CN108333424B - Pdm工作模式的高压电源激励dbd反应器供电能量的检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统和方法，系统包括可编程电源、PDM高压电源、被测DBD阵列、电气参数检测模块、光纤光谱仪、和上位机。在检测时，通过上位机和可编程电源控制PDM高压电源的输出，对DBD阵列进行激励放电，同时对DBD的放电参数进行采集，上位机根据获取到的供电电压、积分电容电压和放电电流，计算DBD的供电能量。在计算时，针对采集到的放电参数，本发明借助李萨如图形，对DBD的供电能量、等效参数等放电参数进行分析计算，可准确的获得经过DBD反应器的能量转换效率。

Description

PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统 和方法

技术领域

本发明涉及介质阻挡放电(dielectric barrier discharge:DBD)反应器供电能量检测计算技术领域，特别是一种在功率密度调制(power density modulation:PDM)工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量检测系统和方法。

背景技术

近几年来，大气压等离子体被广泛应用于环境修复，污染控制，生物医学，流动控制和材料处理等方面。DBD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，具有放电稳定和放电面积大等特点，是在常压下产生低温等离子体的有效方法之一，适合于大规模工业生产，具有广阔的应用前景。在实际应用中，DBD的供电电压、供电电流、供电能量等电学参量，是低温等离子体研究和应用中极其重要的参量，在放电过程中它们相互作用，共同影响多重微放电的产生、放电的效果和等离子体的特性。准确测量并计算介质阻挡放电系统的有效能量将成为提高介质阻挡放电性能的关键所在，对于提高介质阻挡放电在应用中的放电效率具有重要意义。

由于DBD通过大量短暂的微放电来消耗能量，具有时空不确定性，故供电功率和能量很难测定。对于这类放电的能量计算，通常采用电压-电荷李萨如(Lissajous)图形法。

专利201310132909.8公开了一种介质阻挡放电电路参数检测装置和检测方法。根据李萨如图形法设计了一种检测和计算DBD反应器等效参数的检测装置和检测方法。但是，该专利主要根据李萨如图形对反应器的等效参数进行计算，未对非连续、供电电压峰值不固定的放电状态进行分析，没有提出相应情况下供电能量计算的算法思想和放电效果评估方法。

目前，使用电压-电荷李萨如图形法能够计算在连续的高压交流电源激励下的DBD反应器供电能量。但是当放电不连续或者供电电压电流峰值不固定时，尚未有方法对反应器的供电能量进行准确计算。若将高压交流电源激励下DBD供电能量的计算方法直接运用到功率密度调制(power density modulation:PDM)电源激励下的反应器进行供电能量计算，存在以下问题：

(1)根据PDM高压电源的放电特性，在一段工作时间内，电压电流波形是不连续的；

(2)每个供电周期的放电强度和供电电压电流峰值不同；

(3)在一个调功周期内，放电时间是可调节的，因此在工作时间内的放电时间不固定。

因此，传统的李萨如图形法计算DBD供电能量不适合直接应用到PDM高压电源驱动DBD系统进行能量消耗分析，若能够提供一种针对使用PDM高压电源激励DBD的供电能量计算方法，将对DBD的研究、应用具有指导意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对使用PDM高压电源激励的DBD在放电过程中的电气和光学参数，获取相关参数，进而借助李萨如图形进行能量消耗分析，以更加准确地获得经过反应器的能量转换效率。

本发明采用的技术方案为：一种PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，包括可编程电源、PDM高压电源、被测DBD阵列、电气参数检测模块、光纤光谱仪和上位机；

可编程电源的输出端连接PDM高压电源的输入端，PDM高压电源的输出端连接DBD阵列的激励电压输入端；上位机与可编程电源之间连接通信，以通过可编程电源控制PDM高压电源的工作，进而使得DBD阵列在PDM高压电源的激励下放电；

DBD阵列的放电回路包括一端连接地线的积分电容；

电气参数检测模块包括供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元；供电电压检测单元的电压输入端采集DBD阵列激励电压输入端的供电电压；积分电压检测单元的电压输入端采集所述积分电容上的积分电压；放电电流检测单元的电流输入端采集DBD阵列的放电电流；供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元的输出端分别连接上位机；

光纤光谱仪采集DBD阵列中放电区域中活性物种发射光谱的相对强度，传输至上位机中；

上位机根据获取到的供电电压、积分电容电压和放电电流，计算DBD的供电能量；上位机根据获取到的放电区域中活性物种发射光谱的相对强度，计算DBD的相对光量子产率能效比。

本发明所述可编程电源对PDM高压电源的控制包括输入电压控制、供电的功率密度控制和放电强度控制，分别为现有技术。

优选的，上位机利用李萨如图形算法进行DBD供电能量的计算：

上位机根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的微放电数据，进行李萨如图形重构：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；定义单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，则对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，其中各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压和供电电压；

