基于莫尔偏折的弓网电弧等离子体参数研究-胡海星.pdf

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1、国内图书分类号：TM501国际图书分类号：6213西南交通大学研究生学位论文密级：公开年 级 三Q二四级姓 名 胡连星申请学位级别 王堂亟专 业 电氢工猩指导老师 奎查菡塾援二。一七年四月万方数据Classified Index：TM501UDC：6213S outhwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisRESEARCH ON PLASMA PAR AMETERS OFfANTOGRAPHCATENARY ARC BASED ONMOIRE DEFLECTOMETRYGrade：Candidate：Academic Degree Applied

2、 for：Speciality：Supervisor：2014Hu HaixingMasterElectrical EngineeringProfLi Chunmao万方数据西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密口，在 年解密后适用本授权书；2不保密d使用本授权书。(请在以上方框内打“寸)学位论文作者签名：胡掘霍 指

3、导老师签名日期：劲17sI 1 日期：砌lII万方数据西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1从理论分析的角度，阐述了莫尔偏折诊断技术的基本原理，推导了相关的理论计算公式。基于模拟场的重建结果，比较分析了不同算法的准确性和误差范围。建立了等离子体物理方程，确定了电弧等离子体的折射率与温度和电子密度之间的对应关系；2搭建了莫尔偏折光学诊断系统，实现了实验平台um量级的空间分辨率。针对莫尔图像的处理，分别利用条纹骨架提取法和傅里叶变换法提取了相位差分布信息；3探测了燃烧蜡烛的温度场，与相关文献数据进行了对比，验证了该诊断方法的正确性。以小电流下的交流

4、电弧等离子体为研究对象，重建并分析了温度场的分布规律及其原因。诊断了弓网电弧等离子体，揭示了其温度和电子密度的分布，并探究了不同输入电流条件下的变化规律；4采集了弓网电弧等离子体的辐射光谱，基于软件模拟的方法，得到了电弧等离子体的温度，与莫尔偏折诊断的结果进行了对比。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：古柏|晷日期：为11SI 1万方数据西南交通大学硕士

5、研究生学位论文 第1页摘要由于列车运营速度的不断提高、弓网离线频率的不断上升，导致了弓网之间的空气击穿、产生弓网电弧的现象愈加频繁。弓网电弧是一种处于开放环境下的，具有明显高温度、高能量特性的热等离子体，与其他电弧等离子体有着本质的区别。弓网电弧的产生一方面给铁路通信系统带来了严重的电磁干扰；另一方面，产生的高温加速了滑板的磨损和导线的软化变形，极大地缩短列车弓网接触副的服役寿命，更严重者会造成接触网的断线，威胁列车的安全稳定运行，因此对弓网电弧进行深入系统地研究具有重要意义。目前弓网电弧的研究手段比较单一，电弧等离子体的内部参数还有待揭示。而光学诊断技术具有装置简单，对被测对象无干扰等显著的

6、优点。因此基于光学的诊断技术，对弓网电弧等离子体的内部参数特性进行深入研究，有助于完善弓网电弧研究手段和分析理论体系，为降低弓网电弧危害、提高弓网服役性能、推动高速铁路发展提供科学的依据。本文基于莫尔偏折光学诊断技术，阐述了其基本原理、推导了相关的理论计算公式。根据模拟场的重建结果，比较分析了不同重建算法的准确度。通过建立的等离子体物理方程，确定了折射率与温度和电子密度之间的对应关系。搭建了莫尔偏折诊断系统，推算了实验平台空间分辨率。针对莫尔图像的处理，分别论述了条纹骨架提取法和傅里叶变换法的原理与流程。重建了蜡烛的燃烧温度场，验证了实验诊断方法与数据处理的正确性。以小电流下的交流电弧等离子体

7、为对象，研究并分析了温度场的分布规律与原因。对弓网电弧等离子体进行了诊断，揭示了其温度与电子密度的分布，并探究了不同输入电流条件下的变化规律。最后，采集了弓网电弧等离子体的辐射光谱，仿真得到了电弧等离子体的温度，从而验证了莫尔偏折诊断结果的正确性。关键词：弓网电弧；莫尔偏折；折射率；电弧温度；电子密度；辐射光谱万方数据AbstractThe phenomenon of pantograph-catenary(PC)arc produced by air breakdown isincreasingly frequent due to the continuous increase of tra

