专利名称：电感耦合式高频无极灯仿真装置及方法
技术领域：
本发明属于照明工程，具体涉及一种电感耦合式高频无极灯仿真装置及方法。
背景技术：
目前，无极灯生产厂商在无极灯新品开发过程当中采用传统的研制方法，即以实物实测试验为主，当对某些设计参数进行试验或验证时，无极灯不易启辉，甚至控制装置损坏，开发成本过高。另外，无极灯的实物实验不能容易的修改参数以及观测状态，某些参数不能在线调节。由于实物测试方法的局限性以及多物理场共存与转换和光、电、磁参数的分散性，无极灯工作情景不易再现，各项指标不易准确把握，使得无极灯工作状态与理论指标相差较大。适合于无极灯实际研发的新方法没有见过有关报导，属于空白情况。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种电感耦合式高频无极灯仿真装置及方法，以达到降低无极灯开发成本、加快开发进展速度、缩短研制周期、减小工作状态与理论指标相差的目的。
一种电感耦合式高频无极灯仿真装置，包括数据输入模块、第一数据采集模块、几何建模模块、物理耦合\化学反应模块、网格剖分模块、计算求解模块、数据输出模块、环境因素输入模块、第二数据采集模块、参数优化器和最优值输出模块，其中，数据输入模块:用于设置无极灯的几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间，并将参数递送至数据采集模块；数据采集模块:用于采集用户输入的数据，并将泡体几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数和耦合棒长度发送至几何建模模块，将初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间发送至物理耦合\化学反应模块，将功率、频率和电压发送至网格剖分模块；几何建模模块:用于根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型，并将几何模型数据发送至网格剖分模块；物理耦合\化学反应模块:用于确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合，并将物理耦合信息与化学反应信息发送至网格剖分模块；网格剖分模块:用于根据几何建模模块建立的无极灯泡体几何模型，建立求解域，根据多物理场耦合以及泡体内化学反应在求解域内进行网格剖分，并将划分好网格的几何模型发送至计算求解模块；计算求解模块:采用有限元数值分析的方法，在求解域内对无极灯进行多物理场耦合仿真，对6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行计算求解，并将求解后的上述数据发送至数据输出模块；数据输出模块:用于采集计算求解模块输出的数据，并输出仿真结果至第二数据采集模块；环境因素输入模块:用于设置点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度三个环境参数，并将上述参数发送至第二数据采集模块；第二数据采集模块:用于对环境因素以及数据输出模块输出的数据进行采集，并输入到参数优化器中；参数优化器:用于采用人工神经网络和遗传算法对无极灯的点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度、6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行优化选取，获得无极灯工作在最优状态下的功率因数校正电路的电压设定值、高频谐振逆变电路的频率设定值；最优值输出模块:用于采集并输出参数优化器计算求得的功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值，并发送回第一数据输入模块作为用户下次仿真的参考数据。采用一种电感耦合式高频无极灯仿真装置进行仿真的方法，包括以下步骤:步骤1、采用数据输入模块输入用户所需的无极灯的几何形状、泡体直径、耦合线圈直径、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间；步骤2、采用几何建模模块根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型；并采用物理耦合\化学反应模块确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合；步骤3、根据几何建模模块建立的无极灯泡体几何模型，建立求解域，根据多物理场耦合以及泡体内化学反应在 求解域内进行网格剖分，并根据用户要求的计算精度，对网格剖分进行修改，细化或者粗化任意位置的网格数目和大小；步骤4、采用有限元数值分析的方法对泡体求解域进行仿真运算，获得G3P1态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度；步骤5、用户根据所在环境因素输入相关数据，包括点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度；步骤6、采用人工神经网络和遗传算法，结合环境因素和输出数据对无极灯功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值进行优化，所述的输出数据包括6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度，同时生成直观的图像和报表，获得无极灯最优状态下的功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值；步骤7、根据仿真装置输出的6 态萊原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布和电流密度判断仿真结果是否符合用户要求，若符合则投入实际研发与生产；否则，确定输出期望值与实际输入数据相比误差最大的参数进行修改，并同时确定环境因素中点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管三个因素中与实际偏差最大的量进行调节，返回执行步骤2，直至符合用户要求为止。本发明优点:本发明一种电感耦合式高频无极灯仿真装置及方法，基于数学物理和化学方程和有限元数值分析模型，在Comsol (Comsol Multiphysics)上实现高频无极灯电、磁、等离子等多种物理场的建立、实现、优化指导无极灯产品的研究与开发；应用机理模型和计算机仿真指导无极灯的研究与开发，降低研制成本，缩短研制周期，提高研制质量，实现计算机全程辅助无极灯开发过程；基于Comsol的无极灯光、电参数仿真平台使无极灯产品的研制过程，让无极灯的开发过程从仿制、实物实验、数据积累的过程中走出来，降低了成本，缩短了周期，提高了质量，为无极灯批量生产提供了可靠的技术保证。
