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方案

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。本发明专利技术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。

A measurement system and method of dielectric barrier discharge characteristics under air flow control

【技术实现步骤摘要】
一种气流调控下的介质阻挡放电特性的测量系统和方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，ITO镀层的直径为60mm，透光率为90％，电阻率为8Ω/m2。本专利技术进一步的改进在于，气隙垫片厚度为mm，材质为尼龙，形状为扇环形。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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，本专利技术有以下有益效果：本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术通过两台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，本专利技术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测量触发时序本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/nDBD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；/nDBD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)；/n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)；/n气流控制系统用于调控高压电极(12)表面气流流速；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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)；
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)；
气流控制系统用于调控高压电极(12)表面气流流速；
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。


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，第二石英玻璃(16)上设置有电流测量单元；
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。


3.根据权利要求2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，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(17)；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。


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，第一石英玻璃(14)和第二石英玻璃(16)的介电常数均为3.6；
气隙垫片(15)两侧开口，并且开口与气流喷嘴(3)相配合。

【专利技术属性】
技术研发人员：田晓煜，孟永鹏，杨鑫，马延昊，王威，吴锴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61