技术领域
[0001] 本
发明涉及等离子体射流装置和控制方法，尤其是涉及一种通过反馈环节控制电源的等离子体射流装置和方法。
背景技术
[0002] 等离子体是指不同于固态、液态、气态的物质的第四物态，由于其产生方便近年来备受关注，产生的等离子体，通常有两个状态，一是由强烈放电产生的热等离子体，气体整体电离较高，如
电弧放电；二是在
辉光放电或细丝放电等弱放电强度下产生的低温等离子体。等离子体的状态和等离子体内部活性物质的种类，决定其不同的性能和应用。
[0003] 在传统的工业应用中，一般采取在低气压下产生等离子体。典型地，通过调节外部
电场和
磁场，使
能量优先传递给
电子而非重粒子，所传递的能量通过电子的碰撞再传给重粒子使其激发电离，从而产生高活性物质。低气压使得电子的
平均自由程得到增大，并因此能够获得足够的能量。实践中，使用驱动射频电源，当在一个有限的腔体内产生等离子体之后，再将所产生的等离子体吹出放电腔体，从而形成等离子体射流。
[0004] 气体在腔体内部电离时会激发出发光物质，即形成了
原子跃迁，原子或分子、离子总是
力图使自己的
能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量，在这里是以光的形式将能量
辐射出来。调节电源
电压可以得到所需要的合适的某种元素的特征粒子数，而
光谱仪以及光电
传感器可以得到特征粒子数，并将光
信号转换为
电信号。
[0005] 常规的等离子体射流产生装置结构复杂、成本高昂且调整等离子体射流的手段有限；而且，并不能自主调节电源功率使得内部电离的强度大小可控从而控制所喷出的电离气体的基态原子数。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种结构简单、成本低廉，且能够方便通过反馈调节控制电源的等离子体射流装置和方法，根据喷出气体发光物质的
光信号转换为电信号，并反馈调节
电源电压改变等离子射
流体放电的气体电离强度，从而控制得到所需要的某种元素的特征粒子数，即所需电离的基态原子浓度。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种通过反馈环节控制电源的等离子体射流装置，包括等离子体产生组件、光电转换组件和PID控制组件，所述的PID控制组件分别与等离子体产生组件和光电转换组件电连接，所述的光电转换组件设置于等离子体产生组件的出气口处，用于测量谱线强度并将光信号转变为电信号，所述的PID控制组件包括PID
控制器、显示屏以及调节按钮，所述的PID控制器用于计算标准电离电压，所述的调节按钮用于调节等离子体产生组件内的实际电离电压，所述的显示屏用于显示标准电离电压和实际电离电压；
[0009] 该装置工作时，所述的等离子体产生组件产生电离气体从出气口(9)喷出，所述的光电转换组件测量喷出电离气体的谱线强度并将光信号转化为电信号后，输入PID控制器，所述的PID控制器计算标准电离电压并获取等离子体产生组件内的实际电离电压后，通过显示屏显示，调节调节按钮将实际电离电压调整为标准电离电压，重复多次后，当谱线强度值与设定谱线强度值之差在误差范围内时，完成反馈调节。
[0010] 进一步地，所述的光电转换组件包括相互连接的光谱仪和
光电传感器，所述的光谱仪用于测量谱线强度，所述的光电传感器与PID控制器连接，用于将光信号转换为电信号后输入PID控制器。
[0011] 进一步地，所述的等离子体产生组件包括依次连接形成电离内腔的绝缘后盖、
侧壁电极和绝缘前盖以及分别设置于电离内腔内的射频驱动电源和与电离内腔同轴的针电极，电力内腔能隔绝外界物质对内部的影响，所述的射频驱动电源与PID控制器连接，分别为针电极提供高电压，为侧壁电极提供
低电压，所述的侧壁电极上设置进气管，所述的绝缘前盖上设置出气口，允许工业气体进入，在电离内腔进行实现电离产生等离子射流。
