基于空心阴极放电的等离子体开关装置 |
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| 申请号 | CN202410153959.2 | 申请日 | 2024-02-02 | 公开(公告)号 | CN118017992A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 袁承勋; 郑秋月; 初子佳; 李俊杰; 郝志安; 周毅茹; 李健飞; 周晨; 周忠祥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种基于空心 阴极 放电的 等离子体 开关 装置，包括：等离子 体模 块 、 信号 处理模块和开关；等离子体模块的输入端和输出端分别与直流电源的输出端和所述 信号处理 模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与开关的触发端连接；等离子体模块用于产生脉动信号；信号处理模块用于对脉动信号进行转换处理和滤波处理。本发明通过等离子体模块和信号处理模块产生抗干扰能 力 强且容易调控的触发信号，基于该触发信号触发开关，可以提高被触发的开关的调控准确度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置，其特征在于，包括：等离子体模块、信号处理模块和开关； |
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| 说明书全文 | 基于空心阴极放电的等离子体开关装置技术领域[0001] 本发明涉及脉冲功率技术领域，具体而言，涉及一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置。 背景技术[0002] 空心阴极放电又称史丘勒放电，是一种特殊形式的辉光放电。空心阴极放电有着许多潜在的应用，最早用于光谱光源，逐渐应用于沉积材料领域、气体激光器以及航天电推进系统。在直流驱动的空心阴极放电中，存在着电压振荡和电流振荡的不稳定现象，即自脉冲现象。自脉冲现象存在于空心阴极放电的不同放电模式的转化过程中；电源电压较低时，空心阴极放电处于预放电阶段(汤森放电模式)，随着电源电压逐渐增大，空心阴极放电逐渐向辉光放电模式转变，虚拟阳极开始形成，阴极孔径逐渐被辉光填满。而在两种模式转变的过渡阶段会产生自脉冲现象。 [0003] 空心阴极放电应用领域中往往需要避免自脉冲现象，然而自脉冲现象也有很强的应用前景。空心阴极放电中，自脉冲的形成与空间中离子的积累以及虚拟阳极的形成有关。辉光放电模式中辉光不断击穿导致电流、电压产生振荡形成自脉冲，直流驱动下的空心阴极放电就会产生脉动信号。通过控制电压、气压、电极间距等参数，空心阴极放电就可以在放电模式之间进行状态转换，即输出信号在直流信号和脉动信号之间转换。 发明内容[0004] 本发明解决的问题是提供一种抗干扰能力强且容易调控的触发信号，通过该触发信号触发开关使开关可以达到更高的精准调控。 [0006] 所述等离子体模块的输入端和输出端分别与直流电源的输出端和所述信号处理模块的输入端连接； [0007] 所述信号处理模块的输出端与开关的触发端连接； [0008] 其中，所述等离子体模块用于产生脉动信号； [0009] 所述信号处理模块用于对脉动信号进行转换处理和滤波处理。 [0011] 所述电阻器的两端分别与所述直流电源的输出端和所述等离子体源的阳极连接； [0012] 所述等离子体源的阴极与所述直流电源的接地端连接。 [0013] 可选地，所述直流电源输出电压在所述等离子体源处于自脉冲模式下对应的驱动电压范围之内，所述等离子体源产生脉动信号。 [0014] 可选地，所述信号处理模块包括：微分放大电路和滤波电路； [0015] 所述微分放大电路的输入端和输出端分别与所述等离子体模块的输出端和所述滤波电路的输入端连接； [0016] 所述微分放大电路用于将所述等离子体模块输出的脉动信号转换为跨越零点的交流信号； [0017] 所述滤波电路用于滤除所述交流信号中的干扰信号。 [0018] 可选地，所述微分放大电路包括：放大器、电容和电阻； [0019] 所述放大器的反向输入端与所述等离子体模块的输出端连接，所述放大器的同向输入端与所述电阻的一端连接； [0020] 所述电阻的另一端与所述直流电源的接地端连接； [0021] 所述电容的两端分别连接所述放大器的反向输入端和输出端。 [0022] 可选地，所述滤波电路包括：滤波电容； [0023] 所述滤波电容的两端分别与所述放大器的输出端和所述开关的触发端连接。 [0024] 进一步地，还包括：信号输出模块； [0025] 所述信号输出模块的输入端和输出端分别与所述信号处理模块的输出端和所述开关的触发端连接； [0026] 所述信号输出模块用于指示所述开关的触发状态。 [0027] 可选地，所述信号输出模块为声电指示器或光电指示器。 [0030] 本发明提供一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置包括：等离子体模块、信号处理模块和开关；等离子体模块的输入端和输出端分别与直流电源的输出端和所述信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与开关的触发端连接；等离子体模块用于产生脉动信号；信号处理模块用于对脉动信号进行转换处理和滤波处理。通过等离子体模块和信号处理模块产生抗干扰能力强且容易调控的触发信号，基于该触发信号触发开关，可以提高被触发的开关的调控准确度。附图说明 [0031] 图1为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置的结构示意图； [0032] 图2为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置中等离子体模块的电路图； [0033] 图3为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置中等离子体源在电压逐渐增大的过程中输出信号的波形图； [0034] 图4为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置中等离子体源在电压逐渐减小的过程中输出信号的波形图； [0035] 图5为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置中信号处理模块的结构示意图； [0036] 图6为本发明提供的一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置中微分放大电路的电路图； [0037] 图7为本发明提供的另一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置的结构示意图； [0038] 图8为本发明提供的另一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置的完整电路图。 具体实施方式[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。 [0040] 本发明实施例提供了一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置，参见图1所示，具体包含：等离子体模块10、信号处理模块20和开关40。 [0041] 等离子体模块10的输入端和输出端分别与直流电源的输出端和信号处理模块20的输入端连接；信号处理模块20的输出端与开关40的触发端连接。 [0042] 本实施例中，等离子体模块10由直流电源驱动，将直流电源的输出端与等离子体模块10的输入端连接后，直流电源驱动等离子体模块10使等离子体模块10产生脉动信号。 [0043] 在直流电源输出的电压逐渐增大的过程中，等离子体模块10处于预放电阶段，输出的是稳定的直流信号；随着直流电源输出电压的增大，等离子体模块10输出的直流信号突变为脉动信号，电压随之出现稳定且强烈的振荡。即等离子体模块10逐渐进入到模式转变的过渡区，即由预放电阶段转变到辉光放电的过渡区。但是，脉动信号并不是一直持续的，随着直流电源输出电压的进一步增大，电压的振荡频率逐渐增大。脉动信号完全消失且不会再发生突变，等离子体模块10的两端电压恢复为直流信号。 [0044] 需要说明的是，随着直流电源输出的电压达到最大后，在直流电源输出的电压逐渐减小的情况下同样会出现自脉冲模式。降压过程中自脉冲模式的电压区间与升压过程中自脉冲模式对应的电压区间相比不完全相同。 [0045] 需要指出的是，本实施例中的脉动信号指的是同时具有直流分量和交流分量的信号，该脉动信号的大小始终大于零。并且自脉冲模式所产生的脉动信号有着输出稳定、信号强烈以及容易调控的优点，通过该脉动信号触发的开关是一种十分有效的开关。 [0046] 信号处理模块20的输入端与等离子体模块10的输出端连接，接收等离子体模块10产生脉动信号，将接收的脉动信号进行转换处理和滤波处理。 [0047] 由于自脉冲现象产生的脉动信号均为平均值大于零的信号，虽然有较大的振幅，但是脉动信号却不是跨越零点的，导致脉动信号不便检测。因此需要将该脉动信号进行转换处理，目的是将脉动信号转换为跨越零点的交流信号。 [0048] 根据上述描述可知，在将脉动信号进行转换处理的过程中，脉动信号变为跨越零点的交流信号；而直流信号经过转换仍为直流信号。