CN109521223B - 一种短空气间隙离子风参数监测方法 - Google Patents

一种短空气间隙离子风参数监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短空气间隙离子风参数监测方法，属于短空气间隙离子风参数监测技术领域，包括以下两大步骤：(一)、离子风头部运动速度的变化规律参数监测，包括如下步骤：a.计算离子风头部运动速度：b.根据离子风在电场中的实际受力情况，通过方程式描述离子风头部运动状态，即可得到从tn至tn+1时刻的离子风X‑t曲线，综合各段曲线即可获得离子风的迁移运动规律。(二)、离子风光电脉冲信号参数监测，包括如下步骤：a.连接检测设备；b.连接触发设备；c.同步记录产生离子风的电流脉冲信号和离子风的光脉冲信号；d.离子风光电脉冲信号参数监测。该方法具有较高的检测精度与较强的灵敏度，拥有较大的工程实际应用价值。

Description

一种短空气间隙离子风参数监测方法
技术领域
本发明涉及短空气间隙离子风参数监测技术领域。
背景技术
在尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，便会出现相对稳定的离子风现象。在一定的电压和技术条件下，离子风是可以通过电离子在两个电极间的“对流”产生风能的。离子风在工业生产中已经有了很大的应用价值，比如离子风机、离子散热器和离子风棒等设备。离子散热器的原理是通过高压电场，电离空气分子，然后带电的空分子会受到电场的作用而运动形成气流。离子风棒和离子风机都是固定式静电消除的专用设备，具有安装简易、工作安全稳定、消除静电速度快的特点，主要用于电子、塑胶、丝印、印前系统、图像处理等行业。
因此，对于短空气间隙离子风过程的精确观测成为世界各国的专家学者们亟待解决的问题。人们对于长空气间隙的研究比较深入和完备，而针对短空气间隙，世界各国的专家学者所做的研究工作大部分都是关于短空气间隙击穿电压的测量、电场特征量的提取和放电路径的分叉等方面，而对于短空气间隙离子风（即微观粒子射流）的观测手段少之又少。
可见，对于短空气间隙离子风的多角度全方位观测对于正确认识离子风的运动形态、速度以及一系列的光学、电学特性具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种短空气间隙离子风参数监测方法，该方法不仅可以实现同步触发观测离子风的形态特征和荷电特性，还可以定量的精确计算离子风的运动速度，具有较高的检测精度与较强的灵敏度，拥有较大的工程实际应用价值。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种短空气间隙离子风参数监测方法，方法包括以下两大步骤：
（一）、离子风头部运动速度的变化规律参数监测，包括如下步骤：
a. 计算离子风头部运动速度，由高速相机拍摄出多个离子团运动周期的图像，离子团运动周期为从锥电极第一次出现离子团出射开始，到离子团头部运动到球电极结束的时间段，离子风
Figure 210661DEST_PATH_IMAGE001
均速的计算公式如下：
Figure 756043DEST_PATH_IMAGE002
（1）
（1）式中，
Figure 870630DEST_PATH_IMAGE001
：当前时刻的离子风头部运动速度，单位为
Figure 792449DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 308881DEST_PATH_IMAGE004
：高速相机在一个离子团运动周期内所拍摄的照片张数；
Figure 353061DEST_PATH_IMAGE005
：两个电极间的间隙距离，单位为
Figure 328845DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 913410DEST_PATH_IMAGE007
：高速相机的拍摄频率；
b.根据离子风在电场中的实际受力情况，通过方程式描述离子风头部运动状态：
Figure 487611DEST_PATH_IMAGE008
（2）
（2）式中，
Figure 640375DEST_PATH_IMAGE009
：离子风头部总质量，单位为
Figure 729553DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 55492DEST_PATH_IMAGE011
：离子风头部受到的静电加速力，单位为
Figure 421883DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 870182DEST_PATH_IMAGE013
：受到的正向阻力，单位为
Figure 56444DEST_PATH_IMAGE012
；
（2）式中，
Figure 186074DEST_PATH_IMAGE014
按（3）式计算得出，
Figure 531604DEST_PATH_IMAGE013
按（4）式计算得出：
Figure 253267DEST_PATH_IMAGE015
