金属板缺陷负电晕检测中Trichel脉冲特性研究

现有的金属板缺陷无损检测技术已趋于成熟,并且可以实现对缺陷的检出、量化甚至三维成像。但是传统无损检测方法的缺陷检测灵敏度受到诸多外在条件以及算法复杂度等的限制,难以实现对微小缺陷的检测。因此,作为负电晕放电检测方法在无损检测领域的首次尝试,该文提出一种基于负电晕放电Trichel脉冲的金属板缺陷非接触式检测技术。该方法利用空间中带电粒子行为对电极结构敏感的特性,将Trichel脉冲电流波形参数作为负电晕放电现象的外在特征,对缺陷是否存在及严重程度进行初步判断。此外,建立电晕检测几何模型与仿真模型,并搭建针–板放电实验平台对仿真结果进行验证。研究结果表明,通过分析负电晕放电所特有的Trichel脉冲波形参数,可以对待测金属板存在缺陷与否进行有效地识别,在缺陷高灵敏度检测及后续的缺陷轮廓重构中具有一定的应用潜力。

针板结构Trichel脉冲放电的光学特性

Trichel脉冲放电为电晕放电中一种常见的不稳定现象。为了进一步揭示Trichel脉冲的放电特性和放电机理,本文利用针板放电结构,在气压为600 Pa的空气环境下研究了Trichel脉冲放电的光学特性。在平均电流为20~300μA范围内,放电分为Trichel脉冲放电模式和正常辉光放电模式。在Trichel脉冲放电模式下,平均极间电压随着平均电流的增高而降低;正常辉光放电模式下,平均极间电压随平均电流的增高基本保持不变。实验拍摄并得到了不同平均电流时的发光图像,从阴极针尖到阳极平板区域分为负辉区、法拉第暗区、正柱区和阳极辉区。随着平均电流的增加,负辉区、正柱区以及阳极表面的发光增强,负辉区体积基本保持不变,法拉第暗区长度逐渐增加,正柱区长度逐渐缩小。在Trichel脉冲消失时,负辉区发光向阴极针尖收缩,正柱区向阳极板贴近,并且两个区域发光明显增强。利用光谱仪在300~800 nm波长范围内测量得到了不同平均电流时的发射光谱。其中在300~450 nm波长范围内的发射光谱强度较高,为氮分子的第二正带系(C^(3)Π_(u)→B^(3)Π_(g))和氮分子离子的第一负带系(B^(2)Σ+u→X^(2)Σ^(+)_(g));在650~800 nm附近发射光谱较弱,为氮分子的第一正带发射谱(B^(3)Πg→A^(3)Σ^(+)_(u))。在此基础上,根据N_(2)(C^(3)П_(u)→B^(3)П_(g))第二正带系发射光谱拟合得到了不同平均电流时氮分子的振动和转动温度。结果表明,分子振动温度和转动温度均随平均电流的增加而增加,分子振动温度在3900~4500 K,分子转动温度在430~450 K。同时利用氮分子离子谱线391.4 nm和氮分子第二正带系谱线394.2 nm强度比计算得到了不同平均电流时的电场强度。随着平均电流的增加,电场强度升高,在145~200 kV·m^(-1)范围。当Trichel脉冲消失时,针尖附近分子振动温度和电场强度出现较为明显的升高。此现象表明针尖附近的电子能量和电子密度随着脉冲的消失也出现了明显的升高。

亚毫米间隙负直流电晕放电Trichel脉冲特性

为了研究亚毫米间隙下Trichel脉冲放电特性及机理,搭建100~500μm电极间距的针-板电极放电系统,并配备光学采集系统观测负电晕放电过程,探究亚毫米间隙下电极间距及针尖曲率对伏安特性曲线、Trichel脉冲幅值频率和放电平均电流等的影响。亚毫米间隙空气电晕放电发展到锯齿波阶段过程中不存在无脉冲过渡阶段,在放电锯齿波阶段,亚毫米间隙负电晕放电发展到Trichel脉冲锯齿波阶段后难以过渡到辉光放电阶段,脉冲波形呈现伴有基底电流的锯齿波形式。针-板电极间隙越小,发生电晕放电所需的针尖曲率半径就要越小,但过小曲率半径的针尖电极会使板电极附近的电场高度发散,导致板前电晕放电保持较高的净电荷密度和碰撞电离率。在亚毫米间隙的针-板电极空气放电过程中,当电晕放电发展至板电极即将产生辉光放电时,板前电晕仍保持较高的碰撞电离率并产生二次电子,但针尖电晕还没有达到空气辉光放电所需要的发生电子雪崩的阈值。因此,与毫米级相比,在即将发生的辉光放电之前,电晕放电产生几十微安的基底电流,电晕放电向辉光放电转换过程变短甚至消失。

空气负电晕Trichel脉冲特性的实验研究

为得到Trichel脉冲放电的特征,采用针-板电极结构对空气中负电晕放电的特性进行了实验研究。利用示波器测试了放电电压、电流波形和脉冲频率,利用微安表测试了平均放电电流,并通过放电结构上并联电容的方法研究了外接电容对放电的影响。结果表明,空气负电晕Trichel脉冲非常稳定、规则;其脉冲频率随平均电流线性增大,针尖曲率影响频率上升的斜率,但电极间距、气压、并联电容对频率影响较小;不同放电条件下的Trichel脉冲波形基本相同,其上升沿几乎不随电流、间距、气压、针尖曲率和并联电容变化,但脉冲幅值随平均电流略有下降,同时与间距、气压、针尖曲率和并联电容等条件有关;Trichel脉冲是电晕区的特征放电,在给定电极条件下,其形成过程与平均电流(电压)、气压和外电路并联电容等无关。