计算结果包括：单个供电周期的能量为：

即单个供电周期的能量表示为积分电容与该供电周期对应的李萨如图形面积的乘积；其中，E_d,i是第i个供电周期的供电能量，下标d,i表示供电周期的次数，T_d,i表示第i个供电周期的时间，u(t)表示供电电压，i(t)表示放电电流，u_m(t)指积分电容上的累积电荷电压，C_m为积分电容的电容值，S_d,i表示第i个供电周期的李萨如图形面积；

整个运行时间的DBD系统消耗总能量为：

式中，T_m,j为PDM高压电源一个调功周期的时间；下标m,j表示功率密度调制周期的次数；T_on,j为一个调功周期内的DBD放电时间，由多个供电周期T_d,j组成；占空比

n_dm,j表示一个调功周期内的供电周期个数，

DBD放电区域中活性物种的相对光量子产率能效比E_er为：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度；E_m,j为一个调功周期的供电能量，即

优选的，所述可编程电源模块采用可编程AC/DC电源模块。可编程AC/DC电源用于设定PDM高压电源的输入电压及整个系统的功率。

优选的，所述电气参数检测模块采用数字示波器，数字示波器包括至少3个检测通道，3个检测通道分别设置高压探头、电压探头和电流互感器，并分别用于检测DBD阵列的高压电源输入端电压、积分电容上的电压和放电回路的电流。

优选的，所述电流互感器采用罗氏线圈。罗氏线圈以感应方式接在放电回路的地线上，获得放电电流，为现有技术。

本发明还公开基于上述PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统的供电能量检测方法，包括：

S1，系统初始化：将DBD的激励电源调节为PDM供电模式，设定PDM供电模式下的放电条件，使得DBD被激励放电；

S2，利用电压电流检测模块获取DBD阵列的放电参数，包括供电电压、放电电流，和积分电容上的积分电压；利用光纤光谱仪获取DBD阵列放电区域中活性物种发射光谱的相对强度；

S3，上位机从电压电流检测模块和光纤光谱仪获取已采集到的数据，基于获取到的数据进行DBD供电能量、等效参数、有效放电时间以及相对光量子产率能效比的计算和输出。

优选的，S1中，所述放电条件包括PDM高压电源供电电压、调功周期长度、供电频率和功率密度。

优选的，步骤S3包括：

S31，计算DBD的供电能量：

定义T_m,j为PDM高压电源的一个调功周期，T_on,j为DBD在PDM高压电源一个调功周期内的放电时间，由多个DBD供电周期组成；则DBD的单个供电周期能量E_d,i表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积，为：

式中，T_d,i表示单个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是放电电流，d表示放电，i表示放电次数；

一个调功周期T_m,j中供电时间的占空比为：

一个调功周期内的供电周期个数为：

一个调功周期的供电能量E_m,j即n_dm,j个单个供电能量之和：

定义E_d,a是调功周期内单个供电周期的平均供电能量，则：

当DBD系统工作在连续状态时，运行时间内总供电周期个数N_on,t可以表示为：

式中，T_t是放电系统的运行总时间；

则系统运行时间内的DBD总供电能量E_T表示为：

当T_t＝T_m,j时，

根据式(1)、(6)、(7)和(8)、可得到E_T：

根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的微放电数据，绘制激励DBD的供电能量的电压电荷李萨如图形，则单个供电周期的能量与相应李萨如图形的面积成正比；

由于：

其中C_m是回路中外接积分电容的容值，u_m(t)为积分电容上的累积电荷电压；

则将(10)式带入(1)式可得单个供电周期的供电能量E_d,i，表示为积分电容和相应李萨如图形面积S_d,i的乘积，即：

将(11)代入(9)，利用李萨如图形面积来表示供电能量，可以得到运行时间内DBD总供电能量E_T为：

S32，计算DBD的等效电容：

定义单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压和供电电压；

根据单个供电周期的李萨如图形，可以计算对应供电周期中DBD阵列的总等效电容C、介质等效电容C_d和放电间隙等效电容C_g分别为：

在一个调功周期中，DBD阵列的等效电容看做该调功周期内所有供电周期对应的等效电容的平均值。

S33计算量子产率能效比E_er：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度。

优选的，S31在进行DBD的供电能量的计算时，首先获取检测到的供电电压数据和积分电容电压数据，然后根据获取到的数据，进行单个供电周期的李萨如图形重构，图形重构时，包括：

以电容积分电压为横坐标数据，以“供电电压”为纵坐标数据；得到所有供电周期堆叠的李萨如图形；

进行单个周期李萨如图形的分离，得到单个供电周期李萨如图形，分离规则为：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；

对分离得到的单个李萨如图形分别计算得到李萨如图形的面积，进而根据公式(11)得到相应供电周期的供电能量E_d,i。

进一步的，S3还包括放电参数处理步骤：

根据获取到的供电电压参数，得到供电电压峰-峰值；

根据获取到的回路放电电流，得到DBD的平均微放电强度和有效放电时间，包括：

对获取的回路放电电流进行波形重构；

对重构形成的放电电流波形进行平滑处理；优选为采用Savitzky-Golay平滑算法；

将回路放电电流数据与平滑处理后的相应电流数据相减，得到放电过程中的微放电电流的波形数据；

根据微放电的电流波形的产生，得到每个供电周期的放电起始时间和放电截止时间，从而计算单个供电周期的有效放电时间；

将所有供电周期的有效放电时间累加，得到有效放电总时间；

根据每个供电周期的微放电脉冲峰值，计算放电过程中的平均微放电强度。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：

