基于可见光图像空间结构的介质阻挡放电均匀性分析

引言

介质阻挡放电是一种典型的非平衡态交流气体放电,能够在大气压低温条件下产生稳定的非平衡等离子体,在材料表面改性、废水处理、臭氧的工业制备以及薄膜沉积等领域应用广泛。大气压DBD通常表现为含有大量微放电细丝的丝状放电,其本质是流注放电。这种放电模式下,放电细丝的高能量密度、空间分布不均匀等特点限制了大气压DBD在工业领域的应用前景。目前,所谓的"均匀放电"仅指的是短时间尺度上无任何微放电细丝的绝对均匀放电,但实际上,工业应用并不需要限制在这种绝对均匀的放电形式上,而更需要的是由大量微放电细丝构成的长时间尺度上相对均匀的放电[3],因此定量地评价丝状放电的相对均匀性是亟需解决的问题。本文讨论的"放电相对均匀性"指的是针对丝状放电而言,单位时间、单位面积上放电次数不同导致的放电剧烈程度的变化:并基于灰度图像数字处理技术,提出了一种以相邻放电斑点的最小距离为指标定量评价丝状放电相对均匀性的方法。

1实验装置与方法

1.1实验装置

采用的实验装置如图1所示,该装置主要由等离子体驱动电源、放电装置以及数码相机构成。

1.2图像处理方法

可见光图像是在一定曝光时间下多次放电的统计结果,放电图像的时空结构能反映放电所处的状态。本方法旨在统计DBD放电相邻放电斑点的最小距离,利用相邻放电斑点最小距离的统计结果和数字特征来区分丝状放电和均匀放电,并判断DBD丝状放电的相对均匀性。具体研究方法如下:

（1）本文采用的图像处理计算方法不考虑放电的边缘效应,认为图像中的斑点均为有效放电,取样范围为整幅图像。如图2所示,左边为典型的DBD丝状放电图像,右边为其斑点距离示意图,11～17为放电斑点到其相邻斑点的距离。

（2）采用自适应阈值算法将灰度图转换为二值图像。

（3）统计二值图像连通区域,计算连通区域（丝状放电斑点）之间的距离,取其最小距离,即为相邻放电斑点的最小距离,单位为像素（pixels）。

（4）统计不同条件下丝状放电图像相邻放电斑点最小距离的概率分布,计算最小距离平均值和标准差。

2实验结果

大气压空气中,外加电压从3.1kV升至4.1kV时,其最小距离分布范围较窄,且频次更高。图3统计了大气压空气中丝状放电图像最小距离的平均值和标准差随着相机曝光时间、电压幅值以及电源频率变化的曲线。同时,测得脉冲电流峰值与电压和频率的相关性,其变化规律为随着电压及频率的增高而增强,当频率>8.5Hz时脉冲电流峰峰值减小。与大气压空气中的丝状放电不同,低气压均匀放电最小距离平均值随电压变化保持不变为0。

3分析与讨论

3.1相对均匀性与曝光时间的关系

由图3(a）可知,随着曝光时间的增大,放电图像中相邻放电斑点最小距离的平均值及标准差均在不断变小,表明随着曝光时间增加,丝状放电斑点越来越密集。其原因是在固定电压和频率下,曝光时间延长,放电次数增加,又由于每次放电位置具有随机性,因此导致最小距离减小,丝状放电斑点越来越密集。结果表明,最小距离这一特征值能够反映放电次数的变化。

3.2相对均匀性与电压幅值的关系

由图3(b）可知,随着电压升高,放电图像中相邻放电斑点最小距离的平均值和标准差在持续减小,表明随着外加电压

增加,丝状放电斑点更加密集,放电斑点的离散程度越来越小,分布更加均匀。其原因是在固定曝光时间下,外加电压越高,放电间隙获得的能量越多,放电的次数越多,而且放电位置更加弥散,相对均匀性增加。脉冲电流的测量结果表现特征也与上述分析一致。

3.3相对均匀性与电压频率的关系

由图3(c）可知,随着频率升高,放电图像中相邻放电斑点最小距离的平均值及标准值均在不断变小,表明随着电源频率增加,丝状放电斑点越来越密集,放电斑点的离散程度越来越小,分布更加均匀。其原因是固定曝光时间下,电源频率越大,放电周期越短,固定时间内发生放电的次数越多,而且放电位置更加弥散,相对均匀性增加。

3.4均匀放电和丝状放电的识别

低气压均匀放电情况下,随电压升高,均匀放电斑点的最小距离平均值始终为0,表明放电斑点足够密集,放电展现出均匀性:而由图3的结果可知,丝状放电的最小距离平均值不为0,与均匀放电存在明显的差异。

4结论

(1）基于数字图像处理技术,本文提出了一种利用放电图像相邻放电斑点最小距离的频次分布特征来识别丝状放电和均匀放电,以及评价丝状放电相对均匀性的方法。

(2）随曝光时间的增加,放电斑点最小距离平均值和标准差均减小,表明最小距离这个特征能够反映放电次数的变化。

(3）固定曝光时间下,随着外加电压的升高,放电斑点最小距离平均值和标准差均减小:随着电源频率的增大,放电斑点最小距离平均值、标准差均减小。相邻放电斑点最小距离的平均值和标准差可以评价不同条件下丝状放电的相对均匀性。

(4）丝状放电中放电斑点最小距离平均值>0,而在均匀放电中该值为0,故该特征也能识别DBD丝状放电和均匀放电两种模式。