即信号处理模块20输出的信号包括了交流信号和直流信号。由于等离子体模块10在预放电阶段和辉光放电模式均输出的是稳定的直流信号。在本实施例中采用等离子体模块10在自脉冲模式下输出的交流信号作为开关40的触发信号。为了避免等离子体模块10在其他模式下输出的直流信号的干扰，需要将该直流信号进行滤除，也就是对等离子体所输出信号进行滤波处理。 [0049] 需要指出的是，等离子体模块10在预放电阶段和辉光放电模式均输出的是稳定的直流信号，在自脉冲模式下输出的是脉动信号，转换处理将脉动信号变为跨越零点的交流信号，直流信号仍为直流信号。 [0050] 在本实施例中，等离子体模块10在自脉冲模式下输出的交流信号可以触发开关40，表明该开关40的状态为开，在其他模式下输出的直流信号且无交流信号输出，对开关40的状态不产生影响，表明该开关40的状态为关。 [0051] 从上述描述可知，本发明实施例提供的基于空心阴极放电的等离子体开关装置，通过直流电源驱动等离子体模块，等离子体模块产生脉动信号，产生的脉动信号有着输出稳定、信号强烈以及容易调控的优点。信号处理模块对脉动信号进行转换处理和滤波处理后，能够得到一种抗干扰能力强且容易调控的触发信号，基于该触发信号触发开关，可以提高被触发的开关的调控准确度。 [0052] 在本发明的一实施例中，参见图2，该基于空心阴极放电的等离子体开关装置中，等离子体模块10包括：等离子体源101和电阻器102。 [0053] 电阻器102的两端分别与直流电源的输出端和等离子体源101的阳极连接；等离子体源101的阴极与直流电源的接地端连接。其中，直流电源输出电压在等离子体源101处于自脉冲模式下对应的驱动电压范围之内，所述等离子体源101产生脉动信号。 [0054] 在本实施例中，由直流电源驱动等离子体源101，且电阻器102与等离子体源101串联，通过电阻器102调节流经等离子体源101的电流的大小。如图3所示，当直流电源输出的电源电压为270V时，等离子体源101的两端电压约为267V，此时等离子体源101处于预放电阶段，等离子体源101的两端电压是稳定的直流信号；当直流电源输出的电源电压升高到310V时，等离子体源101的两端电压突变为脉动信号，脉动信号的电压出现稳定且强烈的振荡(最大幅值为150V左右)，说明等离子体源101的放电逐渐进入到模式转变的过渡区，即由预放电阶段进入辉光放电模式。 [0055] 脉动信号的振荡是稳定且重复出现的，脉动信号的振荡是非常强烈的，其振幅约为中心电压的0.2‑0.4倍，且振幅高达数百伏，产生的脉动信号具有稳定性。 [0056] 随着直流电源输出的电源电压的增大，等离子体源101两端电压的振荡频率逐渐增大。当直流电源输出的电源电压为600V时，等离子体源101的脉动信号完全消失且不会再发生突变，等离子体源101两端的电压恢复为直流信号，约为277V。如图4所示，在直流电源输出的电源电压从600V逐渐减小的情况下同样会出现自脉冲模式，并且电压下降过程中自脉冲模式对应的电压区间相较于电压上升过程中自脉冲模式对应的电压区间有所不同。 [0057] 通过上述描述可知，等离子体源101处于电压上升过程中自脉冲模式对应的电压区间为310V至600V。因此，直流电源输出电压在310V至600V时，等离子体源101产生脉动信号。 [0058] 从上述描述可知，本实施例提供的等离子体模块产生的脉动信号有触发稳定、信号强烈以及容易调控的优点，明显区别于其他放电模式所产生的直流信号。 [0059] 在本发明的一实施例中，参见图5，该基于空心阴极放电的等离子体开关装置中，信号处理模块20包括：微分放大电路201和滤波电路202。 [0060] 微分放大电路201的输入端和输出端分别与等离子体模块的输出端和滤波电路202的输入端连接。 [0061] 微分放大电路201用于将等离子体模块输出的脉动信号转换为跨越零点的交流信号。滤波电路202用于滤除交流信号中的干扰信号。 [0062] 本实施例中，等离子体源两端输出的信号通过微分放大电路201进行微分处理后接入滤波电路202。 [0063] 其中，等离子体源在自脉冲模式下输出脉动信号中的交流分量经过微分放大电路201后变为跨越零点的交流信号，通过滤波电路202后触发开关40，此时开关40为打开的状态。等离子体源在其他模式下输出的直流信号经过微分放大电路201后无法通过滤波电路 202，对开关40的状态不产生影响，此时开关40为关闭的状态。 [0064] 本实施例还提供了一种具体的微分放大电路，参见图6，包括：放大器601、电容602和电阻603。 [0065] 其中，放大器601的反向输入端与等离子体模块的输出端连接，放大器601的同向输入端与电阻603的一端连接；电阻603的另一端与直流电源的接地端连接；电容602的两端分别连接放大器601的反向输入端和输出端。 [0066] 在本实施例中，滤波电路为滤波电容；滤波电容的两端分别与放大器601的输出端和开关的触发端连接。 [0067] 需要指出的是，只要是能够实现对脉动信号和直流信号进行判断或是区分的电路均可。例如，本实施例中就是直接采用电容来进行区分。电容具有隔直通交的作用，故直流信号不可通过。 [0068] 本发明实施例还提供了一种基于空心阴极放电的等离子体开关装置，在上述实施例的基础上，参见图7，还包括：信号输出模块30。 [0069] 信号输出模块30的输入端和输出端分别与信号处理模块20的输出端和开关40的触发端连接；信号输出模块30用于指示开关40的触发状态。 [0070] 在本实施例中，通过信号输出模块30能够更加直观的了解信号输出模块30是否输出了触发信号。当信号输出模块30输出了触发信号时，信号输出模块30能够接收到该触发信号，并将接收的触发信号转换为使用者能够识别的声、光或电。 [0071] 具体地，信号输出模块30为声电指示器或光电指示器。声电指示器能够将接收的触发信号转换为声信号，通过声信号驱动发声单元，实现声电指示或声电报警。光电指示器能够将接收的触发信号转换为光信号，通过光信号驱动指示灯，实现光电指示或光电报警。 [0072] 本实施例中信号输出模块30采用光电指示器，光电指示器具体为发光二极管。发光二极管的正极与信号处理模块20的输出端连接；发光二极管的负极与开关40的触发端连接。 [0073] 发光二极管发光，表明信号输出模块30输出了触发信号。开关40被触发，开光当前是处于开的状态。 [0074] 从上述描述可知，本发明实施例提供的基于空心阴极放电的等离子体开关装置，能够产生抗干扰能力强且容易调控的触发信号，基于该触发信号触发开关，可以提高被触发的开关的调控准确度。 [0075] 为进一步地说明本方案，本发明实施例还提供了基于空心阴极放电的等离子体开关装置的完整实例，参见图8，具体包含有如下内容： [0076] 等离子体源101由直流电源驱动，等离子体源101两端的电压输出信号通过放大器601进行微分处理后，输出至滤波电容801，直流信号经过放大器601微分处理后无法通过滤波电容801，无触发信号输出，即开关为关闭状态；脉动信号经过放大器601微分处理后变为跨越零点的交流信号，交流信号通过滤波电容801后传出，二极管发光802，即开关为打开状态。自脉冲模式产生的交流触发信号表明开关打开，其他模式产生的直流触发信号表明开关关闭。 [0077] 为进一步地说明本方案，本发明实施例还提供了基于空心阴极放电的等离子体开关装置的具体应用例，具体包含有如下内容： [0078] 调整等离子体源所处环境的气压、等离子体源电极间距以及等离子体源电极的电压均会改变自脉冲现象所出现的电压区间。通过调整等离子体源的电压、气压、电极间距来调控等离子体源自脉冲现象出现的电压区间，进而调控开关的状态。 [0079] 下面对等离子体开关装置的应用场景进行阐述： [0080] (1)等离子体开关装置可以用作一种电压控制开关，空心阴极的自脉冲现象只有在特定的电压范围内才会出现，可以调控等离子体电极的电压，使等离子体源产生自脉冲现象，用作电压控制开关，超出预设电压范围，自脉冲现象消失，开关关闭。或者是将等离子体开关装置作为一种电压触发式开关，将等离子体源的自脉冲幅值最大点对应的电压设置为特定电压值，并为其设定阈值，在电路电压发生改变时，如果达到阈值，则信号输出，开关打开，执行相关命令。 [0081] (2)等离子体开关装置可以用作气压控制开关，不同气压下等离子体源产生自脉冲现象的电压区间不同，且脉动信号的频率也会变化，根据这种现象可以将等离子体开关装置应用到气压检测领域，可以用于检测设备漏气、调控气压等。 [0082] (3)等离子体开关装置可以用于机械控制式开关，等离子体源的电极间距改变也会改变其自脉冲现象出现的电压区间，采用可移动式阴极，阴极后安装旋钮进行间距调节，通过调控间距到达特定间距产生脉动信号，脉动信号达到阈值，开关关闭，进而锁死间距，可以用于机械阀门控制、升降平台等领域。由于空心阴极只有在特定电极间距范围内才能出现自脉冲现象，还能用于保险柜、密码锁等简易保密装置。 [0083] (4)等离子体开关装置可以用于限制相关电路或装置其电压、气压以及机械零件的活动范围，由于从自脉冲模式进入汤森放电模式和辉光放电模式的变化是不同的，可以据此设置相应的负反馈电路或负反馈程序，设置所需参数处在自脉冲幅值最大点处，当所需参数偏离预设时，负反馈程序监测自脉冲信号，进行判断后执行预设程序，使其恢复至预设值。 |
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