(1)既能直接测反应器每个供电周期能量，也可以对单个供电周期的能量进行累加统计，得到任意时间段内消耗的能量。因此，本方法既能应用在连续放电状态中，又能应用在非连续放电状态中，此外，还可应用在供电峰-峰值不稳定的放电状态。

(2)定义了在获得的PDM供电波形后如何进行李萨如图形的重构，例如如何定义每个周期起始点与终止点。

(3)传统的系统运行效率评估是使用高压电源的输出端的能量和高压电源输入端的能量的比值作为能量转换效率，本文中的方法可以获得反应器上消耗的能量，因此更加准确地获得经过反应器的能量转换效率。

附图说明

图1所示为本发明在PDM高压电源激励下的DBD供电能量参数检测示意图；

图2所示为本发明在PDM高压电源激励下的DBD供电能量检测系统示意图；

图3所示为DBD阵列结构示意图；

图4所示为功率密度调制电源典型供电波形图；

图5所示为高压交流电源激励下的供电波形；

图6(a)所示为DBD典型李萨如图；图6(b)是调功周期内堆叠的李萨如图；

图7所示为检测步骤主流程示意图；

图8所示为参数处理主程序流程示意图；

图9所示为放电电流处理子程序流程示意图；

图10所示为供电能量计算子程序流程示意图；

图11所示为等效参数计算子程序流程示意图；

图12所示为光量子产率能效比计算子程序流程示意图；

图13所示为牛顿爬山算法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

参考图1和图2所示，PDM工作模式的高压电源激励的DBD反应器供电能量的检测系统，包括可编程电源、PDM高压电源、被测DBD阵列、电气参数检测模块和上位机(电脑)；

可编程电源的输出端连接PDM高压电源的输入端，PDM高压电源的输出端连接DBD阵列的激励电压输入端；上位机与可编程电源之间连接通信，以通过可编程电源控制PDM高压电源的工作，进而使得DBD阵列在PDM高压电源的激励下放电；

DBD阵列的放电回路包括一端连接地线的积分电容；

电气参数检测模块包括供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元；供电电压检测单元的电压输入端采集DBD阵列激励电压输入端的供电电压；积分电压检测单元的电压输入端采集所述积分电容上的积分电压；放电电流检测单元感应DBD阵列的放电电流；供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元的输出端分别连接上位机；

上位机根据获取到的供电电压、积分电容电压和放电电流，计算DBD的供电能量。

上位机利用李萨如图形算法进行DBD供电能量的计算，具体为，根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的供电电压和积分电压数据，绘制电压电荷李萨如图形：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；定义单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，其中各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压和供电电压；

计算结果包括：单个供电周期的能量为：

即单个供电周期的能量表示为积分电容与该供电周期对应的李萨如图形面积的乘积。其中，E_d,i是第i个供电周期的供电能量，T_d,i表示第i个供电周期的时间，u(t)表示供电电压，i(t)表示放电电流，u_m(t)指积分电容上的累积电荷电压，C_m为积分电容的电容值，S_d,i表示第i个供电周期的李萨如图形面积；

整个运行时间的DBD系统消耗总能量为：

式中，T_m,j为PDM高压电源一个调功周期的时间；T_on,j为一个调功周期内的DBD放电时间，由多个供电周期T_d,j组成；占空比

n_dm,j表示一个调功周期内的供电周期个数，

DBD放电区域内活性物种的量子产率能效比E_er为：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度；E_m,j为一个调功周期的供电能量，即

当李萨如图形的各顶点坐标已定，其图形面积的计算为现有技术。

本发明所述可编程电源对PDM高压电源的控制包括输入电压控制、供电的功率密度控制和放电强度控制，分别为现有技术。

如图2所示，本实施例中，可编程电源模块采用可编程AC/DC电源模块。可编程AC/DC电源用于设定PDM高压电源的输入电压及整个系统的功率。

电气参数检测模块采用数字示波器，数字示波器包括至少3个检测通道，3个检测通道分别设置高压探头、电压探头和电流互感器，并分别用于检测DBD阵列的高压电源输入端电压、积分电容上的电压和放电回路的电流。电流互感器采用罗氏线圈。罗氏线圈以感应方式接在放电回路的地线上，获得放电电流，为现有技术。

实施例2

参考图7，基于实施例1所示PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统的供电能量检测方法，包括：

S1，系统初始化：将DBD的激励电源调节为PDM供电模式，设定PDM供电模式下的放电条件，使得DBD被激励放电；所述放电条件包括PDM高压电源供电电压、调功周期长度、供电频率和功率密度；

S2，利用电压电流检测模块获取DBD阵列的放电参数，包括供电电压、放电电流，和积分电容上的积分电压；

S3，上位机从电压电流检测模块获取已采集到的放电参数，基于获取到的放电参数进行DBD供电能量、等效参数和有效放电时间的计算和输出。

步骤S3包括：

S31，计算DBD的供电能量：

定义T_m,j为PDM高压电源的一个调功周期，T_on,j为DBD在PDM高压电源一个调功周期内的放电时间，由多个DBD供电周期组成；则DBD的单个供电周期能量E_d,i表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积，为：