（3）
Figure 317038DEST_PATH_IMAGE016
（4）
则，离子风头部总质量
Figure 250359DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 325762DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中，
Figure 115864DEST_PATH_IMAGE018
：离子风头部所处位置电场强度，单位为
Figure 276718DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 13730DEST_PATH_IMAGE020
：离子风头部在迁移碰撞中的等效体电荷密度，单位为
Figure 333853DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 904642DEST_PATH_IMAGE022
：离子风头部所受风阻的阻力系数，单位为
Figure 880689DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 952550DEST_PATH_IMAGE024
：离子风头部正电荷的荷质比，单位为
Figure 501081DEST_PATH_IMAGE025
；
将（3）式、（4）式、（5）式带入（2）式，可得线性非齐次微分方程：
Figure 632985DEST_PATH_IMAGE026
（6）
将（6）式带入边界条件：
Figure 830748DEST_PATH_IMAGE027
（7）
（7）式中，
Figure 581666DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 345223DEST_PATH_IMAGE029
为高速相机连续拍摄的相邻两张照片的对应时刻，单位为
Figure 788974DEST_PATH_IMAGE030
；
即可得到从
Figure 270771DEST_PATH_IMAGE028
至
Figure 887697DEST_PATH_IMAGE029
时刻离子风的
Figure 912285DEST_PATH_IMAGE031
曲线，综合各段曲线即可获得离子风的迁移运动规律；
（二）、离子风光电脉冲信号参数监测，包括如下步骤：
a.连接检测设备，通过电流采样装置检测形成离子风的电流脉冲信号，通过高速拍摄系统对离子风进行拍摄，高速拍摄系统包括纹影仪和高速相机，通过纹影仪配合高速相机对离子风进行拍摄；
b.连接触发设备，将光检测传感器对准离子风运动轨迹，用于检测离子风的发光强度，设置光检测传感器的触发阈值，当光检测传感器所接收的光信号大于触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点闭合，以控制电流采样装置和高速拍摄系统的启动与停止；
c.同步记录产生离子风的电流脉冲信号和离子风的光脉冲信号，通过直流电压激发锥电极和球电极产生离子风，当离子风的光脉冲信号超过触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点即闭合，以控制电流采样装置和高速拍摄系统启动；当离子风的光脉冲信号低于触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点即断开，以控制电流采样装置和高速拍摄系统停止，从而使电流采样装置和高速拍摄系统同步工作，以同步产生并记录电流脉冲信号和光脉冲信号；
d. 离子风光电脉冲信号参数监测，将步骤c中所同步记录的电流脉冲信号强度和光脉冲信号强度进行对比，即可得出离子风光电脉冲信号参数。
本发明进一步改进在于：
离子风头部运动速度的变化规律参数监测步骤的a步骤中，由高速相机拍摄出15～20个离子团运动周期的图像。
离子风光电脉冲信号参数监测步骤中所采用的光检测传感器为光电倍增管。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明中，离子风头部运动速度的变化规律参数监测方法步骤，对短空气间隙离子风运动过程中的速度形态变化、光脉冲信号以及电流脉冲信号的变化感知具有超强的灵敏度与检测精度，通过计算公式推导可获得离子风的迁移运动规律。
离子风光电脉冲信号参数监测方法步骤，可以实现多角度同步观测短空气间隙离子风的多种放电参数，通过使用“Z”字形纹影仪、光电倍增管和电流采样装置实现离子风的图像和荷电特性的同步并行观测，相比于现有的技术来说方法手段新颖多样，全面而清晰的反映离子风的发展阶段。
该方法不仅可以实现同步触发观测离子风的形态特征和荷电特性，还可以定量的精确计算离子风的运动速度，具有较高的检测精度与较强的灵敏度，拥有较大的工程实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的离子风光电脉冲信号参数监测步骤中的设备连接示意图；
图2高速相机
Figure 385991DEST_PATH_IMAGE028
