多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，包括：电弧输出电源、多个高速摄影系统、同步触发装置、采集板卡以及计算机；电弧输出电源产生电弧等离子体；多个高速摄影系统设置在电弧等离子体侧且与其位于同一平面上，配合不同元素的窄带滤光片以拍摄不同波长的电弧图像；同步触发装置控制所述多个高速摄影系统实现同步拍摄；同步触发装置通过采集板卡连接至计算机，采集板卡将高速摄影系统获取的图像数据采集传输至计算机，计算机据此数据显示出电弧图像。本发明通过一次曝光及高速数据传输得到整个电弧的光谱信息，同时满足了时间和空间分辨率的要求，从而多高速摄影系统能满足多组分动态电弧温度场和浓度场的测量。
【专利说明】多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及温度和浓度测量领域，特别涉及双组分焊接电弧等离子体温度和浓度测量的双高速摄影同步光谱采集装置。
【背景技术】
[0002]电弧等离子体的温度和浓度是描述焊接过程中的两个重要而基本的参数，也是焊接电弧区各种物理化学反应和冶金反应的基本表征，它直接影响到焊缝成型和焊接质量。焊接电弧物理过程是一个动态的过程，通过对其研究可以帮助焊接研究者和工程界人士更有效地利用电弧，并实现对焊接电弧动态过程的控制，这一直是焊接研究者和工程界人士孜孜以求的目标。
[0003]焊接过程中多采用光谱法对电弧等离子体进行测量，常用的光谱采集系统主要有光谱仪采集系统及高速摄影采集系统。目前基于光谱仪的电弧采集系统使用光栅作为分光系统，同时采用CCD作为探测器，其特点是可对很大波长范围内的光谱进行扫描，仪器光谱分辨率较高；但这种设备扫描速度慢/灵活性差，不能同时获得等离子体光谱强度的二维空间分布，而且价格昂贵，因而其使用范围受到了极大地限制，也不利于研究焊接动态过程的实时变化特点。高速摄影系统由于一次曝光可以得到整个电弧的强度分布，不仅能够得到电弧的空间分布，而且能够监测到电弧的实时变化特点，所以适合应用于焊接电弧动态过程的检测。而现有的高速摄影系统通常是针对单组分的电弧等离子体，即假设电弧中只有一种化学成分，因此只需通过测量电弧的温度即可反映电弧的物理特性。而多组分的电弧等离子体由于存在分层现象即焊接前均匀混合的保护气体在焊接过程中不同位置的浓度分布并不相同，所以需要测量电弧的温度和浓度两个参量来表征电弧的物理特性。因此，多组分的电弧物理特性测量需要更多的光谱信息，以往针对单组分电弧的高速摄影系统不能满足多组分测量的要求，从而需要对以往的高速摄影系统进行改进及完善。
[0004]因此，为了满足对多组分等离子体电弧基本参量的测量，不仅需要得到电弧的空间分布，而且需要得到电弧的实时变化特点，同时为了降低整个测量过程的系统误差，期望能够有一种系统具有较强的适用性，同时有较好的时间和空间分辨率。因此，本发明针对多组分动态焊接电弧发明了一种不仅能满足电弧多组分的需求且能反映电弧实时变化的动态特征的多高速摄影同步光谱采集系统。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，为满足多组分焊接电弧温度和浓度的测量要求，以及对系统的实时性和便捷性的要求，本发明提供了一种多组分焊接电弧温度和浓度测量的多高速摄影同步系统。
[0006]根据本发明提供的多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，包括:电弧输出电源、多个高速摄影系统、同步触发装置、采集板卡以及计算机；
[0007]电弧输出电源用于产生电弧等离子体；高速摄影系统设置在电弧等离子体侧，通过与不同元素的窄带滤光片配合拍摄不同波长(特征谱)的电弧图像；同步触发装置用于控制所述多个高速摄影系统实现同步拍摄；同步触发装置通过采集板卡连接至计算机，采集板卡用于将高速摄影系统获取的图像数据采集传输至计算机，计算机用于根据来自采集板卡的数据显示出电弧图像。
[0008]优选地，每一个高速摄影系统包括:中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头、CXD高速相机。
