專利名稱：一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微束等離子弧主要是氦氣或氬氣等氣體電離后經(jīng)過(guò)機(jī)械、熱和電磁三種壓縮后形 成的。微束等離子弧焊是一種小電流的等離子弧焊，它的電弧加熱工件具有電弧溫度高，能 量密度集中，弧柱挺直度好，電弧穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 焊接電弧中含有豐富的光譜信息，它是認(rèn)識(shí)焊接物理過(guò)程的豐富源泉，是控制焊 接物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的先行要素，是繼電弧電信號(hào)后的新興信號(hào)源。對(duì)焊接電弧測(cè) 試與對(duì)一般環(huán)境的測(cè)試有很大不同，首先，電弧溫度高，很難進(jìn)行直接測(cè)量， 一般只能進(jìn)行 間接測(cè)量。其次，電源波動(dòng)、氣流變化等因素對(duì)電弧的擾動(dòng)，使電弧中各種被測(cè)量存在時(shí)變 性，這種時(shí)變速度往往很大，具有隨機(jī)性。第三，電弧空間小但溫度梯度大，各種粒子成分在 空間分布很不均勻。第四，電弧所處的溫度范圍一般為5000 30000K，是一種部分電離的 低溫等離子體，它的粒子中不僅有電子、離子，還有原子和分子，而且常常是多種元素的離 子、原子和分子同時(shí)存在，粒子成分很復(fù)雜，被認(rèn)為是最難測(cè)的溫度段。所有這些給焊接電 弧測(cè)試帶來(lái)很大的不便，而光譜法對(duì)克服這些困難具有很大的優(yōu)越性。 利用光譜信息檢測(cè)焊接電弧的技術(shù)基礎(chǔ)是借助光譜儀將電弧光輻射分解為光譜， 選擇出特征譜線，再依靠光譜強(qiáng)度與電弧等離子體內(nèi)部的溫度、粒子濃度和成分等因素的 關(guān)系來(lái)反映和測(cè)定電弧內(nèi)部的物理狀態(tài)和過(guò)程，然后將所測(cè)的結(jié)果作為控制信號(hào)實(shí)時(shí)反饋 到控制系統(tǒng)，對(duì)電弧過(guò)程進(jìn)行控制。 然而，目前對(duì)電弧的光譜檢測(cè)僅僅限于對(duì)電弧的外圍光譜信號(hào)，而其檢測(cè)系統(tǒng)無(wú) 法對(duì)電弧內(nèi)部的光譜信號(hào)進(jìn)行辨別和檢測(cè)。因此，所測(cè)的光譜信號(hào)與實(shí)際的電弧的光譜信 號(hào)有嚴(yán)重的偏差，也就不能夠?yàn)檫M(jìn)一步的電弧過(guò)程控制和研究提供可靠的數(shù)據(jù)。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李俊岳在《中國(guó)工程科學(xué)》2001年6月第3巻第6 期發(fā)表了題為"焊接電弧光譜信息測(cè)控技術(shù)及其應(yīng)用"的論文。文中提及的當(dāng)前電弧光譜 檢測(cè)裝置原理(如附圖l所示)，電弧的光通過(guò)光闌后，經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反射至凸透鏡變?yōu)槠叫泄猓?過(guò)光纖傳導(dǎo)后，到達(dá)光譜儀。到達(dá)光譜儀的光經(jīng)分光后，到達(dá)光電感應(yīng)器變?yōu)殡娦盘?hào)，最后 傳入電腦?？梢钥闯?，此裝置只能檢測(cè)到電弧內(nèi)部各點(diǎn)疊加到電弧外圍的總的光譜信號(hào)，而 無(wú)法對(duì)電弧內(nèi)部點(diǎn)的光譜信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和采集。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺失，提供一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài) 光譜檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)共聚焦技術(shù)，使其能夠?qū)ξ⑹入x子弧三維空間的光譜信號(hào)進(jìn)行識(shí)別 和采集，實(shí)現(xiàn)在高強(qiáng)度等離子體的情況下，更加準(zhǔn)確地對(duì)微束等離子弧的三維光譜特性進(jìn) 行捕捉。
本發(fā)明技術(shù)方案包括三維精密微動(dòng)平臺(tái)、光譜采集軟件、步進(jìn)電機(jī)控制器、電腦、支架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、外罩、物鏡、帶針孔的石英片、光纖、光譜儀和數(shù)據(jù)線。其中，三維精密微動(dòng)平臺(tái)由可實(shí)現(xiàn)空間X、Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、螺桿機(jī)械機(jī)構(gòu)和底座組成；光譜采集軟件、控制箱和電腦組成光譜采集控制系統(tǒng)；支架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和外罩組成光路系統(tǒng)固定裝置；兩物鏡、帶針孔的石英片組成檢測(cè)鏡頭，且檢測(cè)鏡頭安裝在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上。檢測(cè)鏡頭最前面是兩物鏡，兩物鏡一前一后，鏡頭反向地安裝在支架上。