时刻所拍摄的照片；
图3高速相机
Figure 558347DEST_PATH_IMAGE029
刻所拍摄的照片；
图4离子风受力分析图；
图5离子风的光脉冲信号和电流脉冲信号实时对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种短空气间隙离子风参数监测方法，方法包括以下两大步骤：
（一）、离子风头部运动速度的变化规律参数监测，包括如下步骤：
a. 计算离子风头部运动速度，由高速相机拍摄出多个离子团运动周期的图像，离子团运动周期为从锥电极第一次出现离子团出射开始，到离子团头部运动到球电极结束的时间段，离子风
Figure 149603DEST_PATH_IMAGE001
均速的计算公式如下：
Figure 887752DEST_PATH_IMAGE002
（1）
（1）式中，
Figure 673305DEST_PATH_IMAGE001
：当前时刻的离子风头部运动速度，单位为
Figure 129694DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 88423DEST_PATH_IMAGE004
：高速相机在一个离子团运动周期内所拍摄的照片张数；
Figure 87603DEST_PATH_IMAGE005
：两个电极间的间隙距离，单位为
Figure 637533DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 456584DEST_PATH_IMAGE007
：高速相机的拍摄频率；
b.根据离子风在电场中的实际受力情况，通过方程式描述离子风头部运动状态；
如图2和图3所示，以在连续时间点
Figure 219004DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 931745DEST_PATH_IMAGE029
拍摄所得图片为例，如图2所示，以离子风出射点，即锥电极尖端的坐标为参考0位置，从纹影图像，离子风头部当前时刻所处位置为
Figure 557636DEST_PATH_IMAGE032
，离子风水平方向最大宽度为
Figure 926301DEST_PATH_IMAGE033
，长度为
Figure 23570DEST_PATH_IMAGE034
；下一时刻如图3所示，离子风头部所处位置为
Figure 997342DEST_PATH_IMAGE035
,宽度
Figure 154654DEST_PATH_IMAGE036
，长度为
Figure 10614DEST_PATH_IMAGE037
；
对大气电场中的离子风头部作受力分析如图4所示，图4中
Figure 786940DEST_PATH_IMAGE018
为电场强度，场强方向竖直向下，忽略离子风头部以上较稀薄的粒子重量，其运动方程可描述为：
Figure 739853DEST_PATH_IMAGE008
（2）
（2）式中，
Figure 943432DEST_PATH_IMAGE009
：离子风头部总质量，单位为
Figure 286689DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 725760DEST_PATH_IMAGE014
：离子风头部受到的静电加速力，单位为
Figure 912940DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 412055DEST_PATH_IMAGE013
：受到的正向阻力，单位为
Figure 242607DEST_PATH_IMAGE012
；
（2）式中，
Figure 360736DEST_PATH_IMAGE014
按（3）式计算得出，
Figure 22662DEST_PATH_IMAGE013
按（4）式计算得出：
Figure 568044DEST_PATH_IMAGE015
（3）
Figure 885892DEST_PATH_IMAGE016
（4）
则，离子风头部总质量
Figure 197925DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 324144DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中，
Figure 368323DEST_PATH_IMAGE018
：离子风头部所处位置电场强度，单位为
Figure 970206DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 194252DEST_PATH_IMAGE020
：离子风头部在迁移碰撞中的等效体电荷密度，单位为
Figure 565190DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 780271DEST_PATH_IMAGE022
：离子风头部所受风阻的阻力系数，单位为