8、in speed and offline rateThereare essential differences between PC arc，that has the characteristics of high temperature andenergy in the open environment，and other arcIt brings electromagnetic waves to interferethe railway communication and high temperatures to accelerate pantograph slide wear andma

9、ke wire deformation，which greatly shorten the service life of pantograph slide andcatenary wire and threaten the safe operation of the trainThere is no doubt that indepthstudies have important significance about PC arcHowever the research methods of PC arcare not rich and internal parameters of arc

10、plasma have yet been revealedThe opticaldiagnostic techniques have advantages of simple apparatus and no interference to the objectbeing measuredTherefore，the internal parameters of PC arc are researched by the opticaldiagnostic techniques，which is helpful to perfect the research means and the analy

11、sis theorysystem of PC arc and provide scientific bases for reducing the harm of PC arc，improvingservice performance of PC and developing high-speed railwayIn this paper,frstly the basic principles were expounded and related formulas werederived based on moire deflectometryThe different algorithms w

12、ere compared and theerrors were calculated by reconstructing simulated fieldThe corresponding relationshipsbetween the refractive index and internal parameters of plasma were established by solvingthe physical equations of plasmaThe experiment platform of moire deflectometry was setup and the spatia

13、l resolution Was calculatedThe fringe skeleton extraction method andFourier transform method were both elaborated for the moire image processingThe method and data processing were verified by reconstructing temperature field ofcandleBesides the distribution laws of temperature of AC arc plasma of lo

14、w current wereresearched and the reasons were analyzedIn addition the distributions of the temperatureand electron density of PC arc plasma were revealed by diagnosingFurthermore，laws wereexplored under the condition of different input currentsFinally,the temperatures of the arC plasma were got by s

15、imulated based on radiationspectrum collected，SO as to verify the validity of the moire deflectometry万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1II页万方数据目 录摘要IAbstractII第1章 绪论一111研究背景及意义112等离子体诊断方法2121探针法2122发射光谱法3123光学干涉法413国内外研究现状8131弓网电弧研究现状8132莫尔偏折研究现状814论文的研究内容9第2章 莫尔偏折的原理1 121莫尔偏折的理论基础1 1211莫尔条纹的产生一11212折射率的推导1222折射

16、率的重建14221代数重建法14222 Abel逆变换1 5223模拟场的重建1 723等离子体折射率与温度的关系1 9231格拉斯通戴尔公式19232 Saha方程2024本章小结22第3章 实验平台与数据处理2331实验平台23311实验装置一23312实验步骤一24313尺寸的标定一2532电弧的产生方式25321交流电弧一25万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页322弓网电弧2633图像数据处理28331条纹骨架法28332傅里叶变换法一3 134本章小结32第4章 实验结果3341蜡烛温度3342交流电弧温度3543弓网电弧温度3644光谱测温结果对比3945本章小结40结

17、 论42致 谢43参考文献44攻读硕士学位期间的研究成果48万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第!更11研究背景及意义第1章绪论相比较于公路、水路和空运等运输模式，铁路运输系统具有运行速度快、运载能力强、能源效率高、运输成本低、安全舒适度好、坏境污染少等方面的显著优点，因此也成为了世界各国竞相发展的对象【11。在1964年开通的日本东海道新干线是世界上第一条高速铁路，总的运营里程为515 km，列车的运行时速为210公里，全程耗时仅3小时。新干线的投入运营也掀起了世界高速铁路发展的潮流，随后欧洲的法国、意大利、德国、西班牙也相继在1981年到1992年间发展和开通了自己的高速列车与铁路【

18、2】。1983年，法国修建完成了巴黎至里昂的国内第一条高速铁路，运营的TGV高速列车时速达到了270公里；1985年，德国开始了最高时速达345公里的高速列车实验；1988年，德国ICE成为全球首列时速达到400公里的高速列车；2007年，法国的TGV创下了试验运行时速达到5748公里的世界纪录31。而对于我国幅员辽阔、人口众多、资源分布不均、地区经济发展不平衡的特殊国情，铁路在我国的交通运输体系中，一直发挥着骨干作用，高速铁路的发展不仅增加了就业，而且还对工业的发展起到了带动和促进作用【4J。我国的高速铁路从2002年开始建设，经过短短10多年的时间，取得了飞速的发展。在2010年8月1日建

