多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，包括：電弧輸出電源、多個(gè)高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)裝置、采集板卡以及計(jì)算機(jī)；電弧輸出電源產(chǎn)生電弧等離子體；多個(gè)高速攝影系統(tǒng)設(shè)置在電弧等離子體側(cè)且與其位于同一平面上，配合不同元素的窄帶濾光片以拍攝不同波長(zhǎng)的電弧圖像；同步觸發(fā)裝置控制所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步拍攝；同步觸發(fā)裝置通過采集板卡連接至計(jì)算機(jī)，采集板卡將高速攝影系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)據(jù)此數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。本發(fā)明通過一次曝光及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫秸麄€(gè)電弧的光譜信息，同時(shí)滿足了時(shí)間和空間分辨率的要求，從而多高速攝影系統(tǒng)能滿足多組分動(dòng)態(tài)電弧溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的測(cè)量。
【專利說明】多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度和濃度測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及雙組分焊接電弧等離子體溫度和濃度測(cè)量的雙高速攝影同步光譜采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電弧等離子體的溫度和濃度是描述焊接過程中的兩個(gè)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。焊接電弧物理過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，通過對(duì)其研究可以幫助焊接研究者和工程界人士更有效地利用電弧，并實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電弧動(dòng)態(tài)過程的控制，這一直是焊接研究者和工程界人士孜孜以求的目標(biāo)。
[0003]焊接過程中多采用光譜法對(duì)電弧等離子體進(jìn)行測(cè)量，常用的光譜采集系統(tǒng)主要有光譜儀采集系統(tǒng)及高速攝影采集系統(tǒng)。目前基于光譜儀的電弧采集系統(tǒng)使用光柵作為分光系統(tǒng)，同時(shí)采用CCD作為探測(cè)器，其特點(diǎn)是可對(duì)很大波長(zhǎng)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(shí)獲得等離子體光譜強(qiáng)度的二維空間分布，而且價(jià)格昂貴，因而其使用范圍受到了極大地限制，也不利于研究焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)變化特點(diǎn)。高速攝影系統(tǒng)由于一次曝光可以得到整個(gè)電弧的強(qiáng)度分布，不僅能夠得到電弧的空間分布，而且能夠監(jiān)測(cè)到電弧的實(shí)時(shí)變化特點(diǎn)，所以適合應(yīng)用于焊接電弧動(dòng)態(tài)過程的檢測(cè)。而現(xiàn)有的高速攝影系統(tǒng)通常是針對(duì)單組分的電弧等離子體，即假設(shè)電弧中只有一種化學(xué)成分，因此只需通過測(cè)量電弧的溫度即可反映電弧的物理特性。而多組分的電弧等離子體由于存在分層現(xiàn)象即焊接前均勻混合的保護(hù)氣體在焊接過程中不同位置的濃度分布并不相同，所以需要測(cè)量電弧的溫度和濃度兩個(gè)參量來表征電弧的物理特性。因此，多組分的電弧物理特性測(cè)量需要更多的光譜信息，以往針對(duì)單組分電弧的高速攝影系統(tǒng)不能滿足多組分測(cè)量的要求，從而需要對(duì)以往的高速攝影系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)及完善。
[0004]因此，為了滿足對(duì)多組分等離子體電弧基本參量的測(cè)量，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(shí)變化特點(diǎn)，同時(shí)為了降低整個(gè)測(cè)量過程的系統(tǒng)誤差，期望能夠有一種系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性，同時(shí)有較好的時(shí)間和空間分辨率。因此，本發(fā)明針對(duì)多組分動(dòng)態(tài)焊接電弧發(fā)明了一種不僅能滿足電弧多組分的需求且能反映電弧實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)特征的多高速攝影同步光譜采集系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，為滿足多組分焊接電弧溫度和濃度的測(cè)量要求，以及對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和便捷性的要求，本發(fā)明提供了一種多組分焊接電弧溫度和濃度測(cè)量的多高速攝影同步系統(tǒng)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，包括:電弧輸出電源、多個(gè)高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)裝置、采集板卡以及計(jì)算機(jī)；
[0007]電弧輸出電源用于產(chǎn)生電弧等離子體；高速攝影系統(tǒng)設(shè)置在電弧等離子體側(cè)，通過與不同元素的窄帶濾光片配合拍攝不同波長(zhǎng)(特征譜)的電弧圖像；同步觸發(fā)裝置用于控制所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步拍攝；同步觸發(fā)裝置通過采集板卡連接至計(jì)算機(jī)，采集板卡用于將高速攝影系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用于根據(jù)來自采集板卡的數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。
[0008]優(yōu)選地，每一個(gè)高速攝影系統(tǒng)包括:中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CXD高速相機(jī)。
