CN111273135B - 一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统及方法，包括DBD发生装置；DBD发生装置包括相连接的DBD平板电极单元和电流测量单元；DBD平板电极单元包括上电极和绝缘介质；绝缘介质包括第一石英玻璃和第二石英玻璃，第一石英玻璃覆盖于上电极表面，第二石英玻璃中心镀有ITO镀层；气流控制系统用于调控高压电极表面气流流速；电源系统与光学测量系统相连。本发明可以对气流流速精确控制，做到气流对电极的全覆盖性，可实现气流流速、气隙、电压、频率等多参数的可调节，并可记录任意周期内任意时刻放电电流及表面图像，测量分辨率高，有助于从放电特性和表面放电图像角度，对介质阻挡放电形态的转变规律进行深入的机理性研究。

Description

一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统和方法

技术领域

本发明属于介质阻挡放电领域，涉及一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统和方法。

背景技术

在工业应用中，介质阻挡放电(DBD)是最常见的一种放电类型。这种形式的放电需要在电极表面覆盖阻挡介质，很容易在大气压下产生低温非平衡等离子体。此外，阻挡放电可以以较低的功率消耗产生大量活性粒子，如热电子、自由基以及可见光和紫外范围的光子等。鉴于以上原因，DBD在热敏材料表面改性处理、生物和医学领域具有无可替代的优势，在臭氧合成、等离子体助燃和照明等领域也得到了广泛应用。大气压介质阻挡放电的实现不需要昂贵的真空设备，可以为很多工业应用节省大量成本，同时又具有上述优势，因而引起了学术界和工业界的广泛关注，是气体放电领域的研究热点之一。

气流在电气设备的使用过程中是常见的外部因素，然而气流会直接影响到气隙放电的模式、特性、强度以及放电位置和稳定性等。众多研究结果显示，不同的气隙高度中气流能够使得放电变的更加均匀。目前，普遍认为气流对放电特性的改变主要集中体现在两个方面：第一个方面，气流能够改变气隙中各种带电粒子的分布。部分学者认为氮气气流能够促进带电粒子在放电气隙中的均匀分布，并且延长了亚稳态粒子的寿命。也有学者认为气流加速了介质表面浅陷阱中的粒子脱陷，为放电提供了种子电子致使击穿电压降低，抑制了放电发展为流注放电,从而保证放电的均匀性。与此同时也能够削弱放电强度，导致放电熄灭。

目前的测量方法中，很难保证电极的平行，从而影响气流的精确控制，难以保证气流流向的一致性，容易在电极内部形成涡旋或者无法做到电极的全覆盖。对放电图像的测量主要集中在侧面，对表面形态的动态测量难以达到高分辨率的动态测量。目前广泛用于图像拍摄的ICCD只能单次拍摄单张，难以观察单个周期内不同时刻的放电形态变化。有关气流对介质阻挡放电的影响研究主要由低频交流和直流电压电源驱动，关于高频交流电压下气流对介质阻挡放电的影响尚缺乏系统的测量方法。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统和方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，包括DBD发生装置、实验腔体、气流控制系统、电源系统以及光学测量系统；其中，DBD发生装置设置在实验腔体内；

DBD发生装置包括DBD平板电极单元和电流测量单元；其中，DBD平板电极单元与电流测量单元相连；

DBD平板电极单元包括上电极、绝缘介质和气隙垫片；上电极包括高压电极；

绝缘介质包括第一石英玻璃和第二石英玻璃，其中，第一石英玻璃覆盖于上电极表面，第二石英玻璃中心镀有ITO镀层，第一石英玻璃和第二石英玻璃之间设置气隙垫片；

气流控制系统用于调控高压电极表面气流流速；

电源系统包括高频等离子体发生电源、示波器以及数字延时发生器；高频等离子体发生电源与DBD发生装置相连，DBD发生装置与示波器相连，示波器与高频等离子体发生电源相连；

