一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，属于电弧等离子体参数诊断方法；具体为：首先，设置GAMMA校正系数，并利用钨带灯对彩色CCD摄像机配合的双峰窄带滤光片进行参数标定，然后拍摄正弦曲面触头下的电弧弧光；上位机获得电弧辐射强度数据，确定正弦曲面触头阴阳极位置、开距及电弧区域，建立电弧图像坐标系，并确定阴阳极表面轮廓线函数；进一步利用轮廓线函数，对正弦曲面触头间隙的投影辐射功率数据进行矩形化空间变换，并选取弧柱中心位置，进行Abel逆变换；最后，用比色法计算得到电子温度和电子密度分布结果。本发明专利技术解决了正弦曲面触头结构下电弧辐射强度无法进行Abel变换的问题。无法进行Abel变换的问题。无法进行Abel变换的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法


[0001]本专利技术涉及电弧等离子体参数诊断方法，具体是一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法。

技术介绍

[0002]电弧作为一种热等离子体，其温度和密度是表征等离子体输运特性和演变趋势的重要热力学参数，是指导电力开关结构设计的重要依据。
[0003]常用的电弧等离子体参数诊断方法分为：接触式诊断和非接触式诊断等；
[0004]接触式诊断的常用方法是探针法，探针由末端裸露的绝缘导线组成，测量时将探针末端伸入待测等离子体中，施加不同的直流偏置电压后探针收集到不同的电流，通过分析电流/电压特性曲线，获得等离子体的特征参数。但探针法本身对电弧等离子体构成了不可忽略的扰动作用，且当等离子体处于快速演变过程中，其测量位置无法保证始终有效。
[0005]非接触式诊断法中最为常用的是光谱法，该方法对电弧等离子体无扰动作用，通过对电弧光谱的辐射强度进行分析计算即可获得等离子体密度和温度。但是，该方法无法对曲面触头间隙下的电弧进行等离子体诊断。
[0006]正弦曲面触头是一种开断短间隙中高频电弧能力较强的触头结构，其阴阳极触头是按照正弦曲线一次性线切割而成，电极表面光滑连续，电极表面积较相同触头直径的平板触头表面积更大，电弧烧蚀更轻，开断能力更强，特别是针对快速变化中高频真空电弧具有明显的性能优势。
[0007]利用光谱分析法对正弦曲面触头下的电弧等离子体参数的分布规律进行诊断和分析，有利于获得正弦曲面触头结构参数和材料参数的选取和优化。以往对电弧等离子体的诊断过程中，是以弧柱为规则圆柱形状为前提，开展后续计算过程的，而对于正弦曲面触头弯曲间隙下的弧柱，尚无一种可对其进行等离子体参数诊断的测试方法。

