[发明专利]一种气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法

说明书

本发明涉及一种气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法，其采用高功率激光照射电极表面，并利用窄带滤波片滤去弧光，得到表征燃弧过程中电极喷溅烧蚀行为的图像；基于高斯‑拉普拉斯边缘算子对原始图像进行滤波，实现弧光与电极的完全分离，获取喷溅液滴的边缘；基于图像的灰度阈值的二值化方法重构喷溅液滴并提取喷溅液滴的位置及形状信息，通过帧叠加得到喷溅液滴的运动轨迹；基于多目标的粒子匹配算法获取喷溅烧蚀速率。通过光学成像手段结合数字图像处理技术，本发明实现了燃弧过程中电极烧蚀行为的可视化及原位测量，拓展了气体电弧烧蚀行为的测试，为深入和完整理解气体电弧‑电极的作用机理、喷溅烧蚀产生过程等提供直接有益的科学依据。

技术领域

本发明属于电弧等离子体测试技术领域，具体涉及一种基于数字图像处理技术的气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法。

背景技术

利用电极放电形成的电弧等离子体可运用于电弧焊接、等离子体炬切割、等离子体喷涂、开关电器等多个工业领域。然而，电极的烧蚀现象会导致电极使用寿命缩短，影响电弧放电行为，特别是在开关电器领域，电极的烧蚀会严重影响开关电器寿命，制约开关电器开断能力的提升。

开关电器中，电极的烧蚀分为金属蒸发和液滴喷溅两种主要形式。电弧在燃烧过程中，会持续向电极注入能量，导致电极表面产生相变形成熔池，随着注入能量的增加，电极材料以金属蒸汽的形式脱离电极，产生蒸发烧蚀，与此同时，在电磁搅拌、离子轰击等力的作用下，电极材料以液滴的形式脱离电极表面，产生喷溅烧蚀。与金属蒸发相比，液滴喷溅会导致电极材料的大量损失，使得电极迅速失效。喷溅是一个极为复杂的物理现象，涉及电极内的传热和流动、电弧对熔池的热、力作用等。由于喷溅过程的复杂性，目前对于喷溅机理的认知尚不成熟，对喷溅侵蚀特性如喷溅发生准则、喷溅侵蚀率、喷溅导致的材料转移、损失以及电极形貌和成分的改变等都缺乏定量的描述。至今尚未发现能反映喷溅侵蚀特性与电弧特性、电极材料性质参数关系的喷溅侵蚀模型。现有的仿真研究无法揭示电弧特性与喷溅侵蚀特性的关系，导致无法从科学的角度对喷溅侵蚀进行定量评估，更无法采取有效措施来增强开关电器中触头系统的抗喷溅侵蚀能力，因此，采用实验手段测量相关参数，可以更为直观地认识电极烧蚀机理，指导物理建模，优化触头系统设计。

以往对于电极烧蚀的实验测试，主要集中于SEM扫描电镜观察电极表面微观形貌，能谱仪电极表面成分变化以及精密天平称量电极净烧蚀量。这些方法只能通过对比烧蚀前后的电极特征，推断燃弧过程中的烧蚀行为，从而间接反映不同电极材料的烧蚀特性，而无法对燃弧过程中电极表面的动态烧蚀过程进行直接测量，具有很大的局限性。利用高速摄影仪可以直接对燃弧过程中的电弧行为进行观测，但由于气体电弧组分复杂，强烈的弧光掩盖了电极形貌，使得燃弧过程中产生的熔池及喷溅液滴无法在高速摄影仪上清晰成像，制约着开关电器电极烧蚀特性的研究。

因此，为了直接对燃弧过程中电极的烧蚀特性开展实验研究，实现电极表面形态的可视化及其喷溅烧蚀特性的原位测量就变得十分重要。

发明内容

针对以上的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种基于数字图像处理技术的气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法，可清晰成像和观测喷溅液滴的运动过程，解决了以往无法在燃弧过程中对电极的喷溅烧蚀特性进行清晰成像及动态测量的难题。

本发明采用的技术方案为：

提供一种气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法，所述方法包括如下步骤：

S01：搭建光学成像系统，采集电极喷溅烧蚀行为的影像；

S02：采用空间数字滤波器对图像进行滤波，滤除原始图像中的残余弧光并得到喷溅液滴的边缘；

S03：基于图像的灰度分布对液滴边缘图像进行动态二值化并进行封闭域填充处理从而重构喷溅液滴，获得喷溅液滴的空间坐标位置及形状信息，利用连续帧的二值化图像重构喷溅液滴的运动轨迹；

S04：对重构的喷溅液滴进行统计，得到燃弧过程中的喷溅烧蚀速率。