式中，T_d,i表示单个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是放电电流，d表示放电，i表示放电次数；

一个调功周期T_m,j中供电时间的占空比为：

一个调功周期内的供电周期个数为：

一个调功周期的供电能量E_m,j即n_dm,j个单个供电能量之和：

定义E_d,a是调功周期内单个供电周期的平均供电能量，则：

当DBD系统工作在连续状态时，运行时间内总供电周期个数N_on,t可以表示为：

式中，T_t是放电系统的运行总时间；

则系统运行时间内的DBD总供电能量E_T表示为：

当T_t＝T_m,j时，

根据式(1)、(6)、(7)和(8)、可得到E_T：

根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的微放电数据，绘制激励DBD的供电能量的电压电荷李萨如图形，则单个供电周期的能量与相应李萨如图形的面积成正比；

由于：

其中C_m是回路中外接积分电容的容值，u_m(t)为积分电容上的累积电荷电压；

则将(10)式带入(1)式可得单个供电周期的供电能量E_d,i，表示为积分电容和相应李萨如图形面积S_d,i的乘积，即：

将(11)代入(9)，利用李萨如图形面积来表示供电能量，可以得到运行时间内DBD总供电能量E_T为：

S32，计算DBD反应器的等效电容：

定义单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压和供电电压；

则单个供电周期T_d,i对应的DBD反应器的总等效电容C_i、介质等效电容C_d,i和放电间隙等效电容C_g,i分别为：

在一个调功周期T_m.j中，形成如图6(b)所示的堆叠的李萨如图，根据李萨如图形，DBD阵列的等效电容看做该调功周期内所有供电周期对应的等效电容的平均值。

式(16)-(18)分别是根据式(13)-(15)得到的一个调功周期内对应的等效电容平均值。

S33，计算量子产率能效比E_er：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度。

S31在进行DBD的供电能量的计算时，首先获取检测到的供电电压数据和积分电容电压数据，然后根据获取到的数据，进行单个供电周期的李萨如图形重构，图形重构时，包括：

以电容积分电压为横坐标数据，以“供电电压”为纵坐标数据；得到所有供电周期堆叠的李萨如图形；

进行单个周期李萨如图形的分离，得到单个供电周期李萨如图形，分离规则为：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；

对分离得到的单个李萨如图形分别计算得到李萨如图形的面积，进而根据公式(11)得到相应供电周期的供电能量E_d,i。

更进一步的，S3还包括放电参数处理步骤：

根据获取到的供电电压参数，得到供电电压峰-峰值；

根据获取到的回路放电电流，得到DBD的平均微放电强度和有效放电时间，包括：

对获取的回路放电电流进行波形重构；

对重构形成的放电电流波形进行平滑处理；优选为采用Savitzky-Golay平滑算法；

将回路放电电流数据与平滑处理后的相应电流数据相减，得到放电过程中的微放电电流的波形数据；

根据微放电的电流波形的产生，得到每个供电周期的放电起始时间和放电截止时间，从而计算单个供电周期的有效放电时间；

将所有供电周期的有效放电时间累加，得到有效放电总时间；

根据每个供电周期的微放电脉冲峰值，计算放电过程中的平均微放电强度。

实施例3

本实施例综合本发明的所有研究内容进行描述，检测系统和检测方法主要解决以下各个方面问题：

1)DBD放电检测系统结构

参考图1，测试系统是采用功率密度调制(Power Density Modulation:PDM)电源驱动体积DBD反应器产生等离子体，同时通过高压探头、电压探头、电流互感器、示波器等测试仪器获得放电参数的原始数据，设计一种PDM高压电源激励DBD反应器供电能量的计算方法，在放电过程中，将测试仪器获取到的信号数据通过特定的数据采集口(如USB接口、RS232接口等)传输到上位机，在上位机中利用文中设计的计算方法进行处理，对放电状态进行显示、监测和评估。

DBD阵列结构如图3所示，单个电极由两块石英板中间夹着铜箔电极组成。正负电极交错排列。D为正负电极之间的放电间隙，约为2到6mm；L1为石英板的长度，约170到180mm；L2为石英板的宽度，约为105到115mm；d为石英板的厚度，约为1到2mm。

如图2是PDM高压电源激励的DBD测试系统图。由DBD阵列、可编程AC/DC电源、PDM高压激励电源、高压探头、电流互感器、电压探头、光纤光谱仪、数字示波器、以及PC机(上位机)组成。