Trichel脉冲放电中的模式转变实验研究

Trichel脉冲为一种典型的负电晕放电电流形式。为了进一步研究Trichel脉冲放电特征,针对于其放电随机性强、不利于对脉冲单体进行研究这一点,在空气中室温开放环境下,利用针-板电极结构对负电晕放电特性进行了研究,采用统计学方法对其参数—脉冲上升沿时间、半波下降时间、脉冲幅值、脉冲频率—进行概率分布分析。结果表明,在放电过程中,随着电压的上升,Trichel脉冲放电存在着模式转变的过程,模式转变发生为一个连续过程;在该实验条件下,模式转变过程始于电压值为-6.5 k V,止于电压值为8 k V时;在模式转变过程中,脉冲上升沿时间与半波下降时间几乎不变,脉冲幅值改变。脉冲幅值出现大幅度跳变为判断模式转变的一个主要依据。

电极结构对负电晕放电Trichel脉冲及其电磁辐射场的影响

电晕放电是发生在不均匀电场中的一种自持放电形式,放电过程中会向周围空间辐射电磁波,而放电电极的结构是影响放电电磁辐射场的关键因素之一。开展电极结构对负电晕放电Trichel脉冲电流及其电磁辐射场的影响研究;通过理论与实验相结合的方式研究电极曲率半径以及电极间距对放电电流及其电磁辐射特性的影响,并分析电极对大气的放电电磁辐射特性。结果表明:随着电极曲率半径的增大,Trichel脉冲电流的幅值将增大、电磁辐射场幅值增大,但频率不变;随着电极间距的增大,当放电进入稳定状态后,电流和电磁辐射场特性均不受影响,实验室针-板放电结构Trichel脉冲电磁辐射场特性的实验结果和空中飞机放电针放电的电磁辐射场特性一致。

针板负直流电晕放电中的脉冲等离子体特性

为了提高电晕放电的稳定性,研究了低气压氧气环境中针–板放电结构产生的Trichle脉冲放电特性。测量得到了放电图像和伏安曲线随电流变化的演化特性。结果表明随着电流的增高,放电处于不同的放电模式,分别为汤生放电模式、Trichel脉冲模式和反常辉光放电模式。在气压为532 Pa时,获得了稳定的电压和电流脉冲波形。一个完成的脉冲包含1个极短的上升沿（几μs）、1个较长的下降沿（几十μs）和1个极长的等待时间（〉100μs）。其中脉冲上升沿时间远大于高气压下脉冲的上升沿时间。脉冲的上升和衰减主要由放电时的临界电场决定,电流脉冲的峰值出现时间超前电压最低值。在Trichel脉冲放电模式下,整个放电回路中的电流并不相等。同时研究了氧气和氮气混合气体环境中的Trichel脉冲放电特性。研究结果表明氧气有利于Trichel脉冲的形成。随着氧气含量的增加,可以在更宽的电流范围内产生Trichel脉冲现象,2个相邻脉冲间的等待时间增长,脉冲频率降低。脉冲频率随平均电流的增加线性增加,随着外部并联电容值的增加而降低。

空气针尖负电晕放电的特征辐射谱

为得到针尖负电晕放电的辐射特征,采用针-环结构对不同空气条件下负电晕放电的辐射谱进行了实验测试。结果表明,在给定电极件下,空气负电晕放电具有一定的特征辐射谱,频率<100MHz。这种特征辐射谱的位置不随放电电压(电流)和气体等条件变化;特征辐射强度与放电电压无关,但与空气的气压和气流有关。空气负电晕放电的特征辐射与Trichel脉冲的形成过程相关,电流脉冲的上升沿决定特征频谱的位置和幅度。

高空低气压电晕放电特性模拟试验研究

电晕放电对飞行器的运行安全造成严重威胁。为了解高空低气压环境下电晕放电特性，建立了由真空泵、真空计、密闭气罐、高压静电源、动态电位测试仪等组成的高空低气压电晕放电模拟试验系统。采用针-板电极结构模型进行了低气压环境下电晕放电模拟试验，并结合气体放电理论，从微观粒子运动角度对试验结果进行理论分析。结果表明：在5—30kPa范围内，随着气压的降低，起晕电压近似呈线性降低，Trichel脉冲幅值、上升沿时间以及重复频率逐渐增大，但脉冲持续时间基本不变，约为600ns。该研究结论可为研究飞行器的电晕放电特性提供参考。

极不均匀电场中负直流电晕放电紫外特性

为了对极不均匀电场中负直流电晕放电强弱进行评估,必须对电晕放电产生的紫外光子计数进行定量分析。通过棒-板电极中负直流电晕放电进行了Trichel脉冲频率、电晕电流及紫外光子计数的测量,得到了试验电压、Trichel脉冲频率、电晕离子电流与紫外光子计数之间的相互关系。试验结果表明,在距离放电点相同距离、相同增益时,Trichel脉冲频率与试验电压近似呈线性关系,且在不同棒-板距离时,试验电压对脉冲频率的影响梯度基本相同,在3.6～4.2之间;紫外光子计数与试验电压及Trichel脉冲频率均近似呈2次方关系,而且紫外光子计数与频率在一定电极距离范围内存在固定函数关系。这一结论为紫外仪在电晕缺陷检测方面奠定了基础。