【技术实现步骤摘要】
本申请属于高电压长间隙放电通道观测领域，更具体地，涉及长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测系统和方法。
技术介绍
1、正极性先导放电通道发展特性和机理是超高压系统绝缘设计和高建筑物雷电防护技术的理论基础。在先导放电通道中，带电粒子在电场作用下发生迁移，与中性粒子碰撞并产生能量传递和气体分子平动动能累积过程，通道气体温度升高进一步促进电离过程使带电粒子密度增加，通道中热学和电学参数演变呈高度非线性耦合特征。同时，通道中存在热传导、热对流等能量耗散过程，并在宏观上表现为高温、低密度通道持续演化，先导热力学通道不断向前发展和伸长。因此，获取先导放电通道热力学结构动态发展特性，对于深入理解先导放电通道形成和发展的物理机制及支撑建立先导放电全过程物理模型具有重要意义。
2、在实验室正极性长空气间隙先导放电过程中，通道通常呈现步进式发展特征，通道轴向发展速度处于104m/s量级，且径向尺寸仅有数百μm，因此获取先导通道热力学形态演化特征对于观测系统的连续时间分辨能力和空间分辨能力要求很高。光学流场显示技术通过探测测试区域折射率梯度场分布以获取密度梯度区域，具有非侵入式和易于高压绝缘设计等优点，随着高速摄影技术的发展，高速光学流场显示技术被广泛应用于等离子体放电通道形态观测和定量参数测量。其中，纹影法由于其具有高灵敏度和空间分辨能力强等优点，在长空气间隙先导放电通道形态观测领域获得了大量的应用。为实现获取先导放电通道热力学结构演变过程的时间分辨图像，高速相机拍摄的两帧图像之间的时间间隔应不大于1μs，且图像空间分辨率至少达到1
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测系统和方法，旨在解决现有技术难以实现高速纹影图像时间分辨能力和空间范围大小之间的协同，导致获取先导放电通道热力学结构动态发展过程图像和特性十分困难的问题。
2、为实现上述目的，第一方面，本申请提供了长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测系统，包括：
3、准直光路，包括脉冲led光源，用于产生垂直于长间隙先导放电通道截面的平行光束；
4、汇聚光路，用于使平行光束经过长间隙先导放电通道发生偏折；
5、示波器，用于测量放电激励电压波形，产生两路ttl信号，对重频脉冲序列形成电路和高速相机进行同步触发；
6、重频脉冲序列形成电路，用于在单脉冲ttl信号的同步触发下，产生频率不低于高速相机最大拍摄帧率的重频脉冲信号，作为脉冲led光源的驱动信号；
7、脉冲led光源，用于在重频脉冲信号的驱动下，产生瞬态重频光脉冲；
8、高速相机，用于在单脉冲ttl信号的同步触发下，运行于拍摄频率对应的最长曝光条件下，对因放电通道产生的偏折光束进行纹影成像，得到单帧纹影图像，所述纹影图像由多次瞬态曝光图像叠加而成。
9、优选地，所述高速相机处于最大图像分辨率的拍摄帧率。
10、需要说明的是，本申请优选高速相机处于最大图像分辨率条件，可以观测到放电通道的最大发展范围，实现放电通道发展过程的时间分辨。
11、优选地，所述重频脉冲序列形成电路的响应时间不超过100ns。
12、需要说明的是，本申请优选响应时间不超过100ns，确保重频脉冲产生时刻早于放电起始时刻，以捕捉放电起始通道图像。
13、优选地，所述准直光路沿光路包括脉冲led光源、聚光透镜组、狭缝和准直透镜，所述汇聚光路沿光路包括汇聚透镜和刀口；所述准直透镜和汇聚透镜的尺寸参数和焦距均相同，所述刀口置于汇聚透镜焦点的位置，所述放电电极置于准直透镜和汇聚透镜之间。
14、优选地，放电电极端部距汇聚透镜一倍焦距以内，所述高速相机前置可变焦长焦镜头，以在高速相机成放电通道正立的虚像。
15、需要说明的是，本申请优选上述光路设计，可以通过改变变焦镜头焦距调节观测系统的空间分辨率，保证相机拍摄范围满足观测需要，且便于光路对称性调节，结构更紧凑。
16、优选地，所述可变焦长焦镜头的最大焦距为600mm～800mm。
17、需要说明的是，本申请优选上述焦距，可使观测系统的空间分辨率达到100μm/像素以上，以实现亚mm量级径向尺寸放电通道的空间分辨。
18、优选地，所述汇聚透镜的焦距大于放电间隙距离。
19、需要说明的是，本申请优选上述焦距，在放电电极处于汇聚透镜一倍焦距之内，放电电极距离汇聚透镜等系统光学组件大于放电间隙距离，在高电压实验条件下保证整个观测系统的绝缘安全。
20、优选地，放电电极端部距汇聚透镜一倍焦距以上且两倍焦距以内，所述高速相机前不配置镜头，以在高速相机成放电通道倒立放大的实像。
21、需要说明的是，本申请优选上述光路设计，可以避免因高速相机前置长焦镜头所带来的光强损失，提升整个观测系统的灵敏度；系统制造成本更低。
22、优选地，所述汇聚透镜的焦距不低于放电间隙距离的1/2倍且不高于放电间隙距离。