可编程AC/DC电源用于设定PDM高压电源的输入电压及整个系统的功率，PDM高压电源作为DBD反应器的激励电源，其供电的功率密度、电压、放电强度都可进行调节，因此反应器的供电条件随着PDM高压电源的工作模式而改变。高压探头连接在PDM高压电源的高压端(即DBD阵列的高压供电端)，以测量DBD反应器的供电电压；电流互感器接在DBD供电回路的地线，以测量流过整个回路的放电电流变化情况；在DBD反应器与地线之间连接一个电容作为微放电积分电容，通过一个电压探头获取积分电容两端的电压信号，将检测到的三路信号同时接入示波器的三个通道。使用交互软件将示波器与PC机相连，可直接在PC机上观察并获取到放电参数的原始数据。另外，光纤光谱仪的输入端朝向DBD放电区域，输出端与PC机相连用来检测放电空间内活性物种的相对浓度。PC机上的数据处理模块直接将原始数据导入，使用参数计算程序进行处理，对放电参数进行实时检测及输出。

2)DBD反应器供电能量检测

如图4为PDM高压电源的典型供电波形，图中的T_m,j为一个功率密度调制周期，简称调功周期，对于一个固定频率的PDM高压电源，在调节电源的输出功率和电压时，T_m,j是固定的。定义图中的T_on,j为一个调功周期内的放电时间，由多个单个供电周期组成，在T_m,j固定时，通过改变T_on,j改变供电持续时间，即可改变供电能量。因此，对于PDM高压电源，供电电压、单个供电周期的频率、一个供电周期中的放电次数都可以进行调节。由于PDM高压电源具有放电不连续，放电频率可调，供电周期个数可变、单个供电峰-峰值不固定等特点，需要一种针对于PDM高压电源激励下DBD反应器供电能量的计算方法。本发明根据这一状况，设计了一种可对单个供电周期能量进行累加计算，得到总能量的方法，此方法既能计算连续工作状态下的供电能量，又能计算非连续、供电峰-峰值不固定工作状态下的供电能量。

结合图4的典型供电波形图，本发明通过改变T_on,j来调整功率密度，因此采用以下计算方法获得供电能量：

公式(1)是单个供电周期能量的计算公式，表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积。其中，E_d,i是单个供电周期的供电能量，T_d,i表示单个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是供电电流，此外，d和i分别表示了放电和放电次数。

一个调功周期T_m,j中供电时间的占空比是供电持续时间与调功周期的比值，通过下式表示：

在一个调功周期内的供电周期个数可以通过以下方法计算：

其中n_dm,j是一个调功周期内的供电周期个数。

一个调功周期内单个供电能量之和即为该调功周期的供电能量，即：

E_m,j是一个调功周期消耗的总能量，m表示调功周期，j表示调功周期的次数。

一个调功周期的供电能量还可通过单个供电周期的平均能量得到：

E_m,j＝n_dm,jE_d,a (5)

其中，E_d,a是调功周期内单个供电周期的平均供电能量，可以表示如下：

当DBD系统工作在连续状态时，运行时间内总供电周期个数可以表示为：

N_on,t是运行时间内总供电周期个数，T_t是放电系统的运行总时间。

系统运行时间内的总供电能量E_T表示如下：

根据(1)，(6)，(7)和(8)式可得到E_T：

图5显示了激励DBD单元的典型电压电流波形，是供电周期的波形(为图4的供电部分的放大图)。在供电电流波形中可以观察到微放电的产生，对应图6(a)中标记的AB和CD时段，并且在标记为BC和DA的时段中具有位移电流。图6(a)是激励DBD单元的供电能量的电压电荷李萨如图形。一个供电周期的能量与李萨如图形的面积成正比。通过李萨如图形可以得到部分放电特性。

由于：

其中C_m是回路中外接积分电容的容值。

其中供电能量表示如下：

将(10)式带入(1)式可得：

公式(11)是一个供电周期的能量，表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积。其中，E_d,i是一个供电周期的供电能量，T_d,i表示一个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是供电电流，u_m(t)指累积电荷电压，C_m为辅助电容的电容值，S_d,i是相应供电周期李萨如图形面积，

将(11)代入(9)，利用李萨如图形面积来表示供电能量，可以得到运行时间内DBD系统消耗的总能量为：

如图4所示，单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，结合图5，对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压U_x和供电电压U_y；

则单次供电周期T_d,i对应的DBD反应器的总等效电容C_i、介质等效电容C_d,i和放电间隙等效电容C_g,i分别为：

在一个调功周期T_m.j中，形成如图6(b)所示的堆叠的李萨如图，根据李萨如图形，DBD阵列的等效电容看做该调功周期内所有供电周期对应的等效电容的平均值。

式(16)-(18)分别是根据式(13)-(15)得到的一个调功周期内对应的等效电容平均值。

其中C，C_d和C_g分别是总等效电容，介质等效电容和放电等效间隙电容。这些等效电容值随着加载在DBD反应器上的供电电压和能量改变。

3)计算相对光量子产率能效比

本发明根据光谱仪测试获得的相对光谱强度对DBD装置的放电效果进行评估。用放电区域内羟基自由基(·OH)的相对光谱强度除以一个调功周期消耗能量表示相对光量子产率能效比(E_er)。因此，来自放电区域的活性物种的相对光量子产率能效比可以通过下式求出：

