專利名稱：多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度測量與控制領(lǐng)域，特別涉及焊接電弧等離子體溫度和濃度測量的方法與基于高速攝影的等離子體采集裝置。
背景技術(shù)：
電弧等離子體的溫度和濃度是描述焊接過程中的兩個重要而基本的參數(shù)，也是焊接電弧區(qū)各種物理化學(xué)反應(yīng)和冶金反應(yīng)的基本表征，它直接影響到焊縫成型和焊接質(zhì)量。定量的分析這些反應(yīng)參數(shù)并用于監(jiān)控焊接過程，對于控制焊縫成型、提高焊接質(zhì)量具有重要意義。目前對焊接電弧等離子體研究的前提是假設(shè)電弧中只有一種成分，并對溫度進(jìn)行測量，主要采用光譜法。光譜法是針對等離子體輻射的一種測量分析方法，其原理是借助光譜儀器將電弧輻射信號分解為光譜信號，再根據(jù)光譜強(qiáng)度與電弧等離子體內(nèi)部溫度、粒子濃度、成分的關(guān)系等規(guī)律來反映電弧內(nèi)部的物理狀態(tài)及其過程。目前用于等離子體光譜診斷的裝置主要是計算機(jī)控制的光電直讀式光譜儀(可參見文獻(xiàn)“Murphy, A. B.，Modified Fowler - Milne method for the spectroscopicmeasurement oftemperature and composition of multielement thermal plasmas.Review of Scientificlnstruments, 1994. 65(11) :p. 3423. ,以及 “Hiraoka, K.，T.Shiwaku, and T.Ohji, Determining temperature distributions of gas tungstenarc(TIG)plasma by spectroscopicmethods. Welding International, 1997. 11(9):p. 688-696. ”)，它使用光柵作為分光系統(tǒng),通過光柵的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)波長的掃描，同時米用CCD作為探測器，其特點(diǎn)是可對很大波長范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行掃描，儀器光譜分辨率較高；但這種設(shè)備掃描速度慢/靈活性差，不能同時獲得等離子體光譜強(qiáng)度的二維空間分布，而且價格昂貴，因而其使用范圍受到了極大的限制，也不利于其應(yīng)用普及。公開文獻(xiàn)“趙家瑞，etal.，圖象處理法快速診斷電弧等離子體的研究.計量學(xué)報，1988. 4:p. 004. ”用紅外攝象法攝取電弧圖象，將圖象信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入微計算機(jī)進(jìn)行圖象處理，獲得電弧溫度場。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電弧發(fā)生、紅外攝象、微機(jī)圖象處理及偽著色顯示4個系統(tǒng)組成。其中紅外攝像系統(tǒng)包括窄帶濾光片，中性濾光片、光闌、透鏡、延伸器和紅外攝像機(jī)。實(shí)驗(yàn)使用輻射能量標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行輻射強(qiáng)度標(biāo)定，并用絕對強(qiáng)度法計算電弧的溫度。公開文獻(xiàn)“Ma，S.，etal., Spectroscopicmeasurement of temperatures in pulsed TIG welding arcs. Journalof Physics D:AppliedPhysics, 2011. 44(40) :p. 405202. ”發(fā)明了焊接電弧溫度測量用成像裝置，目標(biāo)焊接電弧所發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、帶通濾光片、多級分光裝置、濾光器后獲得多束不同波長的單色平行光束，此多束單色平行光束經(jīng)過成像物鏡后在CCD探測器上成像。并用單組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法測量電弧的溫度。此裝置中的成像系統(tǒng)由多級光路組成，需要很高的精度，在應(yīng)用中也受到了一定的限制。目前，對雙組分焊接電弧等離子體溫度和成分的測量不多，公開文獻(xiàn)“Murphy，A.B., Modified Fowler - Milne method for the spectroscopic measurement oftemperature andcomposition of multielement thermal plasmas. Review of ScientificInstruments, 1994. 65(11) :p. 3423. ”利用光譜儀根據(jù)雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法,研究IS氮混合電弧的分布不均勻情況，并得出定量溫度分布和氣體成分分布。在科研分析過程中，我們在測量電弧基本參量時，不僅需要得到電弧的空間分布，而且需要得到電弧的實(shí)時變化特點(diǎn)，同時為了降低整個測量過程的系統(tǒng)誤差，我們期望能夠有一種方法具有較強(qiáng)的適用性，針對各種的雙組分等離子體都能應(yīng)用，同時又較好的時間和空間分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置與方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝 置，包括中性濾光片、窄帶濾光片、微距鏡頭、CMOS高速相機(jī)、以及固定所述CMOS高速相機(jī)的三腳架，其中，所述微距鏡頭安裝在所述CMOS高速相機(jī)上，在所述微距鏡頭向外的方向上依次設(shè)置有所述窄帶濾光片和中性濾光片。優(yōu)選地，所述窄帶濾光片為ArI794. 8nm的窄帶濾光片。優(yōu)選地，所述窄帶濾光片為ArII487. 98nm的窄帶濾光片。優(yōu)選地，還包括采集板卡、以及計算機(jī)，其中，所述采集板卡連接在所述計算機(jī)與CMOS高速相機(jī)之間，所述采集板卡用于將所述CMOS高速相機(jī)獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至所述計算機(jī)，所述計算機(jī)用于根據(jù)來自所述采集板卡的數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法，包括如下步驟步驟1:搭建權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置；步驟2 :將ArI794. 8nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像,然后根據(jù)純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值^rfmax，同時計算出整個電弧的溫度分布；步驟3 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，根據(jù)純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，根據(jù)所述整個電弧的溫度分布計算得到ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值;步驟4 :將ArI794. Snm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm譜線的條件相同，根據(jù)気氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值進(jìn)行歸一化；
步驟5 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm譜線的條件相同，根據(jù)氬氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值進(jìn)行歸一化；步驟6 :根據(jù)計算出的IS氦混合氣體保護(hù)焊接時的ArI794. 8nm, ArII487. 98nm歸一化后的發(fā)射系數(shù)值曲線的交點(diǎn)，得到電弧的溫度和濃度分布。優(yōu)選地，利用所述步驟2中單組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法計算出整個電弧的溫度分布，計算得到所述步驟3中ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值e m。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明選取某一元素的原普線和一次電離的離子譜線，克服了傳統(tǒng)方法對組分物理特性的要求，應(yīng)用于焊接電弧光譜診斷領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于不同組分的焊接電弧等離子體溫度和濃度的測量。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯圖1為根據(jù)本發(fā)明提供的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明提供的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法的原理圖。圖中I為焊接電源，2為中性濾光片，3為窄帶濾光片，4為微距鏡頭，5為CMOS高速相機(jī)，6為三腳架，7為計算機(jī)，8為采集板卡，9為焊接工作平臺。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖1為根據(jù)本發(fā)明提供的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，具體地，在本實(shí)施例中，所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，包括中性濾光片2、窄帶濾光片3、微距鏡頭4、CMOS高速相機(jī)5、固定所述CMOS高速相機(jī)5的三腳架6、采集板卡8、以及計算機(jī)7。其中，所述微距鏡頭4安裝在所述CMOS高速相機(jī)5上，在所述微距鏡頭4向外的方向上依次設(shè)置有所述窄帶濾光片3和中性濾光片2。所述采集板卡8連接在所述計算機(jī)7與CMOS高速相機(jī)5之間，所述采集板卡8用于將所述CMOS高速相機(jī)5獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至所述計算機(jī)7，所述計算機(jī)7用于根據(jù)來自所述采集板卡8的數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。更為具體地，所述窄帶濾光片3為ArI794. 8nm的窄帶濾光片或者ArII487. 98nm的窄帶濾光片，分別用于拍攝ArI794. 8nm和ArII487. 98nm兩條譜線的電弧等離子體圖像。電弧輸出電源產(chǎn)生電弧等離子體，電弧等離子體發(fā)出的光經(jīng)過所述中性濾光片2和ArI794. 8nm的窄帶濾光片3后，得到ArI794. 8nm譜線的電弧圖像，經(jīng)所述微距鏡頭4將圖像呈現(xiàn)在所述CMOS高速相機(jī)5的平面，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸和板卡采集，在所述計算機(jī)7中顯示出電弧圖像，用同樣的方法能夠得到ArII487. 98nm譜線的電弧圖像分布。本發(fā)明還提供一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法。根據(jù)量子躍遷理論，可以推導(dǎo)出ArI794. 8nm和ArII487. 98nm歸一化的等發(fā)射系數(shù)曲線，如圖2所示。圖中實(shí)線為ArI794. 8nm的等發(fā)射系數(shù)分布，虛線為ArII487. 98nm的等發(fā)射系數(shù)分布。所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法包括如下步驟步驟1:搭建權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置。步驟2 :將ArI794. 8nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像,然后根據(jù)純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值^rfmax，同時利用單組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法計算出整個電弧的溫度分布。步驟3 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，根據(jù)純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜 線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，根據(jù)所述整個電弧的溫度分布得到ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值e ;其中，純Ar的焊接電弧中，根據(jù)ArI譜線已經(jīng)測量了溫度分布，從而根據(jù)發(fā)射系數(shù)和溫度之間的理論關(guān)系可以計得到在所述實(shí)驗(yàn)裝置的條件下ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值<.