高频等离子体发生电源还与数字延时发生器相连，数字延时发生器与光学测量系统相连。

本发明进一步的改进在于，第二石英玻璃上设置有电流测量单元；

上电极还包括绝缘托盘，高压电极内嵌在绝缘托盘中；

绝缘托盘直径为110mm，高压电极为直径为60mm的铜电极；高压电极表面进行打磨处理。

本发明进一步的改进在于，电流测量单元包括地电极、绝缘层和测量电极，其中，绝缘层套装在测量电极外侧，地电极套装在绝缘层外侧，在测量电极和地电极之间跨接4个中心对称的测量电阻；测量电极设置在第二石英玻璃上，地电极通过测量电阻与测量电极相连。

本发明进一步的改进在于，第一石英玻璃和第二石英玻璃的介电常数均为3.6；

气隙垫片两侧开口，并且开口与气流喷嘴相配合。

本发明进一步的改进在于，ITO镀层的直径为60mm，透光率为90％，电阻率为8Ω/m²。

本发明进一步的改进在于，气隙垫片厚度为mm，材质为尼龙，形状为扇环形。

本发明进一步的改进在于，光学测量系统包括第一ICCD相机，第二ICCD相机，分光棱镜和中继镜头，电源系统产生的光路经中继镜头进入分光棱镜，经分光棱镜分为两路，一路进入第一ICCD相机，另一路进入第二ICCD相机；

第一ICCD相机(28)和第二ICCD相机的像素为1024×1024、单个像素尺寸为μm，最短曝光时间为2ns，感光范围为200～900nm。

本发明进一步的改进在于，气流控制系统包括气瓶，气流流量控制仪，气流喷嘴以及孟氏洗气瓶；其中，气瓶出口经气流流量控制仪与气流喷嘴相连；气流喷嘴设置于实验腔体内，气流喷嘴采用尼龙材质；孟氏洗瓶通过气管连接在实验腔体的出气阀门处。

本发明进一步的改进在于，高频等离子体发生电源的电压在0～10kV的范围内，中心频率为20kHz，能够产生频率在10～46kHz的范围内可调的高电压。

一种基于上述系统的气流调控下的介质阻挡放电特性的测量方法，将实验腔体抽至真空，然后通入氦气，打开气流流量控制仪，用数字延时发生器触发高频等离子体发生电源产生高频正弦电压施加到高压电极，稳定放电50个周期后触发光学测量系统，对周期内任意时刻进行图像动态捕捉，光学测量系统拍到图像为灰度图，将灰度图转化成能够直观反映放电表面形貌和放电强度的真彩图，进而得到时间分辨率为1μs的介质阻挡放电表面动态图像。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明可实现气流流速的精确控制，做到气流对电极的全覆盖性，可实现气流流速、气隙、电压、频率等多参数的可调节。本发明可记录任意周期内任意时刻放电电流及表面图像，测量分辨率高，有助于从放电特性和表面放电图像角度，对气流影响下介质阻挡放电形态的转变规律进行深入的机理性研究。