其中I是放电区域中活性物种的发射光谱相对强度，由图2的光纤光谱仪采集得到。等离子体区域中活性物种的相对浓度与其发射光谱的相对强度呈正相关。因此，可以通过使用相对光量子产率E_er来评价活性物种的产率。

4)放电参数检测与处理流程

如图7为检测步骤主流程图。首先，DBD的激励电源调节到PDM供电模式，在PDM模式下设定放电条件，包括PDM高压电源供电电压、调功周期的频率，供电频率，功率密度。使用第3节介绍的检测仪器进行放电参数采集，包括高压探头接在DBD反应器的高压供电端获得供电电压；电压探头接在积分电容两端获得积分电压；电流互感器接在回路的地线上获得放电电流。将这三组信号接到示波器进行原始数据采集。除此之外，使用光谱仪测量放电区域内活性物种的相对光谱强度。将示波器和光谱仪都与PC机相连，使用交互软件将示波器与PC机相连，可直接在PC机上观察并获取到放电参数的原始数据，在PC机上保存采集到的放电参数的原始数据。之后，将PC机采集到的原始数据自动导入到数据处理模块。经过一系列的数据处理程序得到供电能量、等效参数、有效放电时间等放电参数，并将结果输出显示。

如图8，参数处理程序是将PC机读取并保存的数据进行计算处理，通过供电电压处理子程序、放电电流处理子程序、供电能量计算子程序、等效参数计算子程序、量子产率能效比子程序，分别得到供电电压峰-峰值、有效放电时间、微放电平均强度、系统运行时间内总供电能量、单个供电周期平均能量、反应器等效电容、量子产率能效比。

第一个进行的是供电电压处理子程序，在这一部分，只需自动读取PC机上存储的“供电电压”采集通道的数据，之后得到供电电压的峰-峰值进行显示输出。

图9是放电电流处理子程序，该部分得到装置运行过程中的平均微放电强度和有效放电总时间。自动读取PC机上存储的“放电电流”采集通道的数据。然后进行对放电电流波形的重构。将得到的放电电流波形进行平滑处理，进行平滑处理时，本文采用的方法是Savitzky-Golay平滑算法，这是一种在时域内基于最小二乘法原理拟合的滤波方法，在对放电电流进行平滑的同时可以确保信号的形状和宽度不变。在MATLAB中可直接调用sgolayfilt函数进行处理：

data＝xlsread('放电电流.xlsx')；％读入数据

b＝data(:,1)；

y＝sgolayfilt(b,3,7)；％平滑处理

plot(y,'r')；

hold on

将平滑处理后的电流波形数据进行存储。之后，原始的放电电流数据与平滑处理过的电流数据相减，得到放电过程中的微放电电流的波形数据。对微放电电流数据进行检测，得到每一供电周期的放电起始时间和放电截止时间，计算出单个供电周期的有效放电时间，有效放电时间即电流波形上发生微放电的时间。将所有供电周期的有效放电时间累加，得到有效放电总时间。另外，对得到的微放电电流数据进行检测，得到每一供电周期的微放电脉冲峰值，计算放电过程中的平均微放电强度。最后对放电过程中有效放电总时间和平均微放电强度进行输出显示。

图10是供电能量计算子程序，该部分得到装置运行过程中的单个供电周期的能量平均值和总供电能量。自动读取PC机上存储的“供电电压”与“积分电压”采集通道的数据。根据得到的数据，进行单个周期的李萨如图形重构。由于李萨如图形是两个正交矢量在做周期性振荡时合成的曲线，在本方案中，两个矢量的振动频率相同，能够合成封闭的图形。但是在振动过程中，矢量的模是不固定，因此每个周期合成的图形大小会有差异。在进行供电能量计算时，需要对每个周期李萨如图形的面积进行计算，因此要进行图形的重构并对每个周期进行分离，确立图形分离的规则。重构过程如下：

以“积分电容电压”为横坐标数据，“供电电压”为纵坐标数据，进行图形重构。此时得到的是所有供电周期堆叠的李萨如图形。由于单个供电周期对应的是单个李萨如图形，因此需进行单个周期图形分离。确立单个供电周期李萨如图形重构的数据选取范围规则是：在绘制李萨如图时，选择施加的电压上升到零的两个相邻点的时间作为一个周期。

在对单个供电周期的李萨如图形进行分离重构后，对重构的李萨如图形进行供电电压与积分电压的积分计算，得到李萨如图形的面积S_d,i。根据李萨如的面积，结合公式(11)得到单个供电周期的能量E_d,i。根据公式(3)和(7)得到一个调功周期内的供电周期个数n_dm,j，之后根据公式(4)得到该调功周期的供电能量E_m,j。单个供电周期的平均能量通过公式(6)得到。之后根据运行时间内总供电周期个数N_on,t和公式(12)对每个供电周期的能量进行累加，得到系统运行时间内的总供电能量。对E_d,a和E_T进行输出显示。

图11是等效参数计算子程序，该部分得到反应器的等效电容参数。自动读取PC机上存储的“供电电压”与“积分电压”采集通道的数据。根据得到的数据，进行单个周期的李萨如图形重构。根据公式(13)-(15)得到装置单个供电周期的等效电容数据C，C_d和C_g。然后对所有周期的电容值进行平均，得到等效电容平均值。对计算结果进行输出显示。