[0012] 更进一步地，所述的射频驱动电源固定设置于绝缘后盖上，所述的针电极包括呈圆柱体或长方体的尾部和呈针状或漏斗状的尖锐头部，所述的尾部设置于射频驱动电源上，所述的尖锐头部设置于靠近出气口处，尖锐头部可以使得端点处形成局部高电场强度，提高电离效率，所述的等离子体产生组件还包括穿过绝缘后盖的导体管，所述的导体管一端与PID控制器连接，另一端与射频驱动电源连接。
[0013] 更进一步地，所述的绝缘前盖设置两
块，分别包括与侧壁电极固定连接
外壳和设置于外壳内的绝缘
挡板，所述的绝缘挡板与外壳之间设有滑轨，所述的绝缘挡板沿滑轨移动调节出气口的大小。
[0014] 更进一步地，所述的绝缘前盖设置两块，分别包括与侧壁电极固定连接外壳和设置于外壳内的绝缘挡板，所述的绝缘挡板与外壳之间设有滑轨，两块绝缘挡板沿滑轨移动调节出气口的大小，可自由调节等离子体输出的快慢。
[0015] 更进一步地，所述的绝缘后盖为聚四氟乙烯绝缘后盖，所述的绝缘前盖为
石英绝缘前盖或三
氧化二
铝绝缘前盖，聚四氟乙烯绝缘后盖绝缘性好，而且具有耐高低温、耐
腐蚀、高绝缘等多种优良特性，石英绝缘前盖的绝缘性好，且耐磨损和抗氧化能力更强，三氧化二铝绝缘前盖
电阻率高，具有良好的绝缘性能，所述的导体管为
铜导体管或铝导体管，所述的针电极为钨电极或铜电极，所述的侧壁电极为铜电极，铜电极或钨电极耐高温、耐电弧烧蚀且强度高、比重大，导电导热性好，易于加工。
[0016] 一种如所述的通过反馈环节控制电源的等离子体射流装置的工作方法，包括以下步骤：
[0017] S1)设定所需电离的基态原子浓度所对应的标准谱线强度值；
[0018] S2)等离子体产生组件通过电离喷出发光气体；
[0019] S3)测量喷出发光气体对应的实际谱线强度值，并将喷出发光气体的光信号转变为电信号后，输入PID控制器；
[0020] S4)根据PID控制器的计算结果，对等离子体产生组件中的电源电压进行反馈调节；
[0021] S5)重复步骤S2)～步骤S4)，直至实际谱线强度值与标准谱线强度值之差在设定误差范围内，完成反馈调节；
[0022] S6)等离子体产生组件产生符合要求基态原子数的等离子体射流。
[0023] 进一步地，所述的步骤S4)具体包括：
[0024] S41)PID控制器获取等离子体产生组件内的实际电离电压，显示于显示屏上；
[0025] S42)PID控制器根据输入的电信号，通过内部反馈计算出标准电离电压，显示于显示屏上；
[0026] S43)调节调节按钮，使实际电离电压与标准电离电压相等。
[0027] 进一步地，所述的步骤S1)中标准谱线强度Iim的计算公式为：
[0028]
[0029] 其中，No为基态原子浓度，gi为激发态i原子的统计权重，go为基态原子的统计权重，Ei为激发态i的激发电位，K为波兹曼常数，T为激发
温度，Aim为i能级及m能级之间的跃迁几率，hvim为Ei-Em两能级之间的能量差，vim为发射谱线的
频率。
[0030] 更进一步地，所述的PID控制器内部反馈计算的表达式为：
[0031]
[0032] 其中，U(Iim)为PID控制器计算的标准电离电压值，Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为微分时间常量。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0034] 1)本发明利用对应元素的谱线强度和原子浓度以及等离子体射流强度和电压之间的关系，通过设置光谱仪、光电传感器和PID控制器，根据对应元素的光谱强度实现对电压和等离子体射流强度的控制，从而得到该对应元素设定的原子浓度，方便控制地产生各种不同性能和应用的等离子体；
[0035] 2)本发明使用PID控制器进行反馈调节，其原理简单、使用方便，具有很强的适应性和鲁棒性，其控制品质对本空对象的变化不敏感，适用于环境恶劣的工业生产现场，增强系统可靠性，且长期应用过程中，对PID
算法缺陷可以进行改良，根据不同条件的需求进行算法变动，较为灵活；
[0036] 3)本发明利用PID控制器，根据由谱线强度转化的电信号来计算得到电压值，并根据此电压值调节射频驱动电源的电压值，调节时只需要对两个电压值进行比较就可知道本次调节是否完成，使用方便，实用性强；
