基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法技术方案

一种基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法，属于高电压长间隙放电等离子体诊断技术领域，解决传统莫尔偏折光路中得光栅与放电电极之间存在一定间距，而导致的利用传统莫尔偏折光路进行先导通道莫尔条纹成像误差大的问题；通过在莫尔偏折光路的高压放电电极和朗琦光栅组之间采用由两个相同参数的第一成像透镜、第二成像透镜组成的共轭光学系统，并使先导放电通道成像于朗琦光栅组的参考光栅处，消除了朗琦光栅组对先导放电通道形成和发展过程的干扰，解决了利用传统莫尔偏折光路进行先导通道莫尔条纹成像误差大的问题，可实现长间隙先导放电通道温度的准确测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法


[0001]本专利技术属于高电压长间隙放电等离子体诊断
，涉及一种基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]先导放电是长空气间隙放电击穿的主导物理过程，其中正先导放电特性是超/特高压输变电系统操作过电压绝缘配合和地面高目标物雷电防护技术的重要基础。先导通道是由空气分子发生热电离过程而形成的热等离子体，气体温度大小不但是中性粒子平动动能的标志，也是通道中复杂热电离过程参与程度的宏观参数表征。通道温度与电场、电子密度以及电导率等关键参数紧密相关，是决定通道等离子体特性的基础参数。同时通道温度直接影响热传导、热对流等能量耗散速率，在通道形态、尺寸演化过程中起着关键的作用。因此开展先导放电通道气体温度演化规律研究，对于揭示先导放电物理机制和支撑设备绝缘配合、雷电屏蔽设计具有重要的科学意义和工程应用价值。
[0003]在实验室正极性长空气间隙放电过程中，通道径向尺寸通常处于亚mm量级，温度径向梯度可达数千K/mm。在电流注入初期，通道处于等容加热过程，通道中心温度时间变化率可达到2000K/初期以上，对测量系统时间分辨能力要求很高；而在流注
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先导转化暗区期间，通道中心温度通常仅有数百K，因此需要测量系统具备较高的灵敏度。实验室中先导放电通常持续数十甚至上百微秒，且先导放电通道形成时间和发展路径具有很强的随机性，变化十分复杂，针对长空气间隙先导放电通道温度测量，目前等离子体温度诊断方法难以同时满足非介入、快响应、高灵敏度、高时空分辨率以及时域连续测量的要求。
[0004]针对大气压放电通道气体温度的测量，目前主要采用发射光谱、瑞利激光散射等方法，其具有μ对量级空间分辨和ns量级瞬态测量能力等优点；但由于先导通道气体温度呈现快速变化的特征，通道径向温度梯度可达数千K/mm；同时先导放电具有不可重复性，导致上述方法难以应用于先导放电通道温度分布测量。针对长间隙先导放电过程，目前主要是采用长光路的光学流场显示技术实现先导通道温度参数分布非介入式定量重构，主要包括：马赫
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曾德(M
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Z)激光干涉法、定量纹影法和莫尔偏折法等。其中M
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Z激光干涉法是利用条纹成像的方式进行通道参数检测，且条纹偏移量与气体密度变化量绝对值成正相关，而对于暗区通道气体密度变化量很小，同时条纹具有一定的宽度，导致利用M
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Z激光干涉法难以完全适用于先导放电通道温度的测量。定量纹影法和莫尔偏折法分别利用图像灰度变化量和条纹偏移量反映光线偏折角大小，且灰度变化量和条纹偏移量均与气体折射率分布的一阶导数正相关，即使在先导放电通道折射率绝对值变化量小，但折射率空间梯度较大更有利于检测。由于定量纹影法是利用纹影图像灰度变化量进行参数反演，而图像灰度变化容易受放电自发光、成像元器件噪声等干扰的影响，且定量纹影系统时间和空间分辨率的提升受LED光源光强限制，导致其在先导放电通道瞬态温度测量领域的应用仍存在一定的局限性。而在莫尔偏折光路中采用激光源作为传感光源，由于激光源发光强度高，在保证条纹图像对比度的前提下可充分提升系统的时间和空间分辨率；同时莫尔偏折技术采用条纹
方式成像，整个系统具有很强的抗环境噪声和抗振动的能力，在实现先导放电通道气体瞬态温度测量方面具有较大的应用前景。
[0005]在以往基于莫尔偏折技术的长间隙先导通道温度测量光路中，朗琦光栅组通常贴近高压放电电极以减小参考光栅与放电通道之间的距离，两者之间的距离通常小于10cm，但光栅靠近高压放电电极将影响电极周围电场分布，并最终影响先导放电通道的数量和发展路径，导致无法保证放电通道参数满足Abel逆变换所需的同轴对称假设。同时，由于参考光栅与放电通道之间存在一定间距，将导致在参考光栅处的光线偏折范围较实际放电通道处光线偏折范围要大，并使实际获得的莫尔条纹图像中条纹径向偏移范围偏大，进而引起光线偏折角分布的提取误差，最终导致先导放电通道气体温度分布反演出现误差。综上所述，在传统莫尔偏折光路中，靠近高压放电电极的光栅将引起放电产生不规则发展路径的先导通道，同时光栅与放电通道之间的间距将引入光线偏折角分布提取误差，导致利用传统莫尔偏折光路难以实现长间隙先导放电通道气体瞬态温度的准确测量。
[0006]综上所述，针对长间隙先导放电通道气体瞬态温度的时域连续测量，目前高压放电等离子体温度诊断方法仍存在以下问题：
[0007](1)由于长间隙先导放电具有不可重复性，导致发射光谱法以及瑞利激光散射法难以应用于先导放电通道温度分布测量；
[0008](2)马赫
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曾德(M
