電弧放電與電漿現象在高壓電力設備測試、核聚變研究、先進焊接製程中扮演關鍵角色,但其發生時間極短(微秒至毫秒等級)、光強度極高(10⁶–10⁸ cd/m²)、並伴隨強烈電磁干擾,對高速攝影機的感光元件、電路防護與同步觸發能力形成嚴峻考驗。AOS Technologies 瑞士 PROMON 系列以工業級 EMI 遮蔽設計、支援 ND 濾鏡與窄帶光學配件、內建 pre-trigger 緩衝機制,在台電研究所、清華大學核工所、工研院電光所等機構的電弧與電漿研究中取得廣泛採用。
電弧放電與電漿高速攝影的技術挑戰
電弧放電在 GIS 隔離開關、斷路器熄弧、靜電放電(ESD)測試中持續時間從 1 微秒至 100 毫秒不等,亮度可達一般照明的百萬倍以上,直接拍攝將造成 CMOS 感光元件過曝甚至永久損傷。同時,高壓放電產生的電磁干擾(EMI)可達數千伏特/米,若相機缺乏適當遮蔽,可能導致影像資料損毀或硬體故障。電漿物理研究(如托卡馬克、介電質阻擋放電 DBD、感應耦合電漿 ICP)則需捕捉放電絲分佈、模式轉換(H→E mode)等微秒級動態,對幀率與靈敏度同時提出高標要求。
光學防護需求：電弧攝影必須使用中性密度濾鏡(ND 8 至 ND 1,000)降低光強,並加裝 UV 截止濾鏡(>400 nm)防止紫外線損傷 CMOS。若需分析電極材料蒸發成分,可搭配窄帶干涉濾鏡(如銅 510 nm、鐵 526 nm、氬 750 nm)進行光譜選擇性拍攝。高壓腔體外應安裝石英玻璃防護窗,確保相機在安全距離操作。
同步觸發設計：電弧觸發時間具不確定性,需從電流互感器(CT)或電壓互感器(VT)引出 TTL 觸發訊號,搭配 pre-trigger 環狀緩衝機制,確保影像記錄涵蓋電弧起始前後的完整過程。AOS PROMON 系列內建 16GB 至 32GB DRAM,可在 10,000fps 下提供數秒 pre-trigger 緩衝,避免關鍵瞬間遺漏。
EMI 防護設計：AOS PROMON U750 與 M.PRI 採用金屬機殼全包覆設計,關鍵電路模組加裝法拉第籠遮蔽,可在高達 10 kV/m 電磁場環境下穩定運作,是少數能直接部署於 GIS 測試場或托卡馬克診斷埠的商用高速攝影機。
AOS PROMON 系列機種比較表
| 型號 | 最大解析度 | 全解析度幀率 | 最高幀率(降解析度) | 記憶體 | 主要特色 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PROMON U750 | 1920×1200 | 750 fps | 10,284 fps | 16 GB | 高解析度、EMI 防護、MATLAB 輸出 | GIS 電弧測試、μ-PIV 電漿診斷 |
| PROMON M.PRI | 1280×1024 | 10,000 fps | 25,000 fps | 16 GB | Frame Straddling(PIV)、C/F/Nikon-mount | 斷路器熄弧、TIG/MIG 焊接監控 |
| PROMON M.PRI Pro | 1280×1024 | 10,000 fps | 25,000 fps | 32 GB | 雙倍記憶體、超高速接合製程 | Wire Bonding 電弧分析、爆炸波形 |
| PROMON Scope G4 | 1280×1024 | 10,000 fps | 25,000 fps | 16 GB | 顯微鏡直接接口、μ-PIV | DBD 放電絲分佈、微流體電漿 |
| PROMON 2000 | 1952×1080 | 1,000 fps | 78,698 fps | 2,000 GB | 10GigE 串流、HDR 模式 300fps | 長時間電弧監控、材料衝擊測試 |
| PROMON 2000 HSR | 1952×1080 | 1,000 fps | 78,698 fps | 8,000 GB | 超大容量、24/7 連續錄製 | 疲勞測試、燃燒場長程觀測 |
註：幀率數據為全域快門模式,位元深度 8/12 bit 可選,所有機型支援 C/F-mount 鏡頭。
應用場景與幀率需求分析
GIS 隔離開關電弧測試(5–50 ms)：建議使用 PROMON U750(750fps)或 M.PRI(10,000fps),搭配 ND 64 至 ND 1,000 濾鏡,觀察電弧移動速度、熄弧時間與絕緣恢復過程。台電研究所與台灣大學電機系高電壓工程實驗室常採用此配置,可清晰記錄 SF₆ 氣體中的電弧柱形態變化。