[0009]从电弧等离子体向每一个CCD高速相机的光路上，依次设置有中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头；CCD高速相机连接同步触发装置。不同的所述光路上的窄带滤光片分别为不同中心波长的窄带滤光片。
[0010]优选地，窄带滤光片的中心波长用于实现电弧全辐射图像到选取波段范围内单一谱线辐射图像的转换，每一个高速摄影系统均选取不同元素对应不同波长的窄带滤光片，同时与中性滤光片配合，对光强进行适当衰减，使光强处于CCD高速相机可接收且不饱和的范围之内。
[0011]优选地，工业镜头选用大恒图像Computar系列的M7528-MP工业镜头。
[0012]优选地，测量双组分电弧等离子体时，高速摄影系统的数量为两个，这两个高速摄影系统分别位于电弧等离子体的两侧且同轴设置。
[0013]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0014]本发明不仅克服了传统方法因对焊接电弧扫描而不能同时得到整个电弧光谱信息的缺点，还克服了传统单高速摄影系统只能测量单组分电弧温度的缺点，从而采用多高速摄影系统通过一次曝光及高速数据传输得到整个电弧的光谱信息，同时满足了时间和空间分辨率的要求，并且采用多高速摄影系统满足了多组分动态电弧温度场和浓度场的测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0016]图1是本发明的装置示意图。
[0017]图中:
[0018]I为混合气体；
[0019]2为电弧输出电源；
[0020]3位焊接工作平台；
[0021]401、402分别为三脚架A、三脚架B ;
[0022]5,6分别为CXD高速摄影系统A、CXD高速摄影系统B ；
[0023]501,601分别为中性滤光片A、中性滤光片B ;
[0024]502为对应多种元素中一种元素的窄带滤光片；
[0025]602为对应多种元素中另一种元素的窄带滤光片；
[0026]503,603分别为工业镜头A、工业镜头B ;
[0027]504，604分别为CXD高速相机A、CXD高速相机B ；
[0028]7为同步触发装置；[0029]8为采集卡；
[0030]9为计算机。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0032]本发明提供了一种基于标准温度法的多组分焊接电弧温度场和浓度场测量的多高速摄影同步光谱采集系统，包括多个高速摄影系统(图1中仅示出两个作为示意)及同步触发装置。其中每一个高速摄影系统均包括中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头、CCD高速相机、以及固定所述CCD高速相机的三脚架，所述多个高速摄影系统所包含的窄带滤光片分别为不同元素对应不同波长的窄带滤光片，其中，所述工业镜头安装在所述CCD高速相机上，在工业镜头向外的方向上依次设置有所述窄带滤光片和中性滤光片。
[0033]具体地，本发明的特点在于其构成包括电弧输出电源、多个高速摄影系统、同步触发装置和计算机。其中每个高速摄影系统包括中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头、CCD高速相机、以及固定CCD高速相机的三脚架，所述多个高速摄影系统所包含的窄带滤光片分别为对应不同元素的窄带滤光片。每一个高速摄影系统配合不同元素的窄带滤光片，所述的窄带滤光片的中心波长由所需要分析的粒子谱线来决定，它可以实现电弧全辐射图像到选取波段范围内单一谱线辐射图像的转换，同时与中性滤光片配合，还可对光强进行适当衰减，使之处于高速相机可接收且不饱和的范围之内。所述的镜头选用大恒图像Computar系列的M7528-MP工业镜头，它将所得到的单一谱线辐射图像成像在高速相机的CCD平面内成像，使得电弧图像和各像素位置相对应。所述的同步装置用于实现两幅图像的同步拍摄。所述的计算机用来将所得的图像显示出来。上述部件的连接关系如下:
