一種診斷雙射流直流電弧等離子體放電穩定性的方法技術

一種診斷雙射流直流電弧等離子體放電穩定性的方法，屬于熱等離子體放電穩定性判斷技術領域。該方法的特征在于，系統軟件同步采集得到在不同時刻下的引弧電壓和放電產生的RGB圖像，再把RGB圖像轉化為灰度圖像后用二值化分割方法得到灰度邊界，再以圖像左下角為坐標原點起始點，利用8方向Freeman鏈碼編碼規則，從起始點出發，沿順時針方向移動，以便得到由起始點坐標和一組有方向的鏈碼序列所唯一確定的近似于電弧等離子體二維等溫線的等灰度線，以此求取出等溫線的周長和面積，以及不同時刻下同一等溫線邊界鏈碼的相關系數。根據周長、面積和相關系數三個特征量，結合放電電壓判斷放電等離子體穩定性，操作方便，安全性高，實時性好。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】，屬于熱等離子體放電穩定性判斷
。該方法的特征在于，系統軟件同步采集得到在不同時刻下的引弧電壓和放電產生的RGB圖像，再把RGB圖像轉化為灰度圖像后用二值化分割方法得到灰度邊界，再以圖像左下角為坐標原點起始點，利用8方向Freeman鏈碼編碼規則，從起始點出發，沿順時針方向移動，以便得到由起始點坐標和一組有方向的鏈碼序列所唯一確定的近似于電弧等離子體二維等溫線的等灰度線，以此求取出等溫線的周長和面積，以及不同時刻下同一等溫線邊界鏈碼的相關系數。根據周長、面積和相關系數三個特征量，結合放電電壓判斷放電等離子體穩定性，操作方便，安全性高，實時性好。【專利說明】
本專利技術涉及雙射流直流電弧等離子體放電穩定性的診斷方法，屬于熱等離子體穩定性診斷領域。
技術介紹
由于熱等離子體體系中復雜的化學反應過程、氣體流動、傳熱等因素，導致等離子體很難持續穩定地放電；而氣體放電的不穩定性會極大地影響等離子體材料處理的效果、降低等離子體材料處理效率。因此，從熱等離子體理論研究和實際應用出發，對氣體放電過程的穩定性進行在線測量對于深入理解熱等離子體中復雜的電磁流體力學過程、推動其在材料加工領域的實際應用十分必要。通過對熱等離子體放電電壓隨時間的變化波形進行分析來診斷等離子體放電穩定性，是目前常用的分析方法。通過分析放電過程中弧電壓隨時間的變化對于研究由于電弧弧根在電極表面的運動所引起的等離子體脈動是十分有效的，但卻很難完全反映由于非電弧弧根運動所引起的等離子體射流的不穩定性。隨著計算機數字圖像處理技術的發展，將圖像處理技術引入到等離子體穩定性判別方法中，在一定程度上可以彌補完全基于放電電壓的等離子體穩定性分析方法的不足。葛楠等基于圖像鏈碼技術提取出具有不同灰度值的等離子體邊界周長和面積的信息，通過對這兩個參數的定量分析獲得了對雙射流直流電弧等離子體穩定性的定量評估。雖然鏈碼序列與邊界形狀是一一對應的，但有可能會出現兩個邊界區域的周長和面積近似而實際形狀差異較大的情況。例如，對于雙射流直流電弧等離子體，其電極下方的射流有可能會受到外界環境的擾動作用而偏向不同的電極區域，此時雖然對應于某一等溫邊界的周長及其所圍的二維投影溫度場面積相差較小，但其位形則有可能相差較大。因此，為了更加準確地描述等離子體放電圖像的位形在上述研究工作的基礎上，進一步求取了不同放電時刻的圖像邊界的相關系數，從而形成了對放電圖像中具有特定灰度值的等值線采用周長、面積和相關系數三個參數結合放電電壓進行分析的等離子體穩定性評估方法，使得對氣體放電過程中等離子體穩定性的評估更加準確。
技術實現思路
本專利技術的目的是試圖解決現有穩定性分析方法的不足，使對等離子體穩定性評估更加準確，特提供了一種基于圖像處理技術與放電電壓相結合的穩定性分析方法。本專利技術提供的技術方案為:由輻射測溫理論可知，物體表面的“顏色”分布一定程度上反映了電弧等離子體的溫度場分布。本專利技術提出了一種針對可見光圖像等灰度邊界(等溫邊界)對雙射流電弧等離子體進行穩定性分析的方法。利用方波信號外觸發CCD相機和模擬量采集卡分別采集圖像和電信號；通過二值化閾值分割方法得到放電圖像的等溫邊界；針對等溫邊界，定義了周長、面積、相關系數三個特征量，并與放電電壓相結合進行穩定性分析。實現上述實驗方案所采用的方法為:1.圖像和電信號采集將CCD相機對準等離子體放電區域，為消除放電圖像的飽和現象，在相機鏡頭前面加載了中性濾光片。在高頻引弧的工作模式下產生放電時，電弧等離子體會產生極強的電磁干擾信號，為避免環境噪聲影響測量精度，采用差分輸入方式連接信號源。