介質(zhì)阻擋放電圖像識別方法及均勻性影響研究.pdf

1、介質(zhì)阻擋放電(DBD)是一種典型的能夠在常溫常壓下產(chǎn)生大量高能量密度的非平衡等離子體源,目前已被廣泛應(yīng)用于臭氧制備、高功率激光器、等離子體流動控制等諸多領(lǐng)域。由于工業(yè)應(yīng)用的需要,放電的均勻性一直是研究的熱點問題。目前所謂均勻放電僅指的是短時間尺度上(ns級)無任何微放電細絲的絕對均勻放電,但實際上工業(yè)應(yīng)用并不需要限制在這種絕對均勻的放電上。相反,更為需要的是由大量微放電細絲構(gòu)成的長時間尺度上相對均勻的放電。由此引出這種放電的均勻性如何定

2、量評價的問題,如何產(chǎn)生不同均勻性的放電及提高均勻性的問題,以及均勻放電和絕對均勻放電的物理機制問題。本文以DBD均勻性為主要研究對象,通過采用數(shù)字圖像處理技術(shù)并結(jié)合電氣參數(shù)測量手段及近似解析計算方法對其開展了研究,所取得的成果如下:
　　提出了一種利用數(shù)字圖像處理技術(shù)中的灰度直方圖(GLH)來定量識別DBD均勻性的新方法。該方法克服了傳統(tǒng)方法復(fù)雜、繁瑣及價格昂貴等缺點,能夠簡單和有效地識別絲狀和均勻放電模式并定量評價放電均勻性。G

3、LH方法的有效性得到了能產(chǎn)生絕對均勻放電的低氣壓實驗和一般采用的電流波形區(qū)別方法的驗證。在此基礎(chǔ)上,通過采用信賴域算法求解非線性最小二乘問題得到雙高斯及單高斯概率模型的參數(shù),建立了絲狀和均勻放電的灰度概率模型并將該模型應(yīng)用于DBD放電特性的研究。
　　提出了通過數(shù)字圖像處理技術(shù)中的傅里葉能量譜(FES)、空間自相關(guān)函數(shù)(ACF)及灰度共生矩陣(GLCM)來定量識別DBD圖像空間結(jié)構(gòu)的方法。ACF方法具有噪聲抑制能力強、對象識別能力

4、強、不需要任何預(yù)處理過程等明顯優(yōu)點,有效識別了絲狀、周期性及均勻放電圖像的空間結(jié)構(gòu)。該方法的有效性通過對DBD斑圖空間結(jié)構(gòu)的識別得到驗證。
　　研究了絲網(wǎng)電極對DBD均勻性的影響。
　　(1)實現(xiàn)了具有空間周期特征絲網(wǎng)電極的均勻放電,部分特征尺度下的均勻性要好于平板電極。實驗結(jié)果表明:如果絲網(wǎng)電極的孔徑L足夠大(L≥1.5mm),周期性的放電點將在每一個網(wǎng)格點上出現(xiàn);如果L相對較小(1.25mm≥L≥0.6mm),周期性的放

5、電點將交替出現(xiàn);如果L≤0.5mm,放電點將隨機分布在電極表面,且其密集程度會超過平板電極,其中放電點沒有產(chǎn)生在每一個網(wǎng)格點上的原因與電子崩尺寸大小有關(guān)。FES及ACF分析驗證了上述實驗結(jié)果。
　　(2)提出了定量評價DBD均勻性的指標(biāo)——圖像的灰度變異系數(shù)(CV):CV越小,放電越均勻,反之,則越不均勻。研究結(jié)果表明,在一定程度上,隨著L的減小,CV逐漸減小,放電均勻性逐漸增加。
　　(3)提出了控制絲網(wǎng)放電均勻性的標(biāo)度不

6、變量h來分析導(dǎo)致相對均勻DBD的物理機制,其中h包含了L及歸一化的電子崩頭部電場變化率的綜合效應(yīng)。研究結(jié)果表明,不同絲網(wǎng)電極h的變化趨勢和CV的變化趨勢基本一致,意味著采用h可以從理論上較好地解釋導(dǎo)致絲網(wǎng)電極放電均勻性的物理機制。
　　研究了氣體成分對DBD均勻性的影響。
　　(1)發(fā)現(xiàn)采用GLH方法可以識別不同性質(zhì)氣體放電的均勻性。研究結(jié)果表明,非惰性氣體(空氣和氮氣)放電圖像對應(yīng)的GLH及CV與外電壓的關(guān)系曲線與惰性氣體

7、(氦氣和氬氣)存在明顯不同,前者分別具有更大的半高寬及產(chǎn)生了明顯的向右偏移。
　　(2)發(fā)現(xiàn)氮氣中加入氬氣有利于提高放電均勻性。CV計算結(jié)果表明,空氣、氮氣、氦氣、氮氣/氬氣混合氣體及氬氣放電圖像對應(yīng)的CV依次減小,放電均勻性依次增加。
　　(3)DBD微放電擴展等效電氣模型的計算結(jié)果表明,具有較小擊穿電壓的氣體,所產(chǎn)生的微放電更容易擴展到整個電極表面,越容易形成均勻放電。另外,由于氬原子亞穩(wěn)態(tài)能量明顯高于氮分子亞穩(wěn)態(tài)的能量

8、,氮氣中氬氣的加入使得混合氣體更容易通過彭寧電離產(chǎn)生種子電子,因此相比氮氣更容易形成均勻放電。
　　研究了均勻DBD形成的物理機制。
　　(1)在綜合考慮電子崩頭部擴散和靜電排斥作用的基礎(chǔ)上,建立了多電子崩徑向擴展動力學(xué)模型,提出了一個與外電場、氣壓、電子溫度、預(yù)電離非均勻性及閥值有關(guān)的形成均勻放電所需最小種子電子密度的表達式,相關(guān)實例驗證了該模型的有效性。
　　(2)在此基礎(chǔ)上,對單一氣隙介質(zhì)及DBD中的電子崩發(fā)展過