兩物鏡后安裝一帶針孔的石英片，其后，安裝光纖。要保證帶針孔的石英片、光纖的中心和物鏡的中心在同一直線上，以確保有最大光通量通過(guò)光路系統(tǒng)，以減小測(cè)量的誤差。由檢測(cè)鏡頭的特殊結(jié)構(gòu)是共聚焦技術(shù)的核心，也是本發(fā)明的核心。檢測(cè)鏡頭、光纖和光譜儀組成微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的光路系統(tǒng)。光纖的一端連接檢測(cè)鏡頭，另一端連接光譜儀。光譜儀通過(guò)數(shù)據(jù)線經(jīng)USB接口與電腦連接，以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的傳遞和對(duì)光譜儀供電。三維精密微動(dòng)平臺(tái)上X、 Y和Z三個(gè)方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，也分別和步進(jìn)電機(jī)控制器上的X、 Y和Z三個(gè)接口經(jīng)數(shù)據(jù)線連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的步進(jìn)控制。光譜采集控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)控制器通過(guò)數(shù)據(jù)線經(jīng)USB接口與PC進(jìn)行連接。光譜采集軟件適用的操作系統(tǒng)版本可為Windows XP或Windows2000。 所述的三維精密微動(dòng)平臺(tái)，其底座固定，其上安裝有檢測(cè)鏡頭，且可實(shí)現(xiàn)空間X、 Y和Z三個(gè)方向的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)鏡頭對(duì)微束等離子弧的三維掃描。
所述的光譜采集軟件，主要具有光譜數(shù)據(jù)處理、采集和控制，打印處理等功能。其具體提供單次采譜，連續(xù)采譜，定時(shí)自動(dòng)采譜和觸發(fā)自動(dòng)采譜功能。能夠由用戶設(shè)定當(dāng)光譜信號(hào)高于一個(gè)閾值后，自動(dòng)采譜記錄。提供接口函數(shù)和示例程序，方便用戶二次開發(fā)。
本發(fā)明通過(guò)在檢測(cè)鏡頭的最前端反向安裝兩物鏡，其后再安裝針孔石英片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)組成一個(gè)共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，再配合三維精密微動(dòng)平臺(tái)和光譜采集控制系統(tǒng)組成一個(gè)三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可對(duì)微束等離子弧的三維光譜進(jìn)行檢測(cè)，即可識(shí)別和采集電弧外圍和內(nèi)部點(diǎn)的光譜信息，其識(shí)別精度為lOym。 本發(fā)明通過(guò)在檢測(cè)鏡頭的最前端反向安裝兩物鏡，其后再安裝針孔石英片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)組成的共聚焦光學(xué)系統(tǒng)中，兩物鏡的距離，最前端物鏡至電弧的距離和針孔至第二個(gè)物鏡的距離都可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)匹配不同規(guī)格的物鏡進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。且其對(duì)電弧光譜的識(shí)別精度也可通過(guò)匹配不同孔徑的針孔及不同規(guī)格的物鏡進(jìn)行調(diào)整。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行光譜采集的結(jié)構(gòu)原理 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖之一 ；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖之二。
圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明 1.光纖；2.帶針孔石英片；3.物鏡一 ；4.物鏡二 ；5.電弧；6.電弧；7.檢測(cè)鏡頭;8.光譜儀；9.數(shù)據(jù)線；10.光路系統(tǒng)固定裝置；11.三維精密微動(dòng)平臺(tái)；12.光譜采集軟件；13.電腦；14.步進(jìn)電機(jī)控制器。 A.光纖直徑；B.物鏡一至針孔的距離；C.物鏡一的數(shù)值孔徑；D.物鏡一與物鏡二的距離；E.物鏡二的數(shù)值孔徑；F.物鏡二至電弧的距離。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 本發(fā)明一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)(如附圖l和附圖3所示)，其包 括三維精密微動(dòng)平臺(tái)11、光路系統(tǒng)及光路系統(tǒng)固定裝置10，光譜采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)線9。