图12是相对光量子产率能效比(E_er)计算子程序，自动读取PC机上存储的“相对光谱强度”数据，读取“供电能量处理子程序”中经过处理存储的“调功周期供电能量E_m,j”数据，通过公式(16)计算得到相对光量子产率能效比，并对结果进行显示输出。

5)相对光量子产率能效比评估

通过前面的步骤得到放电参数后，本发明与牛顿爬山算法相结合，设计了最佳放电效果评估方法。根据光量子产率的变化规律，得到在最佳放电效果时对应的放电参数。根据牛顿爬山算法找出最佳E_er(能效比)对应的放电条件，确定相应的参数范围。

如图13所示是牛顿爬山法的XX-E_er图，横轴表示一个调功周期的供电能量E_m,j，纵轴表示相对光量子产率E_er。牛顿爬山法又称扰动观察法，本文中是通过不断调节放电反应系统的放电条件来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，再根据变化情况来调整放电条件，包括可编程AC/DC电源的输出电压、PDM高压电源的供电电压、供电能量的参数,使放电反应器工作在最佳能效比附近。根据上图可以分析牛顿爬山法具体工作情况如下：

(1)在A点加一个扰动变量，如改变供电能量，使反应器的E_er达到B点；

(2)检测到之前提高供电能量使得反应器的相对光量子产率能效比增加，继续原来的方向增加扰动变量，使反应器工作在C点；

(3)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在M点；

(4)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在D点；

(5)此时检测到之前的扰动变量使得反应器的相对光量子产率能效比减小，改变原来的方向加扰动变量，使反应器的E_er重新达到M点；

(6)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在C点；

(7)最后，反应器在C点，M点，D点三个工作点间波动。

算法中的扰动变量可取气体流速，供电电压，一个调功周期的供电能量。使用这种方法可以确定最佳的相对光量子产率能效比，而且可以得到所对应的放电条件，因此可以确定最佳放电参数调节范围。

在牛顿爬山算法中，根据扰动变量的步长所确定的M点不一定是E_er的最高点，在确定了最佳参数调节范围C到D后，用优选法对扰动变量的步长进行重新设定，根据下列步骤找出最高点：

(1)在(C,M)区间内取中点P1，(M,D)区间内取中点P2；

(2)当P1对应的函数值大于P2对应的函数值时，相对光量子产率能效比的极大值在(P1,M)区间内，(M,P2)的区间舍去；

(3)反之，极大值在(M,P2)区间内，舍去(P1,M)区间；

(4)当P1和P2对应的函数值相等时，极大值在(P1,P2)范围内，舍去(C,P1)和(P2,D)的区间；

(5)在剩余的区间内重新取中点，找到P3，P4，以步骤(1)到(4)的方式继续进行迭代计算；直到剩余区间范围小于设定值

时，算法结束。

当自变量为气体流速时，

的值为0.1m/s；当自变量是供电电压时，

的值是0.1kV；当自变量是一个调功周期的能量时，

是10mJ。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，其特征是：包括可编程电源、PDM高压电源、被测DBD阵列、电气参数检测模块、光纤光谱仪和上位机；

可编程电源的输出端连接PDM高压电源的输入端，PDM高压电源的电压输出端连接DBD阵列的激励电压输入端；上位机与可编程电源之间连接通信，以通过可编程电源控制PDM高压电源的工作，进而使得DBD阵列在PDM高压电源的激励下放电；

DBD阵列的放电回路包括一端连接地线的积分电容；

电气参数检测模块包括供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元；供电电压检测单元的电压输入端采集DBD阵列激励电压输入端的供电电压；积分电压检测单元的电压输入端采集所述积分电容上的积分电压；放电电流检测单元的电流输入端采集DBD阵列的放电电流；供电电压检测单元、积分电压检测单元和放电电流检测单元的输出端分别连接上位机；

光纤光谱仪采集DBD阵列中放电区域中活性物种的发射光谱的相对强度，传输至上位机中；

上位机根据获取到的供电电压、积分电容电压和放电电流，利用李萨如图形算法进行DBD供电能量的计算；上位机根据获取到的放电区域中活性物种发射光谱的相对强度，计算DBD的相对光量子产率能效比；

上位机根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的微放电数据，进行李萨如图形重构：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；

计算结果包括：单个供电周期的能量为：

即单个供电周期的能量表示为积分电容与该供电周期对应的李萨如图形面积的乘积；其中，E_d,i是第i个供电周期的供电能量，T_d,i表示第i个供电周期的时间，下标d,i表示供电周期的次数，u(t)表示供电电压，i(t)表示放电电流，u_m(t)指积分电容上的累积电荷电压，C_m为积分电容的电容值，S_d,i表示第i个供电周期的李萨如图形面积；

整个运行时间的DBD系统消耗总能量为：

式中，T_m,j为PDM高压电源一个调功周期的时间；下标m,j表示功率密度调整的周期次数；T_on,j为一个调功周期内的DBD放电时间，由多个供电周期T_d,j组成；占空比

n_dm,j表示一个调功周期内的供电周期个数，

DBD放电区域的活性物种的相对光量子产率能效比E_er为：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度；E_m,j为一个调功周期的供电能量，即