19、设完成并投入运营的京津城际高速铁路，是我国第一条具有完全自主知识产权、世界一流水平的高速铁路，全长约113公里，是我国首条时速达到300公里以上的高速铁路客运专线。2011年6月30日，我国投资规模最大，技术含量最高，也是世界上一次建成里程最长的京沪客运专线开通运营，全长1318公里，设计时速380公里。并于2010年12月3日，在枣庄至蚌埠间的实验段上创造了时速4861公里的列车运营实验最高速度。2016年由我国自行设计研制、全面拥有自主知识产权的中国标准动车组在郑徐高铁线路上以420公里的时速进行交会，刷新了世界最高动车交汇速度记录。至2016年底，中国铁路运营里程达到124万公里，其中高

20、速铁路的运营里程超过22万公里，占全球高速铁路运营里程的65以上。高速列车在运行的过程中，通过位于车辆项部的受电弓和列车轨道上架设的接触网进行滑动接触来获取电能，从而维持电力机车的正常运行，这一过程称之为列车的受流【5J。受电弓与接触网(简称弓网)系统是电力机车能量系统供给的重要部分，良好而稳定的弓网关系是高速列车安全可靠运行的重要保障。弓网关系已经和轮轨关系、流固关系并称为铁路安全运行的三大核心关系，严重制约着电气化铁路的发展，限制着高速铁路运营速度的进一步提升16J。随着高速动车组运行速度的不断提高，由于接万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页触网导线的不平顺、接触网和受电弓头的振

21、动、轨道不平顺等因素造成了弓网之间脱离滑动接触而产生分离的现象，称为弓网离线，由此导致了弓网之间的空气被击穿、产生电弧的现象频繁发生【7J。弓网电弧是一种处于开放环境下的，具有明显高温度、高能量特性的热等离子体，其影响一方面会带来强烈的谐波与电磁辐射，对车载牵引系统、铁路沿线的供电与通信系统带来严重的过电压和电磁干扰；另一方面，产生瞬时的高温传导到接触网导线与受电弓滑板上，使导线软化变形的同时也加速了滑板磨损，极大得缩短了电力机车弓网接触副的服役寿命，更严重者会造成电力接触网断线，因此严重威胁着列车的运行安全。所以对弓网电弧进行深入系统地研究分析，有利于保障高速列车稳定安全运营，对于铁路运输系

22、统和国民经济的发展具有重要意义。图11受电弓与接触网 图1-2烧蚀的滑板表面综上所述，本文基于光学诊断技术对弓网电弧的内部参数特性进行深入系统地探究，分析电弧等离子体的关键特征参数，有助于完善弓网电弧等离子体的研究手段与理论分析体系。阐明不同条件下电弧关键行为特性影响的作用规律，为相关仿真模型的建立和验证提供确切的数据支持，为降低弓网电弧危害、提高弓网服役性能、推动高速铁路发展提供科学依据。12等离子体诊断方法等离子体的诊断方法可以分为接触式和非接触式两类。接触式的方法主要是静电探针(Langmuir探针)。而非接触式的诊断方法则包括发射光谱诊断法和光学干涉法世亍0121探针法Langmuir

23、探针是最早被用于测定等离子体参数特性的一种诊断工具，图1-3是Langmuir探针测试原理图。通过探针测得等离子体的伏安特性(卜，)曲线，基于下万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页面公式，可以得到等离子体的密度M和电子温度疋等重要特性参数【8】乏=甜警 (1-1)M=厶(甜Z2amj) (1-2)式中e为电子的电荷量，而为测量的最大饱和电流，S为探针暴露的表面积，m，为离子的质量。等离子体图13静电探针原理图Langmuir探针诊断法虽然测量的原理和装置结构十分简单，但这种接触式的诊断方法需要侵入被测对象的内部，不可避免地会对等离子体产生干扰，同时测量结果的空间分辨率低，难以实现一次

24、测量得到全场的信息。并且探针的应用还受到温度的限制，一般只用于低温等离子体的诊断。122发射光谱法电弧等离子体的内部含有大量处于复杂运动状态的带电粒子，这些粒子时刻向外辐射出多种形态的电磁波，而这些辐射出的光谱中隐含着等离子体内部状态的丰富信息。辐射光谱法主要是通过测量等离子体的谱线轮廓、连续谱线强度和谱线宽度等特征量，推测出等离子体的温度、密度、元素成分以及电离的状态等信息【91。根据同元素的多条分立谱线，通常采用“两线法或“多线法求取等离子体的温度T信息 量：盟P一警(13)厶 4办屹92，g等一半n C1 4，万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页式中彳、1，、小E分别表示谱线的