Figure 10395DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 133072DEST_PATH_IMAGE024
：离子风头部正电荷的荷质比，单位为
Figure 561779DEST_PATH_IMAGE038
；
将（3）式、（4）式、（5）式带入（2）式，可得非齐次线性微分方程：
Figure 885444DEST_PATH_IMAGE026
（6）
将（6）式带入边界条件：
Figure 461919DEST_PATH_IMAGE027
（7）
（7）式中，
Figure 591549DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 812446DEST_PATH_IMAGE029
为高速相机连续拍摄的相邻两张照片的对应时刻，单位为
Figure 431646DEST_PATH_IMAGE030
；
即可得到从
Figure 603739DEST_PATH_IMAGE028
至
Figure 537060DEST_PATH_IMAGE029
时刻的离子风
Figure 737097DEST_PATH_IMAGE031
曲线，综合各段曲线即可获得离子风的迁移运动规律；
（二）、离子风光电脉冲信号参数监测，包括如下步骤：
a.连接检测设备，通过电流采样装置检测形成离子风的电流脉冲信号，通过高速拍摄系统对离子风进行拍摄，高速拍摄系统包括纹影仪（采用辽宁锦州航星光电设备有限公司生产的“Z”字型HGD-SD300纹影仪）和高速相机（FASTEC IMAGING公司生产的il4型CMOS高速相机），通过纹影仪配合高速相机对离子风进行拍摄（设备检测连接方式从现有技术）；
b.连接触发设备，将光检测传感器对准离子风运动轨迹，用于检测离子风的发光强度，设置光检测传感器的触发阈值，当光检测传感器所接收的光信号大于触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点闭合，以控制电流采样装置（采用美国皮尔森生产的PEARSON4100罗氏线圈）和高速拍摄系统的启动与停止，参见图1；
c.同步记录产生离子风的电流脉冲信号和离子风的光脉冲信号，通过直流电压激发锥电极和球电极产生离子风，当离子风的光脉冲信号超过触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点即闭合，以控制电流采样装置和高速拍摄系统启动；当离子风的光脉冲信号低于触发阈值时，光检测传感器的开关量输出接点即断开，以控制电流采样装置和高速拍摄系统停止，从而使电流采样装置和高速拍摄系统同步工作，以同步产生并记录电流脉冲信号和光脉冲信号；
d. 离子风光电脉冲信号参数监测，将步骤c中所同步记录的电流脉冲信号强度和光脉冲信号强度进行对比，即可得出离子风光电脉冲信号参数。
离子风头部运动速度的变化规律参数监测步骤的a步骤中，由高速相机拍摄出15～20个离子团运动周期的图像。
离子风光电脉冲信号参数监测步骤中所采用的光检测传感器为光电倍增管（采用日本滨松公司生产的R298型光电倍增管）。

Claims (3)

1.一种短空气间隙离子风参数监测方法，其特征在于，所述方法包括以下两大步骤：
（一）、离子风头部运动速度的变化规律参数监测，包括如下步骤：
a. 计算离子风头部运动速度，由高速相机拍摄出多个离子团运动周期的图像，所述离子团运动周期为从锥电极第一次出现离子团出射开始，到离子团头部运动到球电极结束的时间段，离子风
Figure 790162DEST_PATH_IMAGE001
均速的计算公式如下：
Figure 531853DEST_PATH_IMAGE002
（1）
（1）式中，
Figure 995196DEST_PATH_IMAGE001
：当前时刻的离子风头部运动速度，单位为
Figure 605169DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 273785DEST_PATH_IMAGE004
：高速相机在一个离子团运动周期内所拍摄的照片张数；
Figure 779853DEST_PATH_IMAGE005
：两个电极间的间隙距离，单位为
Figure 261650DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 550680DEST_PATH_IMAGE007
：高速相机的拍摄频率；
b.根据离子风在电场中的实际受力情况，通过方程式描述离子风头部运动状态：
Figure 434322DEST_PATH_IMAGE008
（2）
（2）式中，
Figure 48974DEST_PATH_IMAGE009
：离子风头部总质量，单位为
Figure 18067DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 173105DEST_PATH_IMAGE011
：离子风头部受到的静电加速力，单位为
Figure 52199DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 962386DEST_PATH_IMAGE013