所述的三維精密微動(dòng)平臺(tái)11由可實(shí)現(xiàn)空間X、 Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電 機(jī)、螺桿機(jī)械機(jī)構(gòu)和底座組成。 所述的光路系統(tǒng)包括檢測(cè)鏡頭7、光纖1和光譜儀8 ;光纖1兩端分別與檢測(cè)鏡頭 7和光譜儀8連接。 所述的檢測(cè)鏡頭7安裝在三維精密微動(dòng)平臺(tái)11上；檢測(cè)鏡頭7由物鏡一 3、物鏡 二4和帶針孔的石英片2組成； 所述的物鏡一 3和物鏡二 4， 一前一后，鏡頭反向安裝在光路系統(tǒng)固定裝置10的支
架上，在物鏡一 3和物鏡二 4后，依次安裝一帶針孔的石英片2和光纖1 ，且使帶針孔的石英
片2、光纖1的中心與物鏡一 3和物鏡二 4的中心在同一直線上。 所述的光路系統(tǒng)固定裝置10由調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、保護(hù)罩和支架組成。 本發(fā)明所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述的光譜采集控制系
統(tǒng)由光譜采集軟件12、步進(jìn)電機(jī)控制器14和電腦13組成；光譜采集控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)
控制器14通過(guò)數(shù)據(jù)線9經(jīng)USB接口與電腦13連接。 所述的光譜儀8通過(guò)數(shù)據(jù)線9經(jīng)USB接口與電腦13連接，以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的傳遞 和對(duì)光譜儀8供電；三維精密微動(dòng)平臺(tái)11上X、Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù) 線9分別與步進(jìn)電機(jī)控制器14上的X、 Y和Z三個(gè)接口連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的步進(jìn)控制；步 進(jìn)電機(jī)控制器14通過(guò)數(shù)據(jù)線9經(jīng)USB接口與電腦13連接。 本發(fā)明所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其中，進(jìn)行光譜檢測(cè)時(shí)，物鏡 二 4至微束等離子弧6的最遠(yuǎn)距離不能超過(guò)其一倍焦距，且檢測(cè)鏡頭7在微束等離子弧6 外圍作X、 Y和Z三維的步進(jìn)移動(dòng)。 本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)(如附圖3所示)，其安裝和連接各設(shè)備如下
首先，將三維精密微動(dòng)平臺(tái)固定到適當(dāng)?shù)奈恢?，之后將檢測(cè)鏡頭7安裝到三維精 密微動(dòng)平臺(tái)11上，接著打開檢測(cè)鏡頭的外罩，通過(guò)逆向光源調(diào)整和確保光纖l，帶針孔石英 片2，物鏡一 3，物鏡二 4的中心基本在同一軸線上。然后，通過(guò)光纖1將檢測(cè)鏡頭和光譜儀 8連通。之后，通過(guò)數(shù)據(jù)線9接通光譜儀8和電腦13，步進(jìn)電機(jī)控制器14和電腦13及步進(jìn) 電機(jī)控制器和三維精密微動(dòng)平臺(tái)11。 打開電腦，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制器14，之后打開光譜采集軟件12，通過(guò)光譜采集軟 件界面，檢測(cè)光譜儀8及步進(jìn)電機(jī)控制器14和電腦13的連接情況以及三維精密微動(dòng)平臺(tái) 11上的步進(jìn)電機(jī)的工作狀況。如光譜采集軟件沒有檢測(cè)到以上設(shè)備，或者步進(jìn)電機(jī)無(wú)法工 作則需檢查連接情況，確保設(shè)備的連通。 然后，通過(guò)光譜采集軟件12界面設(shè)置采集參數(shù)，包括X、 Y和Z三個(gè)方向的采集起 點(diǎn)和終點(diǎn)位置，采集步長(zhǎng)，采集方式(單次采譜，連續(xù)采譜)等。 最后，打開微束等離子弧焊機(jī)，待電弧穩(wěn)定后，點(diǎn)擊光譜采集軟件12上的開始按 鈕，進(jìn)行電弧的光譜采集。微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)搭建完成。
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本發(fā)明可對(duì)微束等離子弧的三維光譜進(jìn)行檢測(cè)，即此系統(tǒng)可識(shí)別和采集電弧內(nèi)部 點(diǎn)的光譜信息，其識(shí)別精度為10 P m。有效地克服了以往的電弧光譜檢測(cè)系統(tǒng)只能檢測(cè)到電 弧內(nèi)部各點(diǎn)疊加到電弧外圍的總的光譜信號(hào)，而無(wú)法對(duì)電弧內(nèi)部點(diǎn)的光譜信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和 采集的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在高強(qiáng)度等離子體的情況下，更加準(zhǔn)確地對(duì)微束等離子弧的三維光譜 特性進(jìn)行捕捉的功能，為進(jìn)一步研究微束等離子弧的電弧特征提供了條件。
權(quán)利要求
