示波器和 OE1022 锁相放大器组成，如图1所示。实验中，铌酸锂音叉被置于密封气室内，不同比例的 SF₆/N₂ 混合气体通入气室后，音叉机械阻抗会随气体浓度变化而改变。信号检测部分中，音叉反馈信号输入 OE1022 锁相放大器进行解调，同时由示波器记录波形。其检测机理来自气体分子与铌酸锂音叉表面的相互作用：吸附和黏性耦合会改变音叉的等效振动质量与阻尼，从而引起谐振阻抗变化。
实验结果显示（图2），随着 SF₆ 浓度由 15% 增至 40%，铌酸锂音叉的阻抗峰值呈规律下降，不同浓度曲线区分明显。洛伦兹函数拟合后表明，阻抗因子与 SF₆ 浓度具有良好的线性关系，拟合优度 R² 为 0.979，说明该阻抗模式能够有效反映 SF₆ 浓度变化。然而，随着 SF₆ 浓度增加，Q 因子显著下降。这种非线性下降表明，SF6 浓度 升高增强了阻尼。
图 2 (a) 不同 SF6 浓度下铌酸锂音叉的峰值阻抗。 (b) 铌酸锂音叉在不同浓度 SF6 中的阻抗响应，以及获得的 R 因子和 Q 因子。
灵敏度分析表明，在 0.1 MPa 压力下，100 Ω 阻抗变化对应 0.0145 g/L 的气体密度变化。图2b中观察到的阻抗偏差为 ±167 Ω，对应 ±0.022 g/L，即约 0.5%，体现出铌酸锂音叉在 SF₆ 检测中的较高分辨能力。
噪声、温度与长期稳定性
为了评估系统稳定性，研究团队进一步进行了噪声、温度和长期测试。结果显示（图3），噪声电压和噪声电流均随积分时间增加而降低 [25,40]，呈现出明显的积分时间依赖 衰减。当积分时间为 80 s 时，噪声电压和噪声电流分别低至 0.04 μV 和 0.03 pA，表明铌酸锂音叉具有较低噪声水平。
图 3. 对 LNTF 信号进行一小时连续采集所得到的 Allan-Werle 偏差分析。 (a) 不同配置下电压信号的 Allan 偏差随测量 时间的变化。 (b) 不同配置下电流信号的 Allan 偏差随测量时间的变化。
在 10–40 ℃、SF₆ 浓度 27–33% 条件下（图4a），不同浓度对应的阻抗值会随温度变化，但每 1% 浓度变化对应的阻抗差分响应基本保持一致。其最大偏差为 ±157.8 Ω，小于前述 ±167 Ω 的阻抗波动范围，说明温度对 1% 浓度变化所对应的阻抗差影响相对较小。
在长期稳定性测试中（图4b），研究团队在 30% SF₆、25 ℃ 条件下连续测试 300 h，得到阻抗最大绝对偏差为 ±162.16 Ω，同样小于 ±167 Ω 的阻抗偏差范围，且未观察到明显阻抗漂移，说明该系统具有良好的长期输出稳定性。
图 4 (a) 10 °C 至 40 °C 条件下、占总量 27% 至 33% 的 SF₆ 浓度范围对应的峰值阻抗。 (b) 铌酸锂音叉的 300 h 稳定性测试 峰值阻抗（蓝色区域表示波动范围）。
总结
该研究验证了一种基于铌酸锂音叉阻抗模式的实时 SF₆ 监测系统。实验表明，100 Ω 阻抗变化对应 0.0145 g/L 的气体密度变化；系统阻抗测量误差为 ±167 Ω，对应 ±0.022 g/L。温度测试和 300 h 稳定性测试中的偏差均小于该误差范围，说明系统具有较好的抗温度干扰能力和长期稳定性。结合铌酸锂材料的耐腐蚀性、压电性能及音叉结构的小型化优势，该系统有望用于变电站和高压电气设备等长期气体监测场景。
2026 年 3 月，宋春林研究团队在《Symmetry》发表研究成果，提出了一种基于微型铌酸锂音叉传感器的在线声学 SF₆ 气体监测系统。该系统工作在阻抗模式下，通过读取铌酸锂音叉在不同 SF₆/N₂ 混合气体浓度中的机械阻抗变化，实现对 SF₆ 气体浓度变化的在线检测。