图1为本发明一种实施例的整体结构框图；图2为本发明一种实施例的电感耦合式高频无极灯仿真装置示意图；图3为本发明一种实施例的一种电感耦合式高频无极灯仿真流程图；图4为本发明一种实施例的开灯Hg的发射光谱图；其中，Ca)为开灯IOminHg的发射光谱图；(b)为开灯0.5minHg的发射光谱图；图5为本发明一种实施例的无极灯有限元网状图；图6为本发明一种实施例的人工神经网络的应用示意图；图7为本发明一种实施例的人工神经网络建立数学模型的工作原理示意图；图8为本发明一种实施例的功率因数校正电路回路控制示意图；图9为本发明一种实施例的闻频逆变电路回路控制不意图；图10为本发明一种实施例的等离子体参数验证电路图；图11为本发明一种实施例的comsol工艺数据输入输出示意图；图12为本发明一种实施例的电感耦合式135W高频无极灯Hg离子质量分数与相关参数的关系曲线，其中，(a)为Hg离子质量分数与功率关系曲线，(b)为Hg离子质量分数与温度关系曲线，(c)为Hg离子质量分数与气体压力关系曲线，(d)为Hg离子质量分数与频率关系曲线，Ce)为Hg离子质量分数与初始电子密度关系曲线；图13为本发明一种实施例的电感耦合式135W高频无极灯仿真装置输出图像，其中，(a)为质量分数示意图，(b)为磁通密度示意图，(C)为电势示意图，Cd)为电流密度示意图，Ce)为电子密度示意图，Cf)为电子温度示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。一种电感耦合式高频无极灯仿真装置，如图1所示，包括数据输入模块、第一数据采集模块、几何建模模块、物理耦合\化学反应模块、网格剖分模块、计算求解模块、数据输出模块、环境因素输入模块、第二数据采集模块、参数优化器和最优值输出模块，其中，用于设置无极灯的几何形状(橄榄形、梨形、环形、球形)、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间，并判断上述参数的计算机语法规则，若参数符合语法规则，则将参数递送至数据采集模块，如果数据参数不合法，则提示报警信息；数据采集模块用于采集用户输入的数据，并将泡体几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数和耦合棒长度发送至几何建模模块，将初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间发送至物理耦合\化学反应模块，将功率、频率和电压发送至网格剖分模块；几何建模模块用于根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型(泡体形状、泡体直径、耦合线圈直径、耦合棒长度)，并将几何模型数据发送至网格剖分模块；物理耦合\化学反应模块用于确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合，并将物理耦合信息与化学反应信息发送至网格剖分模块；网格剖分模块用于根据几何建模模块建立的无极灯泡体几何模型，建立求解域，根据多物理场耦合以及泡体内化学反应在求解域内进行网格剖分，并将划分好网格的几何模型发送至计算求解模块；计算求解模块采用有限元数值分析的方法，在求解域内对无极灯进行多物理场耦合仿真，对S3P1态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行计算求解，并将求解后的上述数据发送至数据输出模块；数据输出模块用于采集计算求解模块输出的数据，并输出仿真结果至第二数据采集模块；环境因素输入模块用于设置点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度三个环境参数，并将上述参数发送至第二数据采集模块；第二数据采集模块用于对环境因素以及数据输出模块输出的数据进行采集与整合，并输入到参数优化器中；参数优化器用于采用人工神经网络和遗传算法对无极灯的点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度、6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行优化选取，获得无极灯工作在最优状态下的功率因数校正电路的电压设定值、高频谐振逆变电路的频率设定值；最优值输出模块用于采集并输出参数优化器计算求得的功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值，并发送回第一数据输入模块作为用户下次仿真的参考数据。本发明依据等离子体理论建立数学模型以及相关的物理化学方程，构造与无极灯照明相适应泡体的几何模型，以及与光通量、频闪、光效、色温相对应的工艺参数，如图2所示，本实施例通过Comsol运用有限元的数值分析方法进行仿真。Comsol将运用嵌入的等离子体动态模型计算出泡体内Hg原子的6 激发态、电子温度和电子密度等分布参数，通过有限元数值分析，确定出光通量、频闪、光效、色温等光参数在对应的泡体中分布的多维效果图。结合点灯时间、环境温度、MOS管温升等影响变量，应用人工神经网络、遗传算法以及优化模型，求得无极灯控制装置高频谐振逆变电路频率设定值和功率因数校正电路电压设定值的优化解。之后，运用等离子体参数实测电路进行检验，验证优化参数的一致性。整个仿真装置可替代无极灯新品开 发过程中对无极灯实测试验的过程。采用一种电感耦合式高频无极灯仿真装置进行仿真的方法，方法流程如图3所示，包括以下步骤:步骤1、采用数据输入模块输入用户所需的无极灯的几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间；步骤2、采用几何建模模块根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型；并采用物理耦合\化学反应模块确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合；无极灯由控制装置、耦合器和泡体三部分组成。它是通过控制装置产生高频电磁场，并以电感耦合的方式耦合到泡体内，使泡体内的气体雪崩电离，形成等离子体，等离子受激原子返回基态时辐射出紫外线，灯泡内壁的荧光粉受到紫外线激发产生可见光。