一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)、光路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)固定裝置(10)、光譜采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)線(9)。
2. 如權(quán)利要求1所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)由可實(shí)現(xiàn)空間X、Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、螺桿機(jī)械機(jī)構(gòu)和底座組成。
3. 如權(quán)利要求1所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光路系統(tǒng)包括檢測(cè)鏡頭(7)、光纖(1)和光譜儀(8);光纖(1)兩端分別與檢測(cè)鏡頭(7)和光譜儀(8)連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測(cè)鏡頭(7)安裝在三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)上；檢測(cè)鏡頭(7)由物鏡一 (3)、物鏡二 (4)和帶針孔的石英片(2)組成；物鏡一 (3)和物鏡二 (4)，一前一后，鏡頭反向安裝在光路系統(tǒng)固定裝置(10)的支架上；在物鏡一 (3)和物鏡二 (4)后，依次安裝一帶針孔的石英片(2)和光纖(l)，且使帶針孔的石英片(2)、光纖(1)的中心與物鏡一 (3)和物鏡二 (4)的中心在同一直線上；所述的光路系統(tǒng)固定裝置(10)由調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、保護(hù)罩和支架組成。
5. 如權(quán)利要求1所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜采集控制系統(tǒng)由光譜采集軟件(12)、步進(jìn)電機(jī)控制器(14)和電腦(13)組成；光譜采集控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制器(14)通過(guò)數(shù)據(jù)線(9)經(jīng)USB接口與電腦(13)連接。
6. 如權(quán)利要求1和5所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜儀(8)的光電信號(hào)傳遞和供電，通過(guò)數(shù)據(jù)線(9)經(jīng)USB接口與電腦(13)連接；三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)上X、 Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)線(9)分別與步進(jìn)電機(jī)控制器(14)上的X、Y和Z三個(gè)接口連接；步進(jìn)電機(jī)控制器(14)通過(guò)數(shù)據(jù)線(9)經(jīng)USB接口與電腦(13)連接。
7. 如權(quán)利要求1所述的微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)行光譜檢測(cè)時(shí)，物鏡二 (4)至微束等離子弧(6)的最遠(yuǎn)距離小于或等于一倍焦距，且檢測(cè)鏡頭(7)在微束等離子弧(6)外圍作X、Y和Z三維的步進(jìn)移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明一種微束等離子弧三維動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，涉及光譜檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，包括三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)、光路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)固定裝置(10)、光譜采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)線(9)。三維精密微動(dòng)平臺(tái)(11)由可實(shí)現(xiàn)空間X、Y和Z三維方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、螺桿機(jī)械機(jī)構(gòu)和底座組成；光路系統(tǒng)包括檢測(cè)鏡頭(7)、光纖(1)和光譜儀(8)，光纖(1)兩端分別與檢測(cè)鏡頭(7)和光譜儀(8)連接；光譜采集控制系統(tǒng)由光譜采集軟件(12)、步進(jìn)電機(jī)控制器(14)和電腦(13)組成；步進(jìn)電機(jī)控制器(14)和光譜儀(8)通過(guò)數(shù)據(jù)線(9)和電腦(13)連接。本發(fā)明可識(shí)別和采集電弧外圍和內(nèi)部點(diǎn)的光譜信息，精度為10μm。
文檔編號(hào)B23K9/095GK101738257SQ201010101230
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者何建萍, 向鋒, 焦馥杰, 王付鑫, 陳戍 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)