//niax。步驟4 :將ArI794. 8nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm譜線的條件相同，根據(jù)気氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值^mix進(jìn)行歸一化。步驟5 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm譜線的條件相同，根據(jù)氬氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值<^進(jìn)行歸一化。步驟6 :根據(jù)計算出的IS氦混合氣體保護(hù)焊接時的ArI794. 8nm, ArII487. 98nm歸一化后的發(fā)射系數(shù)值曲線的交點(diǎn)(如圖2所示)，即得到電弧的溫度和濃度分布。 以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，其特征在于，包括中性濾光片(2 )、窄帶濾光片(3 )、微距鏡頭(4)、CMOS高速相機(jī)(5 )、以及固定所述CMOS高速相機(jī)(5 )的三腳架(6)，其中，所述微距鏡頭(4)安裝在所述CMOS高速相機(jī)(5)上，在所述微距鏡頭(4)向外的方向上依次設(shè)置有所述窄帶濾光片(3)和中性濾光片(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，其特征在于，所述窄帶濾光片(3)為ArI794. 8nm的窄帶濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，其特征在于，所述窄帶濾光片(3)為ArII487. 98nm的窄帶濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，其特征在于，還包括采集板卡(8 )、以及計算機(jī)(7 )，其中，所述采集板卡(8 )連接在所述計算機(jī)(7 )與CMOS高速相機(jī)(5)之間，所述采集板卡(8)用于將所述CMOS高速相機(jī)(5)獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至所述計算機(jī)(7 )，所述計算機(jī)(7 )用于根據(jù)來自所述采集板卡(8 )的數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。
5.一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1:搭建權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置； 步驟2 :將ArI794. 8nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像,然后根據(jù)純Ar保護(hù)ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值/Wmax，同時計算出整個電弧的溫度分布； 步驟3 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，根據(jù)純Ar保護(hù)ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，根據(jù)所述整個電弧的溫度分布計算得到ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值; 步驟4 :將ArI794. 8nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm譜線的條件相同，根據(jù)氬氦混合氣體保護(hù)的ArI794. 8nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArI794. 8nm發(fā)射系數(shù)的最大值el/max進(jìn)行歸一化； 步驟5 :將ArII487. 98nm的窄帶濾光片作為所述多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置的窄帶濾光片，利用多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，拍攝氬氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，拍攝條件與純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm譜線的條件相同，根據(jù)気氦混合氣體保護(hù)的ArII487. 98nm譜線的焊接電弧等離子體圖像，計算出整個電弧中的ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)值，以純Ar保護(hù)焊接時ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值^rffmax進(jìn)行歸一化；步驟6 :根據(jù)計算出的気氦混合氣體保護(hù)焊接時的ArI794. 8nm, ArII487. 98nm歸一化后的發(fā)射系數(shù)值曲線的交點(diǎn)，得到電弧的溫度和濃度分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量方法，其特征在于，利用所述步驟2中單組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法計算出整個電弧的溫度分布，計算得到所述步驟3中ArII487. 98nm發(fā)射系數(shù)的最大值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多組分焊接電弧等離子體的溫度和濃度測量裝置，包括中性濾光片、窄帶濾光片、微距鏡頭、CMOS高速相機(jī)、以及固定所述CMOS高速相機(jī)的三腳架，其中，所述微距鏡頭安裝在所述CMOS高速相機(jī)上，在所述微距鏡頭向外的方向上依次設(shè)置有所述窄帶濾光片和中性濾光片。還提供了相應(yīng)的方法。本發(fā)明選取某一元素的原子譜線和一次電離的離子譜線，克服了傳統(tǒng)方法對組分物理特性的要求，應(yīng)用于焊接電弧光譜診斷領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于不同組分的焊接電弧等離子體溫度和濃度的測量。
文檔編號G01K13/00GK103017937SQ201210484600
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者華學(xué)明, 肖笑, 汪琳, 斯紅, 吳毅雄 申請人:上海交通大學(xué)