2.根据权利要求1所述的PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，其特征是：

定义单个供电周期中产生微放电的时段有AB时段和CD时段，分别位于单个供电周期的负半周期和正半周期中，则对应的李萨如图形的四个顶点坐标分别为A(U_x1,U_y1)、B(U_x2,U_y2)、C(U_x3,U_y3)、D(U_x4,U_y4)，其中各顶点的横坐标和纵坐标分别为相应时间点上的积分电容电压U_x和供电电压U_y。

3.根据权利要求1所述的PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，其特征是：所述可编程电源模块采用可编程AC/DC电源模块。

4.根据权利要求1所述的PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，其特征是：所述电气参数检测模块采用数字示波器，数字示波器包括至少3个检测通道，3个检测通道分别设置高压探头、电压探头和电流互感器，并分别用于检测DBD阵列的高压电源输入端电压、积分电容上的电压和放电回路的电流。

5.根据权利要求1所述的PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统，其特征是：所述电流互感器采用罗氏线圈。

6.基于权利要求1至5任一项所述的PDM工作模式的高压电源激励DBD反应器供电能量的检测系统的供电能量检测方法，其特征是，包括：

S1，系统初始化：将DBD的激励电源调节为PDM供电模式，设定PDM供电模式下的放电条件，使得DBD被激励放电；

S2，利用电压电流检测模块获取DBD阵列的放电参数，包括供电电压、放电电流，和积分电容上的积分电压；利用光纤光谱仪获取DBD阵列放电区域中活性物种发射光谱的相对强度；

S3，上位机从电压电流检测模块和光纤光谱仪获取已采集到的数据，基于获取到的数据进行DBD供电能量、等效参数、有效放电时间以及相对光量子产率能效比的计算和输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，S1中，所述放电条件包括PDM高压电源供电电压、调功周期长度、供电频率和功率密度。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，步骤S3包括：

S31，计算DBD的供电能量：

定义T_m,j为PDM高压电源的一个调功周期，T_on,j为DBD在PDM高压电源一个调功周期内的放电时间，由多个DBD供电周期组成；则DBD的单个供电周期能量E_d,i表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积，为：

式中，T_d,i表示单个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是放电电流，d表示放电，i表示放电次数；

一个调功周期T_m,j中供电时间的占空比为：

一个调功周期内的供电周期个数为：

一个调功周期的供电能量E_m,j即n_dm,j个单个供电能量之和：

定义E_d,a是调功周期内单个供电周期的平均供电能量，则：

当DBD系统工作在连续状态时，运行时间内总供电周期个数N_on,t可以表示为：

式中，T_t是放电系统的运行总时间；

则系统运行时间内的DBD总供电能量E_T表示为：

根据式(1)、(6)、(7)和(8)、可得到E_T：

根据DBD阵列在PDM高压电源激励下产生的微放电数据，绘制激励DBD的供电能量的电压电荷李萨如图形，则单个供电周期的能量与相应李萨如图形的面积成正比；

由于：

其中C_m是回路中外接积分电容的容值，u_m(t)为积分电容上的累积电荷电压；

则将(10)式带入(1)式可得单个供电周期的供电能量E_d,i，表示为积分电容和相应李萨如图形面积S_d,i的乘积，即：

将(11)代入(9)，利用李萨如图形面积来表示供电能量，可以得到运行时间内DBD总供电能量E_T为：

S33计算量子产率能效比E_er：

其中I为光纤光谱仪采集的DBD放电区域中活性物种发射光谱的相对强度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，S31在进行DBD的供电能量的计算时，首先获取检测到的供电电压数据和积分电容电压数据，然后根据获取到的数据，进行单个供电周期的李萨如图形重构，图形重构时，包括：

以电容积分电压为横坐标数据，以“供电电压”为纵坐标数据，得到所有供电周期堆叠的李萨如图形；

进行单个周期李萨如图形的分离，得到单个供电周期李萨如图形，分离规则为：选择供电电压上升到零的两个相邻点之间的时间段作为一个供电周期；

对分离得到的单个李萨如图形分别计算得到李萨如图形的面积，进而根据公式(11)得到相应供电周期的供电能量E_d,i。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征是，S3还包括放电参数处理步骤：

根据获取到的供电电压参数，得到供电电压峰-峰值；

根据获取到的回路放电电流，得到DBD的平均微放电强度和有效放电时间，包括：

对获取的回路放电电流进行波形重构；

对重构形成的放电电流波形进行平滑处理；

将回路放电电流数据与平滑处理后的相应电流数据相减，得到放电过程中的微放电电流的波形数据；

根据微放电的电流波形的产生，得到每个供电周期的放电起始时间和放电介质时间，从而计算单个供电周期的有效放电时间；

将所有供电周期的有效放电时间累加，得到有效放电总时间；

根据每个供电周期的微放电脉冲峰值，计算放电过程中的平均微放电强度。

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