[0037] 4)本发明利用推导得出的谱线强度与原子浓度之间的关系式，通过设置光谱仪直接测得对应元素的谱线强度，在调节过程中，可直接通过计算光谱仪所测谱线强度与设定谱线强度之间的误差，来判断是否可以结束调节，使用简单方便；
[0038] 5)本发明的装置结构简单，且光电传感器、光谱仪和PID控制器均为常规元器件，成本低。
附图说明
[0039] 图1为本发明装置结构示意图；
[0040] 图2为绝缘前盖的结构示意图；
[0041] 图3为进气管的结构示意图；
[0042] 图4为等离子体产生组件结构示意图。
[0043] 其中，1、PID控制组件，2、绝缘后盖，3、导体管，4、射频驱动电源，5、针电极，6、侧壁电极，7、进气管，8、绝缘前盖，9、出气口，10、光谱仪，11、光电传感器，12、滑轨。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0045] 实施例
[0046] 如图1所示，本发明提供一种通过反馈环节控制电源的等离子体射流装置，该装置包括等离子体产生组件、光电转换组件和PID控制组件1，PID控制组件1分别与等离子体产生组件和光电转换组件电连接，光电转换组件设置于等离子体产生组件的出气口9处。
[0047] PID控制组件1包括PID控制器、显示屏和调节按钮，PID控制器用于计算标准电离电压，调节按钮用于调节等离子体产生组件内的实际电离电压，显示屏用于显示标准电离电压和实际电离电压。PID控制器的本质是被控对象输出跟控制输出的函数映射关系，可以根据控制对象适当调节参数，也就是把人为要素引入控制系统，这里的输入要素就是光信号，然后通过光电传感器转换成电信号，输入给控制器，输出为标准电离电压，能有效形成光谱强度和电压的映射关系。PID算法原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对本空对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场；PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握；许多工业回路中对控制快速性和控制
精度要求不是很高，而更重视系统的可靠性，使用PID控制能获得较高的性价比，这也是本
专利所提倡的；长期应用过程中，对PID算法缺陷还可以进行改良，可以根据不同条件的需求进行算法变动，较为灵活。
[0048] 当该装置工作时，等离子体产生组件产生电离气体从出气口9喷出，光电转换组件测量喷出电离气体的谱线强度并将光信号转化为电信号后，输入PID控制器，PID控制器计算标准电离电压并获取等离子体产生组件内的实际电离电压后，通过显示屏显示，调节调节按钮将实际电离电压调整为标准电离电压，重复多次后，谱线强度值与设定谱线强度值在误差范围内，完成反馈调节。
[0049] 如图4所示，等离子体产生组件包括依次连接形成电离内腔的绝缘后盖2、侧壁电极6和绝缘前盖8，以及分别设置于电离内腔内与PID控制器连接的射频驱动电源4和与电离内腔同轴的针电极5，等离子体产生组件还包括穿过绝缘后盖2的导体管3，其与PID控制器连接，另一端与射频驱动电源4连接，侧壁电极6上设置进气管7，所述的绝缘前盖8上设置出气口9。针电极5由射频电源驱动提供高压电极，而侧壁电极6由射频电源驱动提供低压电极，将工业气体通过进气管7输入到内部，通过针电极5和侧壁电极6之间形成的局部增强电场，导致气体电离，内部产生等离子体，然后将电离气体喷出，这就使得针电极5和侧壁低电压极形成了内部的等离子体射流。
[0050] 绝缘后盖2有两个，尺寸相同且材质均为聚四氟乙烯，用来隔绝外界对内部电离气体的影响，绝缘后盖2选择聚四氟乙烯，不仅因为该材料绝缘性好，而且耐高低温(-192℃-260℃)、耐腐蚀(强酸、强
碱、王
水等)、耐
气候、高绝缘、高润滑、不粘附、无毒害等优良特性；
[0051] 导体管3是细长的