技术实现思路

[0008]针对上述问题，本专利技术提出了一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，以光谱连续理论为基础，利用彩色摄像机配合双峰滤光片获得电弧的韧致辐射强度，并结合正弦曲面触头的结构特点进行辐射强度数据的空间变换，最终得到正弦曲面触头间隙内电弧等离子体密度和温度的参数分布。
[0009]所述正弦曲面触头下电弧等离子体参数的诊断方法，具体步骤如下：
[0010]步骤一、设置GAMMA校正系数，并利用钨带灯对彩色CCD摄像机配合中心波长为λ1和λ2的双峰窄带滤光片组成的光学系统进行参数标定；
[0011]参数标定是指：对每个光学通道的模数转换比例系数K
λ1
和K
λ2
通过标准温度源进行标定；
[0012]步骤二、利用标定参数后的光学系统对正弦曲面触头下的电弧弧光进行拍摄；
[0013]步骤三、上位机读取“.RAW”格式文件，获得正弦曲面触头间隙内电弧弧光所对应
的RGB三色值，求出中心波长为λ1和λ2的投影辐射功率I
λ1
(X,Y)和I
λ2
(X,Y)；
[0014]步骤四、在电弧辐射强度数据中，确定正弦曲面触头阴阳极位置、开距及电弧区域，建立电弧图像坐标系，并确定正弦曲面触头表面的阴极表面轮廓线函数Y
C
和阳极表面轮廓线函数Y
A
；
[0015]则有
[0016][0017]A
g
为曲面触头在电弧图像中弯曲幅值所对应的像素值，T
g
为一个弯曲周期所对应的像素值，D
gap
为触头开距所对应的像素值。
[0018]步骤五、利用轮廓线函数所表达的正弦曲面触头形状特征，对正弦曲面触头间隙的投影辐射功率数据进行矩形化空间变换，记录两个中心波长λ1和λ2，对应的投影辐射功率分布函数和
[0019]具体变换过程为：
[0020]首先，利用阴极表面轮廓线函数Y
C
计算阴极表面的任意像素点P坐标(x
P
，y
P
)；
[0021]设切线方程为l1，法线方程为l2，则有
[0022][0023]Y
C
'|
x＝xP
表示阴极轮廓线函数在P点处的斜率。
[0024]然后，计算P点处的阴极斑点的等离子体射流到达阳极时的中心位置G点坐标(x
G
，y
G
)；
[0025]具体为：首先，在P点处的阴极斑点的等离子体射流方向为沿l2方向，而l2与阳极表面轮廓线函数Y
A
的交点G，即为P处发生的等离子体流到达阳极时的中心位置，G点坐标(x
G
，y
G
)可通过联立l2与Y
A
的方程求得。
[0026]接着，将点P和点G相连，将线段PG分成N个等距线段，线段PG上各点的投影辐射功率即对应矩形化投影辐射功率数据的一列。
[0027]最后，对正弦曲面触头阴极表面的各个像素点重复上述步骤，最终将原本弯曲分布的投影辐射功率数据全部变换为矩形化的投影辐射功率数据。
[0028]分布函数和中X、Y为整数坐标值，X∈[X
left
，X
right
]，Y∈[Y
cath
，Y
ano
]；X
left
、X
right
分别为电弧的投影辐射功率数据的左边界和右边界坐标值，Y
cath
、Y
ano
分别为电弧的投影辐射功率数据的阴极边界和阳极边界坐标值。
[0029]步骤六、利用中心波长λ1和λ2的投影辐射功率分布函数和选取弧柱中心位置；并根据Abel逆变换的阶数进行数据插值，进行Abel逆变换；
[0030]具体计算过程为：
[0031]步骤601、计算中心波长为λ1的投影辐射功率中心的方向矢量
[0032][0033]其中r(X,Y)为点(X,Y)相对于原点O的矢径，分子为各点中心波长为λ1的投影辐射功率与该点的方向矢量相乘之后的总和，分母为各点中心波长为λ1的投影辐射功率总和，求得的即为各点中心波长为λ1的投影辐射功率重心的方向矢量。
[0034]步骤602、同理计算中心波长为λ2的投影辐射功率中心的方向矢量
[0035][0036]步骤603、利用两个方向矢量计算弧柱重心位置的矢径r
ce
为：
[0037]步骤604、矢径r
ce
对应的像素坐标为(X
ce
,Y
ce
)，选取x＝X
ce
作为弧柱亮度中心线。
[0038]步骤605、比较(X
right
‑
X
ce
)和(X
ce
‑
X
left
)的数值大小，取最小值为X
arc
，重新划定中心波长λ1和λ2的投影辐射功率和
[0039]X∈[X
ce
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，设置GAMMA校正系数，并利用钨带灯对彩色CCD摄像机配合中心波长为λ1和λ2的双峰窄带滤光片组成的光学系统进行参数标定；利用标定参数后的光学系统对正弦曲面触头下的电弧弧光进行拍摄；然后，上位机读取“.RAW”格式文件，获得正弦曲面触头间隙内电弧弧光所对应的RGB三色值，求出中心波长为λ1和λ2的电弧辐射强度数据，并进一步确定正弦曲面触头阴阳极位置、开距及电弧区域，建立电弧图像坐标系，计算正弦曲面触头表面的轮廓线函数；接着，利用轮廓线函数所表达的正弦曲面触头形状特征，对正弦曲面触头间隙的投影辐射功率数据进行矩形化空间变换，记录两个中心波长λ1和λ2，对应的投影辐射功率分布函数和并利用这两个分布函数选取弧柱中心位置；根据Abel逆变换的阶数进行数据插值，进行Abel逆变换；最后，用比色法计算得到电子温度和电子密度分布结果。2.如权利要求1所述的一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，其特征在于，所述参数标定是指：对每个光学通道的模数转换比例系数和通过标准温度源进行标定；计算公式为：其中R(T)，G(T)及B(T)为钨带灯图像中钨带中心像元所对应的RGB三色值；I
W
(T,λ1)为钨带灯在波长为λ1范围内其亮度温度的辐射功率；I
W
(T,λ2)为钨带灯在波长为λ2范围内其亮度温度的辐射功率；和分别为滤光镜在两个中心波长λ1、λ2的透过率；及分别是中心波长为λ1和λ2的辐射能量在R、B、G三色像元上的光电响应系数。3.如权利要求1所述的一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，其特征在于，所述中心波长为λ1和λ2的电弧辐射强度数据是指投影辐射功率和计算公式如下：设CCD摄像机中像素位置为(X,Y)的某像元所对应观测点，沿y轴方向在两个波长中心的投影辐射功率分别为和则有其中R(X,Y)、G(X,Y)和B(X,Y)为该像元对应的RGB三色值。4.如权利要求1所述的一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，其特征在于，所述建立电弧图像坐标系，计算正弦曲面触头表面的轮廓线函数；具体为：
首先，在电弧图像中建立二维直角坐标系，以像素为最小刻度单位，以正弦曲面触头阴极的正弦轮廓起始点所在像素为原点，以电弧图像的水平方向为x轴，电弧图像的竖直方向为y轴；然后，计算阴极表面轮廓线函数为Y
C
和阳极表面轮廓线函数为Y
A
，则有A
g
为曲面触头在电弧图像中弯曲幅值所对应的像素值，T
g
为一个弯曲周期所对应的像素值，D
gap
为触头开距所对应的像素值。5.如权利要求1所述的一种正弦曲面触头下电弧等离子体参数诊断方法，其特征在于，所述矩形化空间变换，具体为：首先，利用阴极表面轮廓线函数Y
C
计算阴极表面的任意像素点P坐标(x
P
，y
P
)；设切线方程为l1，法线方程为l2，则有，则有表示阴极轮廓线函数在P点处的斜率；然后，计算P点处的阴极斑点的等离子体射流到达阳极时的中心位置G点坐标(x
G
，y
G
)；具体为：首先，在P点处的阴极斑点的等离子体射流方向为沿l2方向，而l2与阳极表面轮廓线函数Y
A
的交点G，即为P处发生的等离子体流到达阳极时的中心位置，G点坐标(x
G
，y
G
)通过联立l2与Y
A
的方程求得；接着，将点P和点G相连，将线段PG分成N个等距线段，线段PG上各点的投影辐射功率即对应矩形化投影辐射功率数据的一列；最后，对正弦曲面触头阴极表面的各个像素点重复上述步骤，最终将原本弯曲分布的投影辐射功率数据全部变换为矩形化的投影辐射功率数据；分布函数和中X、Y为整数坐标值，X∈[X

【专利技术属性】
技术研发人员：佟子昂，武建文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：