：受到的正向阻力，单位为
Figure 792677DEST_PATH_IMAGE012
；
（2）式中，
Figure 548143DEST_PATH_IMAGE011
按（3）式计算得出，
Figure 344061DEST_PATH_IMAGE013
按（4）式计算得出：
Figure 34937DEST_PATH_IMAGE014
（3）
Figure 244201DEST_PATH_IMAGE015
（4）
则，离子风头部总质量
Figure 678725DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 594728DEST_PATH_IMAGE016
（5）
其中，
Figure 315559DEST_PATH_IMAGE017
：离子风头部所处位置电场强度，单位为
Figure 621907DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 984755DEST_PATH_IMAGE019
：离子风头部在迁移碰撞中的等效体电荷密度，单位为
Figure 20844DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 286478DEST_PATH_IMAGE021
：离子风头部所受风阻的阻力系数，单位为
Figure 204756DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 981082DEST_PATH_IMAGE023
：离子风头部正电荷的荷质比，单位为
Figure 668415DEST_PATH_IMAGE024
；
将（3）式、（4）式、（5）式带入（2）式，可得线性非齐次微分方程：
Figure 871994DEST_PATH_IMAGE025
（6）
将（6）式带入边界条件：
Figure 215251DEST_PATH_IMAGE026
（7）
式（7）中，
Figure 919902DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 602687DEST_PATH_IMAGE028
为高速相机连续拍摄的相邻两张照片的对应时刻，单位为
Figure 101802DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure 120571DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 566596DEST_PATH_IMAGE031
为高速相机连续拍摄的相邻两张照片中离子风的头部在对应时刻
Figure 664740DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 147805DEST_PATH_IMAGE028
下的位置，单位为m；
即可得到从
Figure 262392DEST_PATH_IMAGE027
至
Figure 417167DEST_PATH_IMAGE028
时刻的离子风
Figure 668020DEST_PATH_IMAGE032
曲线，综合各段曲线即可获得离子风的迁移运动规律；
（二）、离子风光电脉冲信号参数监测，包括如下步骤：
a.连接检测设备，通过电流采样装置检测形成离子风的电流脉冲信号，通过高速拍摄系统对离子风进行拍摄，所述高速拍摄系统包括纹影仪和高速相机，通过纹影仪配合高速相机对离子风进行拍摄；
b.连接触发设备，将光检测传感器对准离子风运动轨迹，用于检测离子风的发光强度，设置光检测传感器的触发阈值，当所述光检测传感器所接收的光信号大于所述触发阈值时，所述光检测传感器的开关量输出接点闭合，以控制所述电流采样装置和所述高速拍摄系统的启动；
c.同步记录产生离子风的电流脉冲信号和离子风的光脉冲信号，通过直流电压激发锥电极和球电极产生离子风，当离子风的光脉冲信号超过触发阈值时，所述光检测传感器的开关量输出接点即闭合，以控制所述电流采样装置和所述高速拍摄系统启动；当离子风的光脉冲信号低于触发阈值时，所述光检测传感器的开关量输出接点即断开，以控制所述电流采样装置和所述高速拍摄系统停止，从而使所述电流采样装置和所述高速拍摄系统同步工作，以同步产生并记录电流脉冲信号和光脉冲信号；
d. 离子风光电脉冲信号参数监测，将步骤c中所同步记录的电流脉冲信号强度和光脉冲信号强度进行对比，即可得出离子风光电脉冲信号参数。
2.根据权利要求1所述的一种短空气间隙离子风参数监测方法，其特征在于：所述离子风头部运动速度的变化规律参数监测步骤的a步骤中，由高速相机拍摄出15～20个离子团运动周期的图像。
3.根据权利要求1所述的一种短空气间隙离子风参数监测方法，其特征在于：所述离子风光电脉冲信号参数监测步骤中所采用的光检测传感器为光电倍增管。
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