导管，位于两个绝缘后盖2中间，横截面为圆形或椭圆，材质为铝或铜，用于接通PID控制器和射频驱动电源4；
[0052] 射频驱动电源4通过导体管3连接PID控制器并对内部针电极5和侧壁电极6提供电源驱动，共有两块，给侧壁电极6提供低压射频电压，给中间的针电极5提供高压射频电压；
[0053] 针电极5是高电压极，材质为钨或铜，它连接射频驱动电源4来释放高电压，与两个侧壁电极6的低电压形成电离场，针电极5的最右端设置于靠近出气口9处，形状是针形或者漏斗状，左端设置于射频驱动电源4，为长方体或者圆柱体，采用针形可以使得右部端点处形成局部高电场强度；侧壁电极6为低电压极，材质为铜，该电极和高电压极形成局部增强电场，将气体电离激发，铜电极或钨电极高强度，高
密度，高硬度，耐高温、耐电弧烧蚀、强度高，比重大，导电导热性好，易于加工，经常用来做有一定
耐磨性，耐高低温
焊接，
对焊电极；
[0054] 如图3所示，进气管7为一端粗一端细的圆柱形管体，较细一端连接工业气体的进入，较粗的一端伸入等离子体产生组件的内部，其外表面附着一层石英或者三氧化二铝的绝缘材料，进气管7有两个作用，一是允许工业气体进入，这里的工业气体可以是例如氦气氙气等稀有气体，也可以是氧气氮气等常见空气组成气体，二是能隔绝外界物质对内部的影响；
[0055] 如图2所示，绝缘前盖8共有两个，分别包括与侧壁电极固定连接外壳和设置于外壳内的绝缘挡板，绝缘挡板与外壳之间设有滑轨，两块绝缘挡板沿滑轨移动调节出气口的大小，可自由调节等离子体输出的快慢，出气口9用来输出气体电离的等离子体物质，并输送给光电转换组件，绝缘前盖8的材质优选为石英或者三氧化二铝，石英绝缘性好，耐磨损且抗氧化能力更强，三氧化二铝电阻率高，具有良好的绝缘性能；
[0056] 光电转换组件包括光谱仪10和与PID控制器连接的光电传感器11，气体电离后，电离的气体物质从出气口9喷出，喷出的物质通过肉眼能看到带有
颜色的光物质，其中包含可见光和不可见光，因此在出口处放置光电传感器11和光谱仪10，光谱仪10用于测得某电离物质的谱线强度，光电传感器11将出口的发光物质即光信号转换为电信号，输入PID控制器根据测得的谱线强度进行反馈调节。
[0057] 光谱仪10可根据不同元素的
波长进而测得其特征谱线强度。本实施例中采用的是拉曼光谱仪，该光谱仪结构简单、操作简便、测量快速高效准确，以低
波数测量能力著称，采用共焦光路设计以获得更高
分辨率，可对样品表面进行μm级的微区检测。本实施例中所用光谱的扫描范围：186～5000cm-1，输出功率：0～50mW，瑞利线阻止：OD>8，最小可探测波数186cm-1，数值孔径：0.42，工作距离：20mm，单色仪：F/#＝8，光栅：1800l/mm，线分辨率：
1.6nm/mm，
工作温度：5℃-35℃。
[0058] 光谱仪10一方面，可进行定性分析，根据波长对应到光谱的波长范围，确定是哪一种元素；另一方面，可定量得到谱线强度，谱线强度是由发射该谱线的
光子数目来决定的，光子数目多则特征谱线强度大，反之则弱。而光子数目和处于基态的原子数目有关，基态原子是由于受激原子跃迁产生的，内部的等离子体射流实现了电离激发，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去。基态原子数目取决于某元素含量的多少，综上分析，可以根据谱线强度得到某元素的含量。因此某确定元素的谱线强度是和内部电离激发的基态原子数有关的，而基态原子数目(原子浓度)和等离子体射流的强度有关。
[0059] 因此在光电传感器11和光谱仪10与PID控制器的设置，使得光谱仪10测得的谱线强度能通过光电传感器11将电信号反馈给PID控制器，PID控制器通过反馈调节计算标准电离电压，并通过该标准电离电压对等离子体产生组件中的实际电离电压进行控制调节，实现对某确定元素的合适特征粒子数(含量)，即电离的基态原子浓度的控制。
[0060] 光谱仪10来测量谱线强度与某元素含量大小的基本公式为：
[0061] Iim＝ACb