25、强度、跃迁几率、谱线的频率、统计权重和激发能，不同的下标分别对应着两条不同波长下谱线的参数；h、k、不A分别是普朗克常数、玻尔兹曼常数、振子强度和谱线的波长，CJ表示常数。光谱诊断法除了具有实验原理简单，同时还具有对被测对象不产生干扰，能够对瞬态的物体进行诊断，并且还可以测量任何尺寸的等离子体等诸多优点。但是实验装置成本高，而且也无法一次测量就能对被测场的全貌进行重建，而是只能得到单点位置的信息。123光学干涉法光学干涉法包括了阴影法、纹影法、激光散斑照相法、泰伯(Tablot)干涉法、莫尔偏折法、马赫一增德尔(MZ)干涉法、全息干涉法、差分干涉法(纹影干涉法)、迈克逊干涉法等。从原理上讲，光

26、学干涉诊断方法都是只能测量得到等离子体的折射率分布信息，然后根据求解和建立等离子体的折射率与温度、密度等相关物理参量之间的对应关系，最后反演出待测对象的内部参数信息【l。光束在相位物体中传播，由于物体的折射率场呈现出不均匀性，会导致光线产生两种不同的变化：一是光线的方向发生了偏转，二是光线的相位发生了改变【121。光学干涉诊断法正是通过考察光线产生的偏折角或者光程差来推导出被测对象的折射率分布。基于这两种不同的特性来重建待测场的方法，可以将上述的光学诊断方法分成两类：一类是通过考察光线在相位物体中产生的偏折角来反演等离子体的温度和成分等信息，如阴影法、纹影法、激光散斑照相、泰伯干涉和莫尔偏折法

27、等；另一类则是通过考察光线产生的相位差，而认为在物体传播的过程中光线的方向没有发生偏移，如马赫增德尔干涉、迈克逊干涉、全息干涉和差分干涉等。1阴影、纹影法【13l阴影法是实验装置最简单的一种光学干涉诊断方法，其实验装置原理如图14所示。光源S发出的光束通过透镜Ll和L2的扩束和准直后，经过待测的等离子体，最后由透镜L3、L4组成的“铲成像系统，将等离子体处的像呈现在相机中。在透镜Ll和L2的焦点处，安装放置了光阑D，其作用是使扩束准直后的光线保持平行的状态141。阴影法和纹影法对光源的要求都不高，纹影法是在阴影法实验装置的基础上，在透镜L3和L4的焦点处增加一个刀口，用来对光线进行切割。阴影法

28、是根据待测场对平行光线产生的扰动，导致了成像上灰度分布的不均匀，来考察光线的偏折量；而纹影法则是通过成像上光强的分布来判别投影图像上的位移1151。阴影法反应的是被测折射率场的二次导数，而纹影法反应的则是折射率的一次导数。因此，通常情况下这两种方法只用于对被测场进行定性地分析研究，常用于密度或者温度梯度大的研究对象6，17J。而在此基础上出现了一种新的纹影技术，能够对被测物体进行定量地分析，其中包括万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页了彩色纹影技术【18】和背景纹影技术【191。SL2 L3LlT、Lu ， _。方一一。 爱 I 砂 。_、1她I图1-4 l弱影法原理图2激光散斑照相

29、法激光散斑照相法【201分为了散斑的记录和再现两个过程，记录部分的实验装置原理如图15所示，其中S表示漫射板，P为记录的离焦平面，HP是全息干板。当平行相干的探测光束照射到漫射板的表面时，产生了无数相位差随机的相干光束，在空间形成明暗不均的散斑。由于待测场的折射率存在梯度使光束的方向发生偏转，散斑在空间上产生了特定的位移，将散斑位移记录在全息干板上，形成了散斑图。通过散斑图的再现可以建立干涉条纹间距P与偏折角伊之间的关系【2l】口：型L (15)口= LI一)夕。PMd式中A为激光的波长；三为散斑再现时散斑图到观察屏的距离；M为成像透镜L3的放大率：d为漫射板到离焦平面的距离。d P图15散斑