由多通道計數器/定時器卡輸出一定頻率的方波信號外觸發CCD相機和模擬量采集卡分別采集圖像和電壓信號。2.圖像預處理將CXD相機所采集到的彩色圖像通過線性變換轉換成灰度圖像，通過指定閾值，對灰度圖像進行二值化分割得到等灰度邊界；以特定間隔改變閾值并將邊界疊加，從而得到了描述電弧等離子體二維投影溫度場的等灰度線。根據輻射測溫理論可知，物體表面的“顏色”分布可大致判斷物體的溫度分布。因此，放電圖像的灰度分布一定程度上反映了電弧等離子體的溫度分布。3.特征量提取為了對等灰度邊界(等溫邊界)進行定量描述，引入了 8方向Freeman鏈碼技術。根據8方向Freeman鏈碼編碼規則,在物體邊界上選取確定的起始點坐標,鏈碼以8鄰域的方式沿曲線或邊界像素序列移動，每個移動方向用對應的鏈碼元素Ci(Ci = 0，1,2……7)進行編碼，以任一給定的邊界均可由起始點坐標和一組有方向的鏈碼序列唯一確定。基于圖像鏈碼技術，可方便地求取對應于某一灰度值的邊界周長和面積，周長和面積確定了電弧-射流區的幾何尺寸。而通過計算不同時刻等離子體放電圖像中對應于某一灰度值的等值線邊界鏈碼之間的相關系數可較好地反映邊界形狀的變化程度。在計算兩個時域信號的相關系數時，兩個離散信號的長度必須相等。因此，提出了數字圖像處理領域中的最近鄰點法對原始鏈碼序列進行采樣插值以便得到長度相等的標準鏈碼序列。4.放電穩定性分析 為表征等離子體電弧-射流區的脈動情況，定義了無量綱參數Vx =凡/1用以描述特征量的變化幅度，其中μ —系列放電圖像的某一特征量標準偏差，尤為一系列放電圖像的某一特征量平均值。根據大量的實驗分析設定穩定性診斷的標準值，若一系列放電圖像中連續三幅圖像的兩個參數及放電電壓不滿足穩定性診斷的標準值則認定為不穩定。如果滿足，根據經驗設定放電穩定的參考幀圖像，進一步求取出當前幀與參考幀的邊界鏈碼相關系數，判斷穩定性。由于采用了上述技術方案，本專利技術具有如下優點:1.該專利技術將數字圖像處理技術中的邊界鏈碼算法引入到放電等離子體的穩定性判斷中。并基于邊界鏈碼算法提取出了周長、面積、相關系數三個特征量，很好地判斷了放電等離子體的邊界幾何尺寸和位形。該專利技術簡便可行，實時性好，且成本較低，具有很好地實際應用價值。2.熱等離子體往往具有非常高的局部放電溫度，而本專利技術不需要實際接觸被測等離子體，保證了操作人員和裝置的安全性，同時不會干擾源場的變化。因此，具有更多的應用場合。【專利附圖】【附圖說明】下面結合附圖及實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明:圖1為穩定性分析系統的總體設計示意圖；圖2為穩定性分析系統的軟件設計流程圖。【具體實施方式】圖1為依據本專利技術所設計的穩定性分析系統的總體結構。主要由直流電弧等離子體發生器、CCD相機、模擬量采集卡、穩定性分析軟件組成。等離子體發生器由直流電流源供電，工作氣體為氬氣，兩電極間的距離可調。平行放置CCD相機對準等離子體發生器，并在相機鏡頭前面加載三塊中性濾光片。由模擬量采集卡PCI1715進行電信號的采集，為了減少共模信號采用差分連接方式。將輸入信號源的負端通過一個電阻與電容組成的阻容網絡與板卡的模擬地AIGND進行連接，電阻大小一般選擇100K Ω，電容大小選擇100nF。由多通道計數器/定時器卡PCI1780輸出方波信號外觸發同步采集，采樣頻率為0.5Hz，采集圖像時的CXD相機參數為:白平衡參數分別為48和52，焦距f = 50mm、光圈值F = 4.0、曝光時間Tex= l/300s、感光度ISO = 200采集的圖像分辨率為1024X 768，圖像格本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種診斷雙射流直流電弧等離子體放電穩定性的方法，其特征在于，是在一個雙射流直流電弧等離子體放電穩定性分析系統中依次按照以下步驟實現的，以下簡稱系統：步驟(1)，構造一個所述的系統，包括：IPC610工控機平臺、方波產生模塊、CCD相機、模擬量采集卡和穩定性分析軟件，以下簡稱系統軟件；其中，IPC610工控機平臺，控制所述的方波產生模塊，輸出設定頻率的方波電壓；方波產生模塊，是一個多通道計數器/定時器卡PCI1780，向所述的CCD相機和模擬量采集卡同步輸出所述設定頻率的方波電壓；模擬量采集卡，采用PCI1715板卡