[發明專利]一種氣體電弧電極噴濺燒蝕的原位觀測方法

有效

• 申請號: 201711379383.8
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN109949263B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 吳翊;崔彧菲;紐春萍;榮命哲;孫昊;楊飛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/246;G06T7/62;G01N21/84
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 覃婧嬋

本發明涉及一種氣體電弧電極噴濺燒蝕的原位觀測方法，其采用高功率激光照射電極表面，并利用窄帶濾波片濾去弧光，得到表征燃弧過程中電極噴濺燒蝕行為的圖像；基于高斯?拉普拉斯邊緣算子對原始圖像進行濾波，實現弧光與電極的完全分離，獲取噴濺液滴的邊緣；基于圖像的灰度閾值的二值化方法重構噴濺液滴并提取噴濺液滴的位置及形狀信息，通過幀疊加得到噴濺液滴的運動軌跡；基于多目標的粒子匹配算法獲取噴濺燒蝕速率。通過光學成像手段結合數字圖像處理技術，本發明實現了燃弧過程中電極燒蝕行為的可視化及原位測量，拓展了氣體電弧燒蝕行為的測試，為深入和完整理解氣體電弧?電極的作用機理、噴濺燒蝕產生過程等提供直接有益的科學依據。

技術領域

本發明屬于電弧等離子體測試技術領域，具體涉及一種基于數字圖像處理技術的氣體電弧電極噴濺燒蝕的原位觀測方法。

背景技術

利用電極放電形成的電弧等離子體可運用于電弧焊接、等離子體炬切割、等離子體噴涂、開關電器等多個工業領域。然而，電極的燒蝕現象會導致電極使用壽命縮短，影響電弧放電行為，特別是在開關電器領域，電極的燒蝕會嚴重影響開關電器壽命，制約開關電器開斷能力的提升。

開關電器中，電極的燒蝕分為金屬蒸發和液滴噴濺兩種主要形式。電弧在燃燒過程中，會持續向電極注入能量，導致電極表面產生相變形成熔池，隨著注入能量的增加，電極材料以金屬蒸汽的形式脫離電極，產生蒸發燒蝕，與此同時，在電磁攪拌、離子轟擊等力的作用下，電極材料以液滴的形式脫離電極表面，產生噴濺燒蝕。與金屬蒸發相比，液滴噴濺會導致電極材料的大量損失，使得電極迅速失效。噴濺是一個極為復雜的物理現象，涉及電極內的傳熱和流動、電弧對熔池的熱、力作用等。由于噴濺過程的復雜性，目前對于噴濺機理的認知尚不成熟，對噴濺侵蝕特性如噴濺發生準則、噴濺侵蝕率、噴濺導致的材料轉移、損失以及電極形貌和成分的改變等都缺乏定量的描述。至今尚未發現能反映噴濺侵蝕特性與電弧特性、電極材料性質參數關系的噴濺侵蝕模型。現有的仿真研究無法揭示電弧特性與噴濺侵蝕特性的關系，導致無法從科學的角度對噴濺侵蝕進行定量評估，更無法采取有效措施來增強開關電器中觸頭系統的抗噴濺侵蝕能力，因此，采用實驗手段測量相關參數，可以更為直觀地認識電極燒蝕機理，指導物理建模，優化觸頭系統設計。

以往對于電極燒蝕的實驗測試，主要集中于SEM掃描電鏡觀察電極表面微觀形貌，能譜儀電極表面成分變化以及精密天平稱量電極凈燒蝕量。這些方法只能通過對比燒蝕前后的電極特征，推斷燃弧過程中的燒蝕行為，從而間接反映不同電極材料的燒蝕特性，而無法對燃弧過程中電極表面的動態燒蝕過程進行直接測量，具有很大的局限性。利用高速攝影儀可以直接對燃弧過程中的電弧行為進行觀測，但由于氣體電弧組分復雜，強烈的弧光掩蓋了電極形貌，使得燃弧過程中產生的熔池及噴濺液滴無法在高速攝影儀上清晰成像，制約著開關電器電極燒蝕特性的研究。

因此，為了直接對燃弧過程中電極的燒蝕特性開展實驗研究，實現電極表面形態的可視化及其噴濺燒蝕特性的原位測量就變得十分重要。

發明內容

針對以上的不足和缺陷，本發明的目的在于提供一種基于數字圖像處理技術的氣體電弧電極噴濺燒蝕的原位觀測方法，可清晰成像和觀測噴濺液滴的運動過程，解決了以往無法在燃弧過程中對電極的噴濺燒蝕特性進行清晰成像及動態測量的難題。

本發明采用的技術方案為：

提供一種氣體電弧電極噴濺燒蝕的原位觀測方法，所述方法包括如下步驟：

S01：搭建光學成像系統，采集電極噴濺燒蝕行為的影像；

S02：采用空間數字濾波器對圖像進行濾波，濾除原始圖像中的殘余弧光并得到噴濺液滴的邊緣；

S03：基于圖像的灰度分布對液滴邊緣圖像進行動態二值化并進行封閉域填充處理從而重構噴濺液滴，獲得噴濺液滴的空間坐標位置及形狀信息，利用連續幀的二值化圖像重構噴濺液滴的運動軌跡；

S04：對重構的噴濺液滴進行統計，得到燃弧過程中的噴濺燒蝕速率。