30、干涉记录原理图散斑照相法具有对周围环境的振动不敏感，诊断灵敏度高，并且不需要预先知道等离子体的温度方向等优点。但是散斑图的位移数据需要进行逐点分析，同时由于晕轮效应，条纹的宽度需要进行后期的校正，并且该方法不能对被测的物体进行在线诊断和测量【1 41。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页3MZ干涉法MZ干涉法是一种应用较为广泛和经典的干涉方法22,231。如图16所示，MZ干涉法主要由两片分光镜和两片反射镜组成。探测光束在分光镜BSl处分成了两条光束，其中一条光束经由平面镜Ml反射后，直接到达分光镜BS2处，称为参考光束；另一条光束经过待测的相位物体后，由平面镜M2反射到达分光镜BS

31、2处，与参考光束叠加产生干涉条纹，称之为探测光束。当存在被测的等离子体时，由于等离子体的扰动，图像中的干涉条纹产生了畸变，畸变量h与两条光束之间产生的光程差lf，满足如下的关系沙：2nh (1-6)P式中的P为两相邻干涉条纹之间的间隔距离。图l-6M-Z干涉原理图MZ干涉法诊断的范围广，测量的精准度高。但对周围环境的振动比较敏感，同时对激光器的单色性要求比较高，因此该方法的实验装置复杂、设备成本高，实验操作调试难度大。4全息干涉法MZ干涉法是一种从空间上对光束的振幅进行分割的方法，而全息干涉法则是从时间上对光束进行分割。同时，Mz干涉法考察的仅仅是光束的相位差，反应的是折射率本身，而全息干涉法

32、既有光束的相位信息又有振幅信息，反应的是折射率和待测场的立体信息【24】。全息干涉法可以分为二次曝光全息干涉、实时全息干涉和数字全息干涉。图17为双曝光全息干涉【251的原理图。与MZ干涉法类似，将激光器产生的光束进行分割，一束经过待测场，另外一束作为参考光路，最终在全息板上叠加产生干涉条纹。在全息干板上进行两次曝光，一次不存在待测的对象，为原始全息图；第二万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页次存在待测的相位物体，产生畸变的干涉全息图，全息干涉法的原理和数据处理过程与MZ干涉法一致。图l-7全思干涉原理图全息干涉诊断技术具有探测信息丰富，可以方便得实现三维测量，光路的结构简单，实验

33、设备成本低等优点。但也存在对振动比较敏感、环境要求较高等的不足。5差分干涉法差分干涉法【26】的装置原理如图1-8所示，激光光束经过透镜Ll、L2扩束准直后，由透镜L3聚集到干涉仪组件上。干涉仪组件包括了偏振片P卜P2和渥拉斯顿棱镜W，其作用是将入射光线分成强度相同、振幅方向相互垂直的两束光线，最终在相机中形成干涉条纹图像。差分干涉的计算方法与MZ干涉和全息干涉相同。L2 L3PO一一-一一图1-8差分干涉原理图相比于M-Z干涉和全息干涉，差分干涉对环境的振动不敏感，实验装置简单，调试方便，但测量的精度低于前两种干涉法。莫尔偏折法是一种将莫尔原理与泰伯效应相结合的诊断方法，同纹影法一样，反映的

34、是折射率的一次导数。纹影法只能用于定性地分析，而莫尔偏折法可以进行准确的定量测量，是纹影诊断方法的一种优化。相比其他光学干涉法，莫尔偏折诊断方法具有对周围环境振动不敏感，抗干扰能力强，分辨率高，实验装置简单、成本低等显著的优点，因此本文采用莫尔偏折光学手段对弓网电弧等离子体进行诊断。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第墨亟13国内外研究现状131弓网电弧研究现状随着电力机车技术和铁路运输系统的快速发展，国内外专家学者对弓网电弧开展了大量深入地研究，其中主要集中在电弧的产生与影响机制、弓网电弧的特性参数以及电弧的危害和抑制措施等方面。SMidya27】等人在盘销式弓网电弧模拟系统中进行了大