23、需要说明的是，本申请优选上述焦距，可保证系统在满足光路绝缘安全的条件下，使放电通道在高速相机处呈放大的实像，保证整个观测系统的空间分辨能力。
24、为实现上述目的，第二方面，本申请提供了长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测方法，该方法基于如第一方面所述的系统，包括：
25、s1.利用外部冲击发生器产生正极性冲击电压，通过高压引线施加于放电电极，放电电极在高速相机的观测范围内产生单一、相对于地面垂直的先导放电通道；
26、s2.利用外部电容分压器和示波器进行正极性冲击电压波形的测量、显示和存储，示波器接收到外部电容分压器低压端输出的电压信号后，通过示波器ttl信号输出接口输出的两路ttl脉冲信号，对高速相机和重频脉冲序列形成电路进行同步触发，产生重频脉冲信号作用于脉冲led光源，使其产生瞬态重频光脉冲，高速相机处于对应帧率下的最长曝光条件，使得到的单帧纹影图像上进行多次瞬态曝光，实现观测范围内先导放电通道热力学结构动态发展过程图像的获取；
27、s3.调节可变焦长焦镜头焦距及重频脉冲信号的频率和占空比，或者，调节放电电极与汇聚透镜的距离及重频脉冲信号的频率和占空比，在保证图像空间分辨率条件下，增加重频脉冲信号的频率并减小占空比，同时保证单帧纹影图像背景灰度处于图像最大灰度的一半；
28、s4.在获得的先导通道纹影图像中，根据各像素点处灰度相对于纹影图像背景灰度的变化量大小，分辨出各次曝光时间下新生先导放电通道，实现先导放电通道热力学微观结构时域连续观测。
29、总本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速相机处于最大图像分辨率的拍摄帧率。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重频脉冲序列形成电路的响应时间不超过100ns。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直光路沿光路包括脉冲LED光源、聚光透镜组、狭缝和准直透镜，所述汇聚光路沿光路包括汇聚透镜和刀口；所述准直透镜和汇聚透镜的尺寸参数和焦距均相同，所述刀口置于汇聚透镜焦点的位置，所述放电电极置于准直透镜和汇聚透镜之间。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，放电电极端部距汇聚透镜一倍焦距以内，所述高速相机前置可变焦长焦镜头，以在高速相机成放电通道正立的虚像。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可变焦长焦镜头的最大焦距为600mm～800mm。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述汇聚透镜的焦距大于放电间隙距离。
8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，放电电极端部距汇聚透镜一倍焦距以上且两倍
9.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述汇聚透镜的焦距不低于放电间隙距离的1/2倍且不高于放电间隙距离。
10.长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1至9任一项所述的系统，包括：
...【技术特征摘要】
1.长间隙先导放电通道热力学结构发展过程观测系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速相机处于最大图像分辨率的拍摄帧率。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重频脉冲序列形成电路的响应时间不超过100ns。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直光路沿光路包括脉冲led光源、聚光透镜组、狭缝和准直透镜，所述汇聚光路沿光路包括汇聚透镜和刀口；所述准直透镜和汇聚透镜的尺寸参数和焦距均相同，所述刀口置于汇聚透镜焦点的位置，所述放电电极置于准直透镜和汇聚透镜之间。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，放电电极端部距汇聚透镜一倍焦距以内，所述高速相机前置可变焦长...
【专利技术属性】
技术研发人员：程晨，贺恒鑫，黄煜彬，陈慎，肖力郎，刘振宇，陈维江，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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