，采用差分連接方式，在被觸發以后對被測等離子體電壓進行采集；CCD相機，是一個采用M5018?MP工業鏡頭的MV?VD078SC工業相機，曝光時間、白平衡和增益值可由軟件控制，支持外觸發模式采集，簡稱CCD相機，用于采集可見光圖像數據；系統軟件采用雙線程方式，主線程初始化CCD相機，并對所述CCD相機讀入的可見光圖像數據進行圖像處理；從線程按照差分連接方式采集并保存所述模擬量采集卡的電壓數據；主、從兩個線程分別在所述的IPC610工控機平臺上的4個CPU中指定運行；步驟(2)，所述IPC610工控機平臺上的4個CPU分別按以下步驟進行放電穩定性判斷；步驟(2.1)，CCD相機初始化：設定包括曝光時間、白平衡和增益在內的相機參數；步驟(2.2)，模擬量采集卡初始化：采集差分連接方式，以減小共模信號；步驟(2.3)，在所述CCD相機和模擬量采集卡被觸發后，所述CCD相機采集可見光圖像數據，所述模擬量采集卡采集放電電壓數據；步驟(2.4)，依次按以下步驟在不同時刻的引弧電壓下計算等離子體放電電壓電弧區的周長：步驟(2.4.1)，把所述CCD相機讀入的等離子體RGB圖像數據轉化為灰度圖像數據；步驟(2.4.2)，設定周長，按照IEEE?Proceedings?Vision，Image?and?Signal?Processing，1997,144(3)：145?149中G.R.Wilson在Proporties?of?contour?codes[J]中提到的方法，設定灰度閾值(零到一范圍內)，對所述灰度圖像數據進行二值化分割得到等灰度邊界；步驟(2.4.3)，以所述灰度邊界左下角像素為坐標起始點，采用PatternRecognition,1999,32(2),235?251頁，Ernesto?Bribiesca的“A?new?chain?code”一文中所述的8方向鏈碼編碼規則，使所述邊界鏈碼從所述起始點開始沿順時針按等灰度值的方向移動，得到對應于所述起始點灰度值的邊界周長L，用起始點坐標和一組有方向的鏈碼序列唯一確定，從而得到一條反映等離子體二維投影溫度場的等溫線分布：其中，Ne和N0分別為8方向邊界鏈碼中走偶數步和走奇數步的數目；步驟(2.5)，接下來求取步驟(2.4.3)中所述周長L對應的等溫線的面積，按IAPR?workshopon?machine?vision?applications,1994,272?276頁中YANG?LuRen,Albregten?Frise，Lonnestad?Tor等的“Method?to?estimate?areas?and?perimeters?of?blob?like?objects:a?comparision[J]”一文所述的方法設定：所述起始點的坐標為(x0,y0)，對應于所述起始點(x0,y0)的邊界的鏈碼元素為c0c1……cN?1，則該等灰度線所圍的面積S用下式計算；N為鏈碼元素的數目：其中：N為鏈碼長度，像素個數，yi是鏈碼元素ci起始點的y坐標值，cix，ciy∈{1,0,?1}，表示第i個鏈碼元素ci沿x坐標和y坐標的變化值；步驟(2.6)，求出不同時刻下等離子體放電的電壓波動幅度▽Φ以及放電圖像中對應于某一灰度值的等灰度線的周長L以及所圍的面積S的波動幅度▽L，▽S；步驟(2.7)，按下式計算不同時刻下等離子體放電圖像中對應于某一灰度值的兩列等灰度線邊界的鏈碼之間的相關系數ρ(A,B)，以表達邊界形狀隨時刻的變化形狀：步驟(2.7.1)，按下式在等離子體放電圖像中，使不同時刻下同一灰度值的等灰度線邊界鏈碼序列在長度上統一為標準的邊界鏈碼序列：設長為N的原始鏈接序列為ci，i∈{0,1,2,...,N?1}，對應的長度為M的標準鏈碼序列為c′i',i'∈{0,1,2,...,M?1}，則按中國空間科學技術，2005,3：第14?18頁，尤玉虎、周孝寬的論文“數字圖像最佳插值方法研究[J]”一文所述的方法，得到：i'＝0,1,2,...,M?1，使所得到的邊界標準鏈碼序列盡可能地接近所述的原始邊界鏈碼，其中kI為大于零的有限整數；步驟(2.7.2)，按下式計算不同時刻下在...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李和平，李鵬，郭恒，葛楠，包成玉，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11