35、量实验，分析了弓网电弧弧根的运动规律以及各种电气参量对电弧的影响机制。AMariseotti28】等人通过在列车内架设天线，对弓网电弧产生的电磁波进行了采集，利用时域和频域分析的手段，揭示了弓网电弧产生的电磁噪声具有较宽的频带，会对列车的通信系统造成信号干扰。LMorin29】等在电弧的研究中分析了电路的负载特性对电弧能量的影响，实验研究了阻性负载与感性负载回路中电弧能量的变化规律，结果表明在感性负载情况下，电弧的能量明显高于阻性负载回路中的电弧能量。MTKuo【jUJ提出了使用磁性元件的物理特性来改善弓网之间的关系，通过构造模型来模拟弓网离线现象，同时分析电弧产生的频率，指出该方法能够显著地

36、减少弓网的离线率与电弧产生的频率，从而有效降低弓网的磨损。国内的郭凤仪31,32】等人研制了弓网滑动电接触实验平台，研究分析了电弧对导线和滑板材料的电侵蚀作用，同时通过建立噪声实验系统，对弓网电弧产生的辐射电磁噪声进行了分析，指出增大回路的电流，产生的噪声分布变得密集；而增大接触的压力或者滑动速度，噪声先疏后密。杨志鹏【33】等基于弓网电弧模拟发生装置，测试了动态电弧和静态电弧对系统电压和电流的影响，并对其谐波进行了分析，结果表明谐波成分主要在500 Hz以下。吴积钦【34】依据瞬态热传导理论，利用MATALAB软件建立了弓网电弧烧蚀模型，分别对静止和运动电弧下的接触线热过程进行了仿真计算，发

37、现静止电弧对导线烧蚀作用更强，同时运动电弧的速度越高，侵蚀程度越弱。吴广宁【35-381等基于自行搭建的弓网电弧实验系统，通过实验模拟与模型仿真的手段，分别从弓网电接触特性、电弧的形态特征与电气参量、电弧的物理模型等多方面对弓网电弧的产生、变化机理进行了深入系统的研究与分析，同时对电弧危害的抑制措施进行了初步的探索。132莫尔偏折研究现状目前还未见有利用光学手段对弓网电弧的内部特性参数进行研究诊断的相关文献和报道，但莫尔偏折这种光学测量技术在气体、流体以及等离子体等方面的诊断已十分成熟和普遍。GLJuste391基于莫尔偏折技术，对细微通道内的温度场进行了测量，推算出了局部的热传递系数，并利用

38、热电偶测量的温度结果来进行验证和对比，认为万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第9页该方法装置简单，适用于温度场的诊断。JCValenzuela40J搭建了一套结合莫尔偏折与纹影法，时间和空间分辨率分别为12 ps和50耻的实验装置，对毛细管放电等离子体进行了探测，最终得到了电子数密度和压缩波的速度等信息，指出莫尔偏折技术具有灵敏度和空间分辨率可调节，装置简单，对机械振动不敏感等优点。FSMeidaIlsh枷【4l】利用莫尔偏折技术诊断了大气环境下的电弧等离子体，得到了清晰莫尔条纹图像，通过提取条纹骨架对数据进行了处理，最终得到电弧的温度和电子密度分别为1 111 K和337X 1016

39、cm。KJamshidighaleh42】和STrivedi431同样基于该技术，分别对糖在纯水中的扩散系数和透镜的焦距进行了测量，表明该技术适用的范围广泛。JRuizc锄acho【删以Z箍缩等离子体为对象，分别通过莫尔偏折与迈克逊干涉法进行了诊断，认为迈克逊干涉法能探测更高密度的等离体子，但是莫尔偏折法有着更高的灵敏度。JNLee45】在莫尔偏折装置中，采用单色发光二极管代替了常用的激光器，分别对恒温加热的平板、灯泡和蜡烛展开了测量，得到的结果与热电偶测量相比误差小于5。国内早期高益庆【4酬、王鸣1471分别基于莫尔光学技术对电弧等离子体和气体的温度场进行了测量。高益庆【461、闫大鹏【48

40、】和李田泽149】分别采用了多光路和旋转被测物体两种不同的方法对非对称的待测对象进行了三维场的重建。南京理工大学的贺安之团队H8,50,511搭建了大El径的莫尔偏折诊断平台，对超高音速激波的非对称流场、火箭喷焰和氩弧等离子体等不同类型的流体场对象进行了探测。宋耀祖【52J等基于莫尔偏折原理搭建了空间分辨率达46岬量级的诊断平台，对微细尺度流体的温度场进行了测量。王琛【53】利用软X射线代替激光光束探针了激光诱导等离子体，得到了稠密等离子体的电子密度量级为1021 cm。综上所述，弓网电弧作为一种处于开放大气环境下的电弧等离子体，相比于其他等离子体，有着自身独特的区别。因此通过借鉴已经普遍运用