斷路器熄弧與電流過零點(10–100 ms)：PROMON M.PRI 的 10,000fps 可捕捉電流過零點前後的電弧柱收縮與再點燃現象,搭配電流互感器同步觸發,可驗證熄弧室設計有效性。若需同步記錄電壓波形,可透過 MotionBLITZ 軟體匯出時間戳記與外部 DAQ 系統對齊。
靜電放電 ESD(1–10 μs)：需使用 PROMON M.PRI Pro 的 25,000fps 模式,曝光時間縮短至 40 μs,可記錄放電通道的樹枝狀分佈與傳播速度。此應用需搭配高功率脈衝 LED(>500W)補償極短曝光時間造成的光量不足。
TIG/MIG 電弧焊接品質監控：連續電弧過程建議使用 PROMON 2000(1,000fps Full HD),10GigE 介面可將影像串流至 NAS,實現 24/7 不中斷監控。HDR 模式(300fps)可在高對比焊接場景中同時保留電弧高光與熔池暗部細節,適合焊道成形分析。
托卡馬克電漿與 DBD 放電絲：清華大學核工所採用 PROMON Scope G4 搭配顯微鏡,以 10,000fps 拍攝介電質阻擋放電的放電絲時間演化,搭配 750 nm 窄帶濾鏡可選擇性觀測氬原子發射。感應耦合電漿(ICP)的 H→E 模式轉換則需 25,000fps 降解析度模式,記錄數十微秒內的發光模式突變。
台灣電力與電漿研究機構應用實績
台電研究所在 161 kV GIS 隔離開關電弧測試中,使用 AOS PROMON U750 搭配 ND 512 濾鏡與石英防護窗,成功記錄電弧移動速度達 15 m/s 的完整過程,協助優化隔離開關觸頭材料配方,延長設備壽命 30%。工研院電光所在大氣電漿表面處理研究中,採用 PROMON M.PRI 搭配高速 ICCD,同步拍攝電漿射流的 Schlieren 影像與發射光譜,發現氮氧自由基分佈與處理效果的直接關聯。
清華大學核工所在托卡馬克電漿診斷中,PROMON Scope G4 透過診斷埠直接安裝於真空腔體外,以 10,000fps 記錄電漿不穩定性(如 ELM、撕裂模)的時間演化,影像資料透過 MATLAB 介面直接匯出,與磁探針、朗繆爾探針數據整合分析,大幅縮短實驗迴圈時間。
台灣大學電機系在閃電模擬高電壓衝擊試驗中,使用 PROMON M.PRI Pro 的 25,000fps 模式,記錄先驅通道(Leader)傳播速度達 10⁵ m/s 的瞬間,搭配 UV 截止濾鏡與法拉第籠遮蔽,在 500 kV 衝擊電壓環境下穩定運作超過 200 次放電測試,無單次影像遺失。
常見問題 FAQ
問：拍攝電弧放電需要哪種濾鏡？
答：電弧亮度極高,需使用中性密度濾鏡(ND 8 至 ND 1,000)依亮度疊加使用,並加裝 UV 截止濾鏡(>400 nm)防止紫外線損傷 CMOS。若需分析電極材料蒸發,可搭配窄帶干涉濾鏡(如銅 510 nm、鐵 526 nm、氬 750 nm)。東茂科技提供完整濾鏡配置方案與現場測試服務。
問：AOS PROMON 如何防止電磁干擾？
答：PROMON U750 與 M.PRI 採用全金屬機殼與法拉第籠遮蔽設計,關鍵電路模組加裝 EMI 濾波器,可在 10 kV/m 電磁場環境下穩定運作。建議搭配光纖觸發隔離器,避免地迴路干擾。竹科/中科/南科客戶可預約現場 EMI 環境測試。
問：電弧觸發時間不確定,如何確保拍到關鍵瞬間？
答：從電流互感器(CT)或電壓互感器(VT)引出 TTL 觸發訊號,搭配 PROMON 內建 pre-trigger 環狀緩衝,可記錄觸發前 1–3 秒影像。例如 M.PRI 在 10,000fps 下提供 16GB DRAM,可保留觸發前 1.6 秒完整影像,確保電弧起始瞬間不遺漏。
問：PROMON 2000 和 PROMON M.PRI 該如何選擇？
答：需要長時間連續監控(如 24/7 焊接產線)選 PROMON 2000(1,000fps Full HD + 10GigE 串流);需要高幀率捕捉瞬態現象(如斷路器熄弧、ESD 放電)選 M.PRI(10,000fps 至 25,000fps)。預算考量可優先選 M.PRI,後續擴充記憶體至 32GB(Pro 版)。
問：托卡馬克電漿診斷可以用 PROMON Scope G4 嗎？
答：可以。PROMON Scope G4 支援顯微鏡直接接口,可透過診斷埠安裝於真空腔體外,以 10,000fps 記錄電漿邊界層(SOL)的絲狀結構與 ELM 爆發。影像資料可透過 MATLAB 介面匯出,與磁探針、光譜儀數據同步分析。清華大學核工所已有實際部署案例。
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作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。