[0009]從電弧等離子體向每一個(gè)CCD高速相機(jī)的光路上，依次設(shè)置有中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭；CCD高速相機(jī)連接同步觸發(fā)裝置。不同的所述光路上的窄帶濾光片分別為不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片。
[0010]優(yōu)選地，窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)用于實(shí)現(xiàn)電弧全輻射圖像到選取波段范圍內(nèi)單一譜線輻射圖像的轉(zhuǎn)換，每一個(gè)高速攝影系統(tǒng)均選取不同元素對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的窄帶濾光片，同時(shí)與中性濾光片配合，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行適當(dāng)衰減，使光強(qiáng)處于CCD高速相機(jī)可接收且不飽和的范圍之內(nèi)。
[0011]優(yōu)選地，工業(yè)鏡頭選用大恒圖像Computar系列的M7528-MP工業(yè)鏡頭。
[0012]優(yōu)選地，測(cè)量雙組分電弧等離子體時(shí)，高速攝影系統(tǒng)的數(shù)量為兩個(gè)，這兩個(gè)高速攝影系統(tǒng)分別位于電弧等離子體的兩側(cè)且同軸設(shè)置。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0014]本發(fā)明不僅克服了傳統(tǒng)方法因?qū)附与娀呙瓒荒芡瑫r(shí)得到整個(gè)電弧光譜信息的缺點(diǎn)，還克服了傳統(tǒng)單高速攝影系統(tǒng)只能測(cè)量單組分電弧溫度的缺點(diǎn)，從而采用多高速攝影系統(tǒng)通過一次曝光及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫秸麄€(gè)電弧的光譜信息，同時(shí)滿足了時(shí)間和空間分辨率的要求，并且采用多高速攝影系統(tǒng)滿足了多組分動(dòng)態(tài)電弧溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過閱讀參照以下附圖對(duì)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(huì)變得更明顯:
[0016]圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。
[0017]圖中:
[0018]I為混合氣體；
[0019]2為電弧輸出電源；
[0020]3位焊接工作平臺(tái)；
[0021]401、402分別為三腳架A、三腳架B ;
[0022]5,6分別為CXD高速攝影系統(tǒng)A、CXD高速攝影系統(tǒng)B ；
[0023]501,601分別為中性濾光片A、中性濾光片B ;
[0024]502為對(duì)應(yīng)多種元素中一種元素的窄帶濾光片；
[0025]602為對(duì)應(yīng)多種元素中另一種元素的窄帶濾光片；
[0026]503,603分別為工業(yè)鏡頭A、工業(yè)鏡頭B ;
[0027]504，604分別為CXD高速相機(jī)A、CXD高速相機(jī)B ；
[0028]7為同步觸發(fā)裝置；[0029]8為采集卡；
[0030]9為計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)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(duì)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。
[0032]本發(fā)明提供了一種基于標(biāo)準(zhǔn)溫度法的多組分焊接電弧溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)測(cè)量的多高速攝影同步光譜采集系統(tǒng)，包括多個(gè)高速攝影系統(tǒng)(圖1中僅示出兩個(gè)作為示意)及同步觸發(fā)裝置。其中每一個(gè)高速攝影系統(tǒng)均包括中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CCD高速相機(jī)、以及固定所述CCD高速相機(jī)的三腳架，所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)所包含的窄帶濾光片分別為不同元素對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的窄帶濾光片，其中，所述工業(yè)鏡頭安裝在所述CCD高速相機(jī)上，在工業(yè)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。
[0033]具體地，本發(fā)明的特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括電弧輸出電源、多個(gè)高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)裝置和計(jì)算機(jī)。其中每個(gè)高速攝影系統(tǒng)包括中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CCD高速相機(jī)、以及固定CCD高速相機(jī)的三腳架，所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)所包含的窄帶濾光片分別為對(duì)應(yīng)不同元素的窄帶濾光片。每一個(gè)高速攝影系統(tǒng)配合不同元素的窄帶濾光片，所述的窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)由所需要分析的粒子譜線來決定，它可以實(shí)現(xiàn)電弧全輻射圖像到選取波段范圍內(nèi)單一譜線輻射圖像的轉(zhuǎn)換，同時(shí)與中性濾光片配合，還可對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行適當(dāng)衰減，使之處于高速相機(jī)可接收且不飽和的范圍之內(nèi)。所述的鏡頭選用大恒圖像Computar系列的M7528-MP工業(yè)鏡頭，它將所得到的單一譜線輻射圖像成像在高速相機(jī)的CCD平面內(nèi)成像，使得電弧圖像和各像素位置相對(duì)應(yīng)。所述的同步裝置用于實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的同步拍攝。所述的計(jì)算機(jī)用來將所得的圖像顯示出來。上述部件的連接關(guān)系如下:
[0034]所述的電弧輸出電源的一端與放電電極相連，另一端與所述的放電電極相對(duì)的物體相連，從而產(chǎn)生電弧等離子體。所述的電弧等離子體發(fā)出的光分別經(jīng)過電弧周圍位于同一平面上的中性濾光片和不同元素的窄帶濾光片后，分別變?yōu)槎鄠€(gè)不同波長(zhǎng)的單一譜線輻射圖像，經(jīng)所述的工業(yè)鏡頭成像在所述的CCD高速相機(jī)平面上，并通過數(shù)據(jù)傳輸和采集卡將所得的多幅圖像顯示出來。其中中性濾光片，窄帶濾光片，工業(yè)鏡頭，CCD高速相機(jī)的接口均為標(biāo)準(zhǔn)配件，可以通過螺紋相連，然后固定在對(duì)應(yīng)的三腳架上，便于調(diào)節(jié)和攜帶。所以不需要光學(xué)平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并且降低了對(duì)光路精度的要求。為保證多個(gè)CCD高速攝影系統(tǒng)拍攝到不同譜線電弧圖像的同步性，使用同步裝置給CCD高速相機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。并通過數(shù)據(jù)的傳輸將圖像同時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)中。
[0035]下面就測(cè)量雙組分電弧等離子體的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行舉例，其中利用了兩個(gè)高速攝影系統(tǒng)，且配合不同元素的窄帶濾光片。本【具體實(shí)施方式】用于測(cè)量氬氮混合氣體保護(hù)的焊接電弧溫度和濃度分布。
[0036]本具體實(shí)施中的同步測(cè)量裝置參見圖1，它為測(cè)量提供成像數(shù)據(jù)，本【具體實(shí)施方式】中的兩個(gè)CCD高速攝影系統(tǒng)分別拍攝ArI794.8nm和NI904.6nm兩條譜線的電弧等離子體圖像。兩個(gè)CCD高速攝影系統(tǒng)分別位于電弧的兩側(cè)，與電弧平行且處于同一直線。一個(gè)CCD高速攝影系統(tǒng)包括中性濾光片、中心波長(zhǎng)為ArI794.8nm窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CCD高速相機(jī)，另一個(gè)CXD高速攝影系統(tǒng)包括中性濾光片、中心波長(zhǎng)為NI904.6nm窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CXD高速相機(jī)。
[0037]電弧輸出電源產(chǎn)生電弧等離子體，電弧等離子體發(fā)出的光在一個(gè)方向上經(jīng)過中性濾光片和ArI794.8nm的窄帶濾光片后，得到ArI794.8nm譜線的電弧圖像，經(jīng)工業(yè)鏡頭將圖像呈現(xiàn)在CXD高速相機(jī)的平面。在另一個(gè)方向上經(jīng)過中性濾光片和NI904.6nm的窄帶濾光片后，得到NI904.6nm譜線的電弧圖像，經(jīng)工業(yè)鏡頭將圖像呈現(xiàn)在C⑶高速相機(jī)的平面。同步裝置給CCD高速相機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，CCD高速攝影系統(tǒng)開始采集電弧圖像。經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸和板卡采集，在計(jì)算機(jī)中顯示出ArI794.8nm譜線和NI904.6nm譜線的電弧圖像分布。根據(jù)雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法計(jì)算出電弧的溫度及濃度分布。
[0038]以上對(duì)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溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，其特征在于，包括:電弧輸出電源、多個(gè)高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)裝置、采集板卡以及計(jì)算機(jī)； 電弧輸出電源用于產(chǎn)生電弧等離子體；高速攝影系統(tǒng)設(shè)置在電弧等離子體側(cè)，且與電弧等離子體位于同一平面上，配合不同元素的窄帶濾光片以拍攝不同波長(zhǎng)的電弧圖像；同步觸發(fā)裝置用于控制所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步拍攝；同步觸發(fā)裝置通過采集板卡連接至計(jì)算機(jī)，采集板卡用于將高速攝影系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)采集傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用于根據(jù)來自采集板卡的數(shù)據(jù)顯示出電弧圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，其特征在于，每一個(gè)高速攝影系統(tǒng)包括:中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭、CCD高速相機(jī)；所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)所包含的窄帶濾光片分別為對(duì)應(yīng)不同元素的窄帶濾光片； 從電弧等離子體向每一個(gè)CCD高速相機(jī)的光路上，依次設(shè)置有中性濾光片、窄帶濾光片、工業(yè)鏡頭；(XD高速相機(jī)連接同步觸發(fā)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)高速攝影系統(tǒng)分別配合對(duì)應(yīng)不同元素的窄帶濾光片，窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)用于實(shí)現(xiàn)電弧全輻射圖像到選取波段范圍內(nèi)單一譜線輻射圖像的轉(zhuǎn)換，同時(shí)與中性濾光片配合，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行適當(dāng)衰減，使光強(qiáng)處于CCD高速相機(jī)可接收的且不飽和范圍之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分焊接電弧溫度濃度測(cè)量的多攝影同步光譜采集系統(tǒng)，其特征在于，測(cè)量雙組分電弧等離子體時(shí)，高速攝影系統(tǒng)的數(shù)量為兩個(gè)，且配合不同元素的窄帶濾光片，這兩個(gè)高速攝影系統(tǒng)分別位于電弧等離子體的兩側(cè)且同軸設(shè)置。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103776533SQ201410038242
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】肖笑, 華學(xué)明, 汪琳, 葉定劍, 李芳 , 吳毅雄 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)