41、在气体、流场等探测的莫尔偏折诊断技术，对弓网电弧等离子体进行诊断是很有研究意义和价值的。14论文的研究内容目前弓网电弧的研究手段和分析方法比较单一，并且还尚未深入地对其内部的参数进行探测。因此，为了完善弓网电弧等离子体的研究手段和理论分析体系，揭示其内部的物理特性，本文的主要研究工作如下：第一章：本章简单叙述了国内外高速铁路发展历程，同时论述了良好的弓网关系对于促进铁路运输发展的重要性，表明了弓网电弧研究的重要性；归纳总结了等离子体诊断的方法和原理以及各自的优缺点；从弓网电弧和莫尔偏折两个方面，叙述了其国内外的研究现状。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0页第二章：本章从物理分析的

42、角度，阐述了莫尔偏折诊断技术的测量原理并推导了相关的计算公式；基于建立并反演折射率场的结果，比较了不同重建算法的准确度，通过误差分析，表明算法满足实验的要求；分析等离子体内部参数特性，建立了等离子体的物理方程，确定了其折射率与内部参数之间的对应关系。第三章：本章详细地描述了莫尔偏折的实验平台和实验操作步骤；介绍了电弧等离子体的产生方式，同时给出了典型的电气特性参数；对于莫尔条纹图像的处理，分别阐述了条纹骨架提取法和快速傅里叶变换法的原理和处理流程。第四章：本章基于莫尔偏折光学实验平台与图像处理方法，首先对燃烧的蜡烛温度场进行了探测，并与相关的数据进行了对比，初步表明该方法的可行性与准确性；以小

43、电流下的交流电弧等离子体为研究对象，重建并分析了温度场的分布规律及其原因。诊断了弓网电弧等离子体，揭示了其温度和电子密度的分布，并探究了不同输入电流条件下的变化规律；最后利用发射光谱测温法，对弓网电弧诊断的温度场进行了验证。万方数据第2章莫尔偏折的原理2I莫尔偏折的理论基础2l1莫尔条纹的产生肋 量二dj由于光栅栅线的夹咖卜般近似慨2sin(秒加2)跏，所以 (2-1)n- 芦尝嚣图位琦意相瓤示妁醚转靴两偏麴确燕毗鞭逊，一涤蝴象光纠距万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第12页X ymi+lmi+2图2-2冥尔条纹的形成当存在待测对象，光线发生偏折时，光栅G2上叠加产生的莫尔条纹发生了如图

44、所示的畸变。畸变的莫尔条纹在z轴方向上产生了位移量办(x力，与光线在Y轴方向的偏折角妒(x满足如下的关系缈(y，z)=等=詈等=知 亿3，式中弘为图21中光栅Gl的自成像在光栅G2中投影的偏移量。从公式中可以看出，莫尔偏折光学诊断技术的基本原理是，将探测光束经过相位物体后产生的微小偏折角，放大转化成莫尔条纹的偏移量。因此可以通过改变光栅之间的间隔距离d，来调节放大的倍数以适应不同偏折程度的被测对象。212折射率的推导通过画出光线经过相位物体路径的示意图，来分析和推导产生的偏折角与相位物体折射率之间的关系【1。如图23所示，假定光束，、乃在沿X轴方向上传播，并且认为在传播方向上的微小距离内，相位物体的折射率是保持不变的，光束在某时刻到达了A平面处。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 3页图23光线经过相位物体示意图由于两条光束，、，1在不同的J，轴处，因此所处位置的折射率分别为刀和刀l。在A平面经过T的时刻后，光线，和Zl到达了B平面处。根据光线的传播速度与折射率之间的关系cD_c伤，两条光线经过的路径有如下表达式Ax=二丁 (24)a2x=c(i一!)丁-CA(L)AT：一栉缸(三)(2-5) n 聆 刀由于(p的角度很小，因此妒州捌：万A2x萼血 亿6，将方程(26)改写成下式微分的形式dr