进一步的，本发明通过与放电气隙等高等宽的嵌入式气流喷嘴，实现气流在电极表面的全面积覆盖，极大保证了气流的均匀性。

进一步的，本发明的上下电极之间通过气隙垫片和绝缘支撑部件的紧连接，垫片一侧开口嵌入喷嘴，一侧使气流流出。可实现电极间的完全平行，保证气体流向的一致。

进一步的，本发明通过电流测量单元使得电流在空间上均匀分布，进而最大限度削弱杂散参数，将测量电路对脉冲放电电流波形的影响降到最低。

进一步的，本发明在实验腔体出气口加入孟氏洗瓶，确保了气体的纯净度、气流的流动性和内外气压的平衡。

进一步的，本发明通过两台ICCD组合的光学测量系统可以对一周期内任意时刻的介质阻挡放电表面放电图像进行动态测量，时间分辨率可达微秒级。

进一步的，本发明通过数字延时发生器在加电压前后对高速摄像机和高频等离子体发生电源进行准确的时序控制，保证了测量结果的精确性。

附图说明

图1为气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统结构图。

图2为DBD发生装置结构图。

图3为电流测量单元结构图。

图4为光学测量系统结构图。

图5为气流喷嘴的等轴侧图。

图6为DBD测量触发时序图。

图7为氦气环境中气流1L/min时20kHz电压下放电波形。

图8为氦气环境中气流1L/min时20kHz电压下表面图像动态分布图。其中，(a)为1.86kV(起始)，(b)为1.9kV，(c)为2.0kV，(d)为2.1kV，(e)为2.2kV，(f)为2.3kV，(g)为2.5kV，(h)为2.6kV，(i)为2.7kV，(j)为2.9kV，(k)为3.0kV，(l)为3.1kV，(m)为3.3kV，(n)为3.4kV，(o)为3.5kV，(p)为3.6kV，(q)为3.7kV，(r)为3.8kV，(s)为3.9kV。

图中，1为高频等离子体发生电源；2为DBD发生装置；3为气流喷嘴；4为示波器；5为数字延时发生器；6为观察窗；7为光学测量系统；8为气瓶；9为气流流量控制仪；10为实验腔体；11为孟氏洗瓶。

12为高压电极；13为高压端聚四氟乙烯绝缘盘；14、为第一石英玻璃；16为第二石英玻璃；15为圆环形绝缘垫片；17为地电极；18为测量电阻；19为ITO镀层；20为测量电极。

22为绝缘层。

25为光路；26为中继镜头；27为分光棱镜；28为第一ICCD相机；29为第二ICCD相机；30为分光盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明可记录任意周期内任意时刻放电电流及表面图像，测量分辨率高，有助于从放电特性和表面放电图像角度，对气流影响下介质阻挡放电形态的转变规律进行深入的机理性研究。

参见图1，一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，包括DBD发生装置、实验腔体、气流控制系统、电源系统以及光学测量系统。其中，DBD发生装置设置在实验腔体内，气流控制系统用于调控高压电极12表面气流流速；电源系统与DBD发生装置和光学测量系统7均相连。

其中，所述实验腔体用于维持气体环境和保持绝缘距离。

所述气流控制系统起到调控高压电极12表面气流流速的作用。

所述电源系统用于产生高频正弦电压，通过时序的设计触发第一ICCD相机28、第二ICCD相机29以及高频等离子体发生电源1，可以实现对周期内不同时刻点准确的动态测量。

所述光学测量系统由第一ICCD相机28，第二ICCD相机29，分光棱镜27和中继镜头26组成，可以实现纳秒级表面放电图像的测量。

参见图2，所述DBD发生装置由DBD平板电极单元、电流测量单元和支撑固定部件组成，实现介质阻挡放电的产生和动态测量。

所述DBD平板电极单元为由上电极、绝缘介质和气隙垫片15组成的叠层结构。上电极由高压电极12和绝缘托盘13组成。所述绝缘托盘13直径为110mm，高压电极12为直径为60mm的铜电极，采用挤压加工工艺内嵌在高压端聚四氟乙烯绝缘托盘13中，表面做打磨处理，以防止高压电极12边缘处产生边缘放电效应。高压通过铜电极中心的高压导杆引入电极系统。

所述绝缘介质选用两片介电常数均为3.6的3mm的第一石英玻璃14和第二石英玻璃16，其中第二石英玻璃16正中心镀有直径为60mm，透光率为90％，电阻率为8Ω/m²的ITO镀层19，方便电极表面图像的拍摄。ITO是一种n型半导体材料，具有高电导率、高可见光透过率、高机械硬度和良好的化学稳定性，因此在本发明中不会对光线产生干扰。第一石英玻璃14覆盖于上电极表面，两层石英玻璃之间的气隙夹入扇环形气隙垫片15，气隙垫片15中间两侧开口，一侧可以使气流喷嘴恰好嵌入，另一侧用于气流的流出，从而有效保证两电极之间的平行性以及气流的流动性和方向的一致性。所述气隙垫片15厚度3mm、材质为尼龙、形状为扇环形，用于固定气隙的间距。两个气隙垫片15之间开口60mm与气流喷嘴3相配合。