[0034]所述的电弧输出电源的一端与放电电极相连，另一端与所述的放电电极相对的物体相连，从而产生电弧等离子体。所述的电弧等离子体发出的光分别经过电弧周围位于同一平面上的中性滤光片和不同元素的窄带滤光片后，分别变为多个不同波长的单一谱线辐射图像，经所述的工业镜头成像在所述的CCD高速相机平面上，并通过数据传输和采集卡将所得的多幅图像显示出来。其中中性滤光片，窄带滤光片，工业镜头，CCD高速相机的接口均为标准配件，可以通过螺纹相连，然后固定在对应的三脚架上，便于调节和携带。所以不需要光学平台就可以实现图像的采集，并且降低了对光路精度的要求。为保证多个CCD高速摄影系统拍摄到不同谱线电弧图像的同步性，使用同步装置给CCD高速相机发出触发信号。并通过数据的传输将图像同时显示在计算机中。
[0035]下面就测量双组分电弧等离子体的【具体实施方式】进行举例，其中利用了两个高速摄影系统，且配合不同元素的窄带滤光片。本【具体实施方式】用于测量氩氮混合气体保护的焊接电弧温度和浓度分布。
[0036]本具体实施中的同步测量装置参见图1，它为测量提供成像数据，本【具体实施方式】中的两个CCD高速摄影系统分别拍摄ArI794.8nm和NI904.6nm两条谱线的电弧等离子体图像。两个CCD高速摄影系统分别位于电弧的两侧，与电弧平行且处于同一直线。一个CCD高速摄影系统包括中性滤光片、中心波长为ArI794.8nm窄带滤光片、工业镜头、CCD高速相机，另一个CXD高速摄影系统包括中性滤光片、中心波长为NI904.6nm窄带滤光片、工业镜头、CXD高速相机。
[0037]电弧输出电源产生电弧等离子体，电弧等离子体发出的光在一个方向上经过中性滤光片和ArI794.8nm的窄带滤光片后，得到ArI794.8nm谱线的电弧图像，经工业镜头将图像呈现在CXD高速相机的平面。在另一个方向上经过中性滤光片和NI904.6nm的窄带滤光片后，得到NI904.6nm谱线的电弧图像，经工业镜头将图像呈现在C⑶高速相机的平面。同步装置给CCD高速相机发出触发信号，CCD高速摄影系统开始采集电弧图像。经过数据传输和板卡采集，在计算机中显示出ArI794.8nm谱线和NI904.6nm谱线的电弧图像分布。根据双组分标准温度法计算出电弧的温度及浓度分布。
[0038]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，其特征在于，包括:电弧输出电源、多个高速摄影系统、同步触发装置、采集板卡以及计算机； 电弧输出电源用于产生电弧等离子体；高速摄影系统设置在电弧等离子体侧，且与电弧等离子体位于同一平面上，配合不同元素的窄带滤光片以拍摄不同波长的电弧图像；同步触发装置用于控制所述多个高速摄影系统实现同步拍摄；同步触发装置通过采集板卡连接至计算机，采集板卡用于将高速摄影系统获取的图像数据采集传输至计算机，计算机用于根据来自采集板卡的数据显示出电弧图像。
2.根据权利要求1所述的多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，其特征在于，每一个高速摄影系统包括:中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头、CCD高速相机；所述多个高速摄影系统所包含的窄带滤光片分别为对应不同元素的窄带滤光片； 从电弧等离子体向每一个CCD高速相机的光路上，依次设置有中性滤光片、窄带滤光片、工业镜头；(XD高速相机连接同步触发装置。
3.根据权利要求2所述的多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，其特征在于，所述多个高速摄影系统分别配合对应不同元素的窄带滤光片，窄带滤光片的中心波长用于实现电弧全辐射图像到选取波段范围内单一谱线辐射图像的转换，同时与中性滤光片配合，对光强进行适当衰减，使光强处于CCD高速相机可接收的且不饱和范围之内。
4.根据权利要求1所述的多组分焊接电弧温度浓度测量的多摄影同步光谱采集系统，其特征在于，测量双组分电弧等离子体时，高速摄影系统的数量为两个，且配合不同元素的窄带滤光片，这两个高速摄影系统分别位于电弧等离子体的两侧且同轴设置。
【文档编号】G01J3/28GK103776533SQ201410038242
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】肖笑, 华学明, 汪琳, 叶定剑, 李芳 , 吴毅雄 申请人:上海交通大学