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Z)激光干涉条纹偏移量与气体密度变化量绝对值成正相关，而对于暗区通道气体密度变化量很小，同时条纹具有一定的宽度，导致利用M
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Z激光干涉法难以完全适用于先导放电通道温度的测量；
[0009](3)定量纹影图像灰度变化容易受放电自发光、成像元器件噪声等干扰的影响，且系统时间和空间分辨率的提升受LED光源光强限制，导致其在先导放电通道瞬态温度测量领域的应用仍存在一定的局限性；
[0010]由于在传统莫尔偏折光路中，靠近高压放电电极的光栅将引起放电产生不规则发展路径的先导通道，同时光栅与放电通道之间的间距将引入光线偏折角分布提取误差，导致利用传统莫尔偏折光路难以实现长间隙先导放电通道气体瞬态温度的准确测量。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于如何设计一种基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量方法及系统，以解决传统莫尔偏折光路中光栅与放电电极之间存在一定间距，而导致的利用传统莫尔偏折光路进行先导通道莫尔条纹成像误差大的问题。
[0012]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
[0013]基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统，包括：高功率固体激光器、空间滤波器、准直透镜、高压放电电极、第一成像透镜、第二成像透镜、朗琦光栅组、汇聚透镜、狭缝、滤光片、高速摄像机、数据存储计算机、示波器、电光转换器、光电转换器；所述高功率固体激光器用于产生激光；所述空间滤波器设置于准直透镜焦点处，以产生光强分布均匀的平行光束作为系统的探测光，用于匀化激光光束并仅使零频光线通过而消除其它频率光线；所述准直透镜通光镜面形状采用圆形，并使高功率固体激光器发出的光形成平行光束，并作为穿过先导放电通道的探测光；所述高压放电电极设置于准直透镜与第一成像透镜之间，且置于第一成像透镜的焦点处，高压放电电极与准直透镜之间的距离大于放电间隙大
小；高压放电电极上根据实验需求施加雷电或者操作冲击电压波形，通过施加冲击电压波形在电极端部产生先导通道密度、折射率梯度场；所述第一成像透镜与第二成像透镜采用相同焦距的凸透镜而形成共轭光学系统，且第一成像透镜与第二成像透镜之间距离为两倍成像透镜的焦距；所述朗琦光栅组采用两片具有一定夹角的朗琦光栅构成，分别为参考光栅和检测光栅，且参考光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统，其特征在于，包括：高功率固体激光器(11)、空间滤波器(12)、准直透镜(13)、高压放电电极(14)、第一成像透镜(15)、第二成像透镜(16)、朗琦光栅组(17)、汇聚透镜(18)、狭缝(19)、滤光片(20)、高速摄像机(21)、数据存储计算机(22)、示波器(23)、电光转换器(24)、光电转换器(25)；所述高功率固体激光器(11)用于产生激光；所述空间滤波器(12)设置于准直透镜(13)焦点处，以产生光强分布均匀的平行光束作为系统的探测光，用于匀化激光光束并仅使零频光线通过而消除其它频率光线；所述准直透镜(13)通光镜面形状采用圆形，并使高功率固体激光器(11)发出的光形成平行光束，并作为穿过先导放电通道的探测光；所述高压放电电极(14)设置于准直透镜(13)与第一成像透镜(15)之间，且置于第一成像透镜(15)的焦点处，高压放电电极(14)与准直透镜(13)之间的距离大于放电间隙大小；高压放电电极(14)上根据实验需求施加雷电或者操作冲击电压波形，通过施加冲击电压波形在电极端部产生先导通道密度、折射率梯度场；所述第一成像透镜(15)与第二成像透镜(16)采用相同焦距的凸透镜而形成共轭光学系统，且第一成像透镜(15)与第二成像透镜(16)之间距离为两倍成像透镜的焦距；所述朗琦光栅组(17)采用两片具有一定夹角的朗琦光栅构成，分别为参考光栅和检测光栅，且参考光栅与检测光栅之间的距离为整数倍的泰伯距离，其中参考光栅置于第二成像透镜(16)的焦点处，朗琦光栅组(17)用于经放电通道扰动得到探测光线在检测光栅处形成具有一定偏移量的莫尔条纹；所述狭缝(19)仅允许通过
±
允级条纹以消除光栅衍射的影响，且并放置于汇聚透镜(18)的焦点处，所述汇聚透镜(18)将平行光束汇聚于狭缝(19)处，用于莫尔条纹成像；汇聚透镜(18)与朗琦光栅组(17)中的检测光栅之间的距离以及汇聚透镜(18)与高速摄像机(11)成像平面之间的距离均为两倍汇聚透镜(18)的焦距，以保证莫尔条纹图像的空间分辨率大小；所述滤光片(20)用于消除放电自发光的影响以及提高激光束单色性，从而提升莫尔条纹的成像质量；所述数据存储计算机(22)用于莫尔条纹图像的存储和条纹数据提取分析；所述示波器(23)用于测量存储施加在高压放电电极(14)上的冲击电压波形，示波器(23)的AUX接口输出TTL信号并经电光转换器(24)和光电转换器(25)进行信号转化，传输至高速摄像机(21)并对其进行同步触发以实现整个测量系统的时序同步。2.根据权利要求1所述的基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统，其特征在于，所述高功率固体激光器(11)为连续激光器，且产生波长为532长为器体激的激光、发光功率≥光功率≥器。3.根据权利要求1所述的基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统，其特征在于，所述滤光片(20)采用中心波长为532nm的窄带通滤光片。4.根据权利要求1所述的基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统，其特征在于，所述准直透镜(13)采...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晨，贺恒鑫，傅中，黄煜彬，赵爱华，胡丹，方东林，陈少伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：