参见图3，所述电流测量单元由地电极17、绝缘层(即绝缘环)22和测量电极20组成，具体的，绝缘层22套装在测量电极20外侧，地电极17套装在绝缘层22外侧，在测量电极20和地电极17之间跨接4个中心对称的阻值为200欧姆的无感电阻，即阻值为50欧姆的测量电阻17，测量电阻17可有效削弱杂散参数，实现脉冲放电电流的准确测量。地电极17设置在第二石英玻璃16上，并且位于ITO镀层19外侧，测量电极20也设置在第二石英玻璃16上，地电极17通过测量电阻18与测量电极20相连，地电极17连接导线接地。

测量电极20、第二石英玻璃16以及ITO镀层19组成透明的下电极。

所述支撑固定部件包括支撑杆，支撑杆上设置有螺纹，支撑杆穿过上电极、气隙垫片15与下电极，并将上电极、气隙垫片15、下电极紧密结合，起到固定和支撑的作用，保证各组件之间无气隙存在。

进一步地，所述实验腔体10采用300mm直径、400mm高度的不锈钢真空腔。放电实验中，整个真空腔体接地。由于介质阻挡放电发生于直径60mm、高度3mm的微小区域内。放电产生的效应对腔体环境影响很小，因此在一次15min实验周期内，可以认为腔体内的气体组分没有发生太大变化。外施高压通过真空腔法兰上的导体引入腔体内部，内部高压线与法兰上的导体通过硅胶固定在一起，并经打磨处理，以防止接线处发生电晕。地线和电流测量线通过法兰上的导体和BNC头引出。实验腔体10上设有两个玻璃观察窗，一个观察窗用于透过测量光源以及对放电斑图的观测，另一个观察窗用于观察DBD侧面放电图像。实验腔体通过真空系统中ZB-150型气压表对气压实时监测，真空腔上设有通气法兰，用于通入环境气体。

参见图1，所述气流控制系统由气瓶8，气流流量控制仪9，气流喷嘴3以及孟氏洗气瓶11串联组成。气瓶8出口经气流流量控制仪9与气流喷嘴3相连，所述气瓶8用于储存惰性气体，测量时气瓶8选用氦气气瓶。所述气流流量控制仪9通过调节控制仪的门阀旋钮可以精确控制流速，流速范围0-30L/min，精度可达0.1L/min，并通过控制仪的液晶屏实时显示。

参见图5，气流喷嘴3设置于实验腔体10内，气流喷嘴3采用绝缘性能优异的尼龙材质，气流喷嘴3前部为扁长型中空设计，尺寸与气隙垫片15的开口大小一致，保证气流完全通过整个电极。具体的，所述气流喷嘴3的前部中间气缝宽度为3mm，缝长60mm，与DBD发生装置的开口相嵌，尾部通过气管与法兰内部的进气口连接，实现气流在电极表面的全面积覆盖，极大保证了气流的利用率。所述孟氏洗瓶11通过气管连接在实验腔体10的出气阀门处，以便保持整个气路的畅通，在气流流通时防止外部气体进入真空腔内，保证腔体气压的稳定以及气体的流动性。

参见图1，所述电源系统包括高频等离子体发生电源1、示波器4以及数字延时发生器5。高频等离子体发生电源1与DBD发生装置2相连，DBD发生装置2与示波器4相连，示波器4与高频等离子体发生电源1相连。高频等离子体发生电源1电压在0～10kV的范围内可调，中心频率为20kHz，可产生频率在10～46kHz的范围内可调的高电压。实验中，利用示波器4(2.5GHz最大带宽、40G/s最高采样率)进行高频正弦高压的测量。数字延时发生器产生脉冲宽度和上升沿均可调的触发脉冲，利用设计的触发时序对光学测量系统、高频电源和示波器进行准确的时序触发，完成预定时序的测量。具体的，所述数字延时发生器6(数字延时发生器6为DG645)可同时对第一ICCD相机28、第二ICCD相机29和高频等离子体发生电源1进行触发，通过时序的设定，可以实现对不同时刻下表面图像和放电特性的纳秒级测量。