无极灯的光效与Hg253.7nm谱线有直接的关系，Hg253.7nm谱线的相对强度1253.7nm可以作为光效的参考量，而汞原子的63P1态的数量和分布直接影响着Hg253.7nm谱线。图4分别为开灯10分钟和0.5分钟汞的发射光谱的移动情况。
权利要求
1.一种电感耦合式高频无极灯仿真装置，其特征在于:包括数据输入模块、第一数据采集模块、几何建模模块、物理耦合\化学反应模块、网格剖分模块、计算求解模块、数据输出模块、环境因素输入模块、第二数据采集模块、参数优化器和最优值输出模块，其中， 数据输入模块:用于设置无极灯的几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间，并将参数递送至数据采集模块； 数据采集模块:用于采集用户输入的数据，并将泡体几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数和耦合棒长度发送至几何建模模块，将初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间发送至物理耦合\化学反应模块，将功率、频率和电压发送至网格剖分模块； 几何建模模块:用于根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型，并将几何模型数据发送至网格剖分模块； 物理耦合\化学反应模块:用于确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合，并将物理耦合信息与化学反应信息发送至网格剖分模块； 网格剖分模块:用于根据几何建模模块建立的无极灯泡体几何模型，建立求解域，根据多物理场耦合以及泡体内化学反应在求解域内进行网格剖分，并将划分好网格的几何模型发送至计算求解模块； 计算求解模块:采用有限元数值分析的方法，在求解域内对无极灯进行多物理场耦合仿真，对6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行计算求解，并将求解后的上述数据发送至数据输出模块； 数据输出模块:用于采集计算求解模块输出的数据，并输出仿真结果至第二数据采集模块； 环境因素输入模块:用于设置点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度三个环境参数，并将上述参数发送至第二数据采集模块； 第二数据采集模块:用于对环境因素以及数据输出模块输出的数据进行采集，并输入到参数优化器中； 参数优化器:用于采用人工神经网络和遗传算法对无极灯的点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度、6 态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度进行优化选取，获得无极灯工作在最优状态下的功率因数校正电路的电压设定值、高频谐振逆变电路的频率设定值； 最优值输出模块:用于采集并输出参数优化器计算求得的功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值，并发送回第一数据输入模块作为用户下次仿真的参考数据。
2.采用权利要求1所述的一种电感耦合式高频无极灯仿真装置进行仿真的方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1、采用数据输入模块输入用户所需的无极灯的几何形状、泡体直径、灯泡材料、耦合线圈直径、线圈匝数、耦合棒长度、功率、频率、电压、初始电子密度、冷端温度和磁场建立时间； 步骤2、采用几何建模模块根据输入的几何形状的参数，在三维空间内，建立无极灯泡体的几何模型；并采用物理耦合\化学反应模块确定泡体内化学反应，并根据等离子体动力学将电场、磁场与等离子场进行多物理场耦合； 步骤3、根据几何建模模块建立的无极灯泡体几何模型，建立求解域，根据多物理场耦合以及泡体内化学反应在求解域内进行网格剖分，并根据用户要求的计算精度，对网格剖分进行修改，细化或者粗化任意位置的网格数目和大小； 步骤4、采用有限元数值分析的方法对泡体求解域进行仿真运算，获得G3P1态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度； 步骤5、用户根据所在环境因素输入相关数据，包括点灯时间、泡体环境温度、控制装置MOS管温度； 步骤6、采用人工神经网络和遗传算法，结合环境因素和输出数据对无极灯功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值进行优化，所述的输出数据包括63Pi态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布、电流密度，同时生成直观的图像和报表，获得无极灯最优状态下的功率因数校正电路的电压设定值以及高频谐振逆变电路的频率设定值； 步骤7、根据仿真装置输出的S3P1态汞原子分布、电子温度分布、电子密度分布、磁通密度分布、电势分布和电流密度判断仿真结果是否符合用户要求，若符合则投入实际研发与生产；否则，确定输出期望值与实际输入数据相比误差最大的参数进行修改，并同时确定环境因素中点灯时间、 泡体环境温度、控制装置MOS管三个因素中与实际偏差最大的量进行调节，返回执行步骤2，直至符合用户要求为止。
全文摘要
本发明一种电感耦合式高频无极灯仿真装置及方法，属于照明工程领域，该装置包括数据输入模块、第一数据采集模块、几何建模模块、物理耦合\化学反应模块、网格剖分模块、计算求解模块、数据输出模块、环境因素输入模块、第二数据采集模块、参数优化器和最优值输出模块；本发明基于数学物理、化学方程和有限元数值分析模型，实现高频无极灯电、磁、等离子多种物理场的建立、实现、优化指导无极灯产品的研究与开发；应用机理模型和计算机仿真，降低研制成本，缩短研制周期，提高研制质量，实现计算机全程辅助无极灯开发过程，让无极灯的开发过程从仿制、实物实验、数据积累的过程中走出来，为无极灯批量生产提供了可靠的技术保证。
文档编号G05B17/02GK103235517SQ201310136640
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者周玮, 冯禹铭, 徐宁, 奚文龙 申请人:东北大学