在该工作中，赛恩科仪 OE1022 锁相放大器（DC–102 kHz）作为信号解调单元，用于对铌酸锂音叉反馈信号进行解调，从微弱响应信号中提取稳定的阻抗变化信息，为后续浓度分析提供可靠数据。
研究背景
SF₆ 具有优良的绝缘和灭弧性能，被广泛用于高压电气设备，但它也是强温室气体，因此现场泄漏监测十分关键。传统红外、离子迁移谱等检测方案往往需要额外光源或复杂维护；石英音叉虽然应用成熟，但在含氟气体和温度漂移场景中仍面临稳定性和抗干扰方面的挑战。
相比石英材料，铌酸锂具有更高的密度、杨氏模量、居里温度和更好的耐腐蚀性，同时具备较强压电响应，适合用于制备高稳定性、小型化的音叉传感器。该系统采用基于 Z 切铌酸锂衬底制备的微型音叉作为核心敏感元件。其对称叉臂结构有助于增强一阶反弯曲振动模式、减少能量损耗，从而提高品质因数和谐振稳定性。
SF₆ 在线检测系统
测试系统由密封气室、SF₆/N₂ 配气装置、阻抗分析模块、示波器和 OE1022 锁相放大器组成，如图1所示。实验中，铌酸锂音叉被置于密封气室内，不同比例的 SF₆/N₂ 混合气体通入气室后，音叉机械阻抗会随气体浓度变化而改变。信号检测部分中，音叉反馈信号输入 OE1022 锁相放大器进行解调，同时由示波器记录波形。其检测机理来自气体分子与铌酸锂音叉表面的相互作用：吸附和黏性耦合会改变音叉的等效振动质量与阻尼，从而引起谐振阻抗变化。
图 1 SF₆ 气体密度表征实验装置示意图。
SF₆ 浓度响应与灵敏度实验结果显示（图2），随着 SF₆ 浓度由 15% 增至 40%，铌酸锂音叉的阻抗峰值呈规律下降，不同浓度曲线区分明显。洛伦兹函数拟合后表明，阻抗因子与 SF₆ 浓度具有良好的线性关系，拟合优度 R² 为 0.979，说明该阻抗模式能够有效反映 SF₆ 浓度变化。然而，随着 SF₆ 浓度增加，Q 因子显著下降。这种非线性下降表明，SF6 浓度 升高增强了阻尼。
灵敏度分析表明，在 0.1 MPa 压力下，100 Ω 阻抗变化对应 0.0145 g/L 的气体密度变化。图2b中观察到的阻抗偏差为 ±167 Ω，对应 ±0.022 g/L，即约 0.5%，体现出铌酸锂音叉在 SF₆ 检测中的较高分辨能力。
噪声、温度与长期稳定性
为了评估系统稳定性，研究团队进一步进行了噪声、温度和长期测试。结果显示（图3），噪声电压和噪声电流均随积分时间增加而降低 [25,40]，呈现出明显的积分时间依赖 衰减。当积分时间为 80 s 时，噪声电压和噪声电流分别低至 0.04 μV 和 0.03 pA，表明铌酸锂音叉具有较低噪声水平。
在 10–40 ℃、SF₆ 浓度 27–33% 条件下（图4a），不同浓度对应的阻抗值会随温度变化，但每 1% 浓度变化对应的阻抗差分响应基本保持一致。其最大偏差为 ±157.8 Ω，小于前述 ±167 Ω 的阻抗波动范围，说明温度对 1% 浓度变化所对应的阻抗差影响相对较小。
在长期稳定性测试中（图4b），研究团队在 30% SF₆、25 ℃ 条件下连续测试 300 h，得到阻抗最大绝对偏差为 ±162.16 Ω，同样小于 ±167 Ω 的阻抗偏差范围，且未观察到明显阻抗漂移，说明该系统具有良好的长期输出稳定性。
总结
该研究验证了一种基于铌酸锂音叉阻抗模式的实时 SF₆ 监测系统。实验表明，100 Ω 阻抗变化对应 0.0145 g/L 的气体密度变化；系统阻抗测量误差为 ±167 Ω，对应 ±0.022 g/L。温度测试和 300 h 稳定性测试中的偏差均小于该误差范围，说明系统具有较好的抗温度干扰能力和长期稳定性。结合铌酸锂材料的耐腐蚀性、压电性能及音叉结构的小型化优势，该系统有望用于变电站和高压电气设备等长期气体监测场景。
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