[0062] 其中Im为谱线强度，A根据等离子体温度和材料成分的不同而改变，b为某个特定常数，C为某元素含量。
[0063] 对于某特定元素含量是否符合标准，其判断的公式为：
[0064]
[0065] 该公式为在不同能级上原子分配情况的波兹曼公式，其中，Ni为激发态原子浓度，No为基态原子浓度(在不同激发温度下不同)，gi为激发态i原子的统计权重，go为基态原子的统计权重，Ei为激发态i的激发电位，K为波兹曼常数，T为激发温度。那么决定标准谱线强度Iim的跃迁关系式为：
[0066] Iim＝NiAimhvim
[0067] Ni表示被激发到i能级的原子浓度，Aim表示i能级至m能级之间的跃迁几率，hvim表示Ei-Em两能级之间的能量差，vim表示发射谱线的频率。再将波兹曼公式代入上式，则标准谱线强度Iim的计算公式为：
[0068]
[0069] 由此公式可以看到激发到能级的电位越高，在此状态下的原子浓度越低，当谱线强度高或者偏低而导致某元素浓度含量不是所需的值时，PID控制器可根据光谱仪10和光电传感器11反馈的实际谱线强度和标准谱线强度值，通过PID内部反馈调节计算并输出标准电离电压值，PID内部反馈调节的计算公式为：
[0070]
[0071] 其中，U(Iim)为PID控制器计算的标准电离电压值，Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为微分时间常量。
[0072] 比例系数Kp、积分时间常量Ti和微分时间常量Td根据不同的设备，PID控制器的参数实用范围也有差异，可根据实际情况设定，按常规的参数整定进行调节。本实施例中，采用试凑法调整PID控制器的参数，具体包括以下步骤：
[0073] 101)将Kp/Ti的值和Kp/Td的值设为0，不设积分环节与微分环节；
[0074] 102)将比例系数Kp的值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在要求范围内；
[0075] 103)当压力的反应速度达到要求时，停止增大比例系数Kp的值；
[0076] 104)在该比例系数Kp值的
基础上减少10％；
[0077] 105)将Kp/Ti的值从0开始慢慢增大；
[0078] 106)当压力开始
波动，停止增大Kp/Ti的值；
[0079] 107)在该Kp/Ti值的基础上减少10％；
[0080] 108)把Kp/Td值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在要求范围内。
[0081] 电压值得到调节，从而使射频电源功率大小得以改善，由此改善了内部电离强度，使得电离元素含量和浓度也随之发生变化。
[0082] 该等离子体射流装置工作的实现，包括以下步骤：
[0083] S1)设定所需电离的基态原子浓度所对应的标准谱线强度值；
[0084] S2)等离子体产生组件通过电离喷出发光气体；
[0085] S3)测量喷出发光气体对应的实际谱线强度值，并将喷出发光气体的光信号转变为电信号后，输入PID控制器；
[0086] S4)根据PID控制器的计算结果，对等离子体产生组件中的电源电压进行反馈调节；
[0087] S5)重复步骤S2)～步骤S4)，直至实际谱线强度值与标准谱线强度值之差在设定误差范围内，完成反馈调节；
[0088] S6)等离子体产生组件产生符合要求基态原子数的等离子体射流。
[0089] 其中步骤S4)具体包括：
[0090] S41)PID控制器获取等离子体产生组件内的实际电离电压，显示于显示屏上；
[0091] S42)PID控制器根据输入的电信号，通过内部反馈计算出标准电离电压，显示于显示屏上；
[0092] S43)调节调节按钮，使实际电离电压与标准电离电压相等。
[0093] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的
修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以
权利要求的保护范围为准。