参见图4，所述光学测量系统包括第一ICCD相机28，第二ICCD相机29，分光棱镜27和中继镜头26，分光棱镜27和中继镜头26设置在反光盒30内，电源系统产生的光路25经中继镜头26进入分光棱镜27，经分光棱镜27分为两路，一路进入第一ICCD相机28，另一路进入第二ICCD相机29。所述光学测量系统利用中继镜头26、分光棱镜27和两台带有增强功能的ICCD相机搭建而成，能够捕获超低强度、短时发光的电极表面图像。所述中继镜头26主要作用是调整成像的焦面刚好位于ICCD相机成像的感光芯片上。ICCD可手动调节触发时延和曝光时间，门宽最小为2ns，通过时序控制可实现微秒级表面图像的动态测量。所述分光棱镜27将光路分为两束互相垂直的光路，分别由两台同步触发的ICCD接受成像。所述ICCD相机像素为1024×1024、单个像素尺寸为13μm，最短曝光时间为2ns，感光范围为200～900nm，具有高分辨率，短时图像捕捉能力强等优点。

利用上述气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统的测量方法为：将实验腔体10抽至真空，随后向其中通入氦气，打开出气门阀，当孟氏洗瓶11有气体进入时，打开气流流量控制仪，调节气流流量控制仪控制气流流量。用数字延时发生器触发电源产生高频正弦电压施加到高压电极12。稳定放电50个周期后触发两台ICCD，对周期内任意时刻进行图像动态捕捉。相机拍到图像为灰度图，对其进行处理，可将灰度图转化成能够直观反映放电表面形貌和放电强度的真彩图，进而得到时间分辨率为1μs的介质阻挡放电表面动态图像。具体过程如下：

进行测量前，首先按照图1进行各个装置的组装。

进气流调控下的实验时，首先将真空腔抽至真空，随后向其中通入氦气，打开出气门阀，当孟氏洗瓶11有气体进入时，打开气流流量控制仪9，调节旋钮使气体流量维持在1L/min，持续通入2min气体后再打开电源，为了直观判定二分幅系统中两台相机的开始曝光的时刻与电压相位在时间尺度上的相对关系，利用数字延时发生器5设计了图6中的两路曝光模拟信号。其脉冲上升沿时刻分别为两台ICCD的开始曝光的时刻，其脉冲宽度为两台ICCD的门宽t2、t3(ICCD记录光强所经历的真实时间)。两个曝光模拟信号上升沿之间的时间间隔为两台ICCD开始光强测量的时间间隔t1。使正弦电压由零逐渐增大幅值，最终成为幅值相对稳定的正弦波施加到高压电极15。通过示波器4可实时记录放电电流和电压波形。一标准大气压氦气环境中气流1L/min时20kHz电压下放电波形如图7所示。进一步地，将真空腔和光学测量系统用摄影遮光布遮盖，保证拍摄环境的昏暗，无外界光线的干扰，相机镜头与观察窗正中心相对，使图像处于相机视野的正中。在放电持续50个周期t₀之后输出ICCD触发信号，信号触发二分幅系统中的两台ICCD。利用相机拍到图像为灰度图，利用MATLAB对其进行处理，可将灰度图转化成能够直观反映放电表面形貌和放电强度的真彩图，有助于对介质阻挡放电在气流变化下的形态转化和放电均匀性进行深入的机理研究。一标准大气压氦气环境中气流1L/min时20kHz频率下，不同电压下表面图像动态分布如图8所示。

其他气压和气氛中的测量与上述过程相似，只要通入其他种类的气体，到所期望的气压和气流条件下停止通气，然后按照上述的步骤进行实验即可实现放电特性和表面图像的动态测量。若要改变气隙间距的大小，只需改变气隙垫片15的厚度即可。

本发明提出的气流调控下的介质阻挡放电特性的分幅测量法，可以进行气流调控下的介质阻挡放电特性和图像的动态测量，可实现气流流速的精确控制，做到气流对电极的全覆盖性，可实现气流流速、气隙、电压、频率等多参数的可调节。本发明分辨率和灵敏度高，可以对放电表面图像可进行微秒级的动态测量。利用本发明的测量结果可以对介质阻挡放电在气流作用下不同形态的演化过程和转换条件等问题进行深入的机理性研究。

Claims (6)

1.一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，包括DBD发生装置、实验腔体（10）、气流控制系统、电源系统以及光学测量系统（7）；其中，DBD发生装置设置在实验腔体（10）内；

DBD发生装置包括DBD平板电极单元和电流测量单元；其中，DBD平板电极单元与电流测量单元相连；

DBD平板电极单元包括上电极、绝缘介质和气隙垫片（15）；

上电极包括高压电极（12）；上电极还包括绝缘托盘（13），高压电极（12）内嵌在绝缘托盘（13）中；

绝缘托盘（13）直径为110mm，高压电极（12）为直径为60mm的铜电极；高压电极（12）表面进行打磨处理；

绝缘介质包括第一石英玻璃（14）和第二石英玻璃（16），其中，第一石英玻璃（14）覆盖于上电极表面，第二石英玻璃（16）中心镀有ITO镀层（19），第一石英玻璃（14）和第二石英玻璃（16）之间设置气隙垫片（15）；气隙垫片（15）两侧开口，气隙垫片（15）形状为扇环形；

电源系统包括高频等离子体发生电源（1）、示波器（4）以及数字延时发生器（5）；高频等离子体发生电源（1）与DBD发生装置（2）相连，DBD发生装置（2）与示波器（4）相连，示波器（4）与高频等离子体发生电源（1）相连；

高频等离子体发生电源（1）还与数字延时发生器（5）相连，数字延时发生器（5）与光学测量系统（7）相连；

第二石英玻璃（16）上设置有电流测量单元；

气流控制系统用于调控高压电极（12）表面气流流速；

气流控制系统包括气瓶（8），气流流量控制仪（9），气流喷嘴（3）以及孟氏洗瓶（11）；其中，气瓶（8）出口经气流流量控制仪（9）与气流喷嘴（3）相连；气流喷嘴（3）设置于实验腔体（10）内；孟氏洗瓶（11）通过气管连接在实验腔体（10）的出气阀门处；

气流喷嘴（3）前部为扁长型中空设计，尺寸与气隙垫片（15）的开口大小一致，气流喷嘴（3）的前部中间气缝宽度为3mm，缝长60mm，与DBD发生装置的气隙垫片（15）的开口相嵌，尾部通过气管与法兰内部的进气口连接；

电流测量单元包括地电极（17）、绝缘层（22）和测量电极（20），其中，绝缘层（22）套装在测量电极（20）外侧，地电极（17）套装在绝缘层（22）外侧，在测量电极（20）和地电极（17）之间跨接4个中心对称的测量电阻（18）；测量电极（20）设置在第二石英玻璃（16）上，地电极（17）通过测量电阻（18）与测量电极（20）相连；

光学测量系统（7）包括第一ICCD相机（28），第二ICCD相机（29），分光棱镜（27）和中继镜头（26），电源系统产生的光路（25）经中继镜头（26）进入分光棱镜（27），经分光棱镜（27）分为两路，一路进入第一ICCD相机（28），另一路进入第二ICCD相机（29）；

第一ICCD相机（28）和第二ICCD相机（29）的像素为1024×1024、单个像素尺寸为13μm，最短曝光时间为2 ns，感光范围为200~900 nm。

2.根据权利要求1所述的一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，第一石英玻璃（14）和第二石英玻璃（16）的介电常数均为3.6。

3.根据权利要求1所述的一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，ITO镀层（19）的直径为60mm，透光率为90%，电阻率为8Ω/m²。

4.根据权利要求1所述的一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，气隙垫片（15）厚度为3mm，材质为尼龙。

5.根据权利要求1所述的一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，气流喷嘴（3）采用尼龙材质。

6.根据权利要求1所述的一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统，其特征在于，高频等离子体发生电源（1）的电压在0~10kV的范围内，中心频率为20kHz，能够产生频率在10~46kHz的范围内可调的高电压。

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