专利名称：检测激光等离子体的光电探针及其使用方法
检测激光等离子体的光电探针及其使用方法技术领域
本发明是关于激光焊检测过程的检测装置的，尤其涉及一种检测激光焊过程中激光等离子体性质的光电探针及其使用方法。
背景技术：
激光焊工艺作为激光加工工艺的重要分支，以其能量密度高，焊接热输入小，焊速高等优点日益受到重视。在激光焊过程中，会产生光致等离子体，亦称激光等离子体，对焊接过程有重要影响，甚至可以决定焊接的成功与否。激光等离子体内部会发生金属蒸发，能量的辐射、散射与吸收，对激光产生屏蔽作用，直接影响着焊接过程。本发明的应用目的就是探测激光等离子体，认识激光等离子体内部作用机制和性质，有助于实施对激光焊过程的质量监控。
在激光加工过程中，对激光等离子体的诊断与检测主要有声、电、光及光谱等方面的方法与手段，声、光信号较为适合宏观检测；电信号则应用较少。其中光谱诊断法是检测等离子体内部状态及其变化的主要方法之一，以其非接触、信息多维丰富的特点得到广泛应用，其中又以辐射光谱的检测更为常用。利用长直细管制作的光探针进行等离子体光谱检测，是一种较好的光谱检测手段，并已有相关的应用(Zhiyong Li, Lijun Yang, Ying Gao, et al·· Analysis of the hybrid pulsed MAG-YAG laser plasma with synchronization of multiple signals[J], Journal of Laser Applications,2010, Vol.22 Iss3,106 110)。
但是，等离子体光谱诊断也受到一些因素影响。首先，光谱信号的采集对采集位置、角度、光路传输等方面有很高的精度要求，检测条件稍有变化就会造成很大的数据误差，影响检测结果的一致性和准确性。其次，激光焊过程的激光等离子体存在一定的波动现象，目前的光谱检测装置虽然能够对这种瞬态过程进行检测，然而需要后期处理，不利于实时的激光焊过程质量监控。
在利用电探针检测等离子体方面，以Langmuir探针应用最广，这是一种有源探针，适合稳态等离子体的检测。本发明拟采用无源电探针方法，可以实时探测等离子体温度，无源电探针方法也已有电弧等离子体上应用的先例(傅育文，胡绳荪，易小林，等.等离子云信号检测与影响因素分析[J]，焊接学报，2003. 10，第24卷第5期，29 32)。
本发明则是将无源电探针方法和光探针方法有机结合，针对激光等离子云(熔池外激光等离子体)，光谱信号与电信号同步实时检测，在时间和空间上对激光等离子体状态及其状态的变化进行精细分析。光探针可以探测很小局部的等离子体信号，光探针扫描检测可以进行整体的探测；无源电探针可以实时探测等离子体温度。本发明主要面向具有一定波动性的激光焊光致等离子体，电信号检测可以实时反映等离子体内温度的变化，是重要的时间参照，在此基础上研究光谱检测丰富的信息内容，光电信号相互对照，实现对激光等离子体较高时空分辨率的实时过程检测，对于激光焊过程质量监控具有重要意义。发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的激光等离子体光谱诊断时因受到一些因素影响时造成由于激光等离子体存在一定的波动现象而不利于实时质量监控的缺陷，提供一种将光探针与电探针有机结合、对激光等离子云(熔池外激光等离子体)的光电信号进行同步实时检测的探针式光电检测装置及其使用方法。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种检测激光等离子体的光电探针，包括光导纤维、密闭腔和导线，其特征在于， 所述光导纤维由密闭腔引出，密闭腔的另一端的中心位置设置有中空管的光探针，光探针采集的光信号经过中空管进入密闭腔后由光导纤维输出到光谱仪；在与光探针相邻1 20mm的平行位置设置有电探针，电探针可以围绕光探针进行旋转调节，电探针后端接导线引出电信号；所述电探针为钨棒，其长度为50 100mm，直径1 2mm，钨棒的外周设置有陶瓷包裹层，钨棒的前端部为裸露钨极，裸露钨极的长度为2 5mm ；所述密闭腔的长度为 50 60mm，内径5 15mm ；所述光探针的伸出长度为30 50mm，内径不超过1. 5mm，外径尺寸便于安装即可。
所述密闭腔为圆筒形，具有一定强度，使用过程中不发生影响光信号传输的变形。
检测激光等离子体的光电探针的使用方法，具有如下步骤
(1)检测前准备将光纤与光谱仪连接，电探针导线与数据采集电路连接，数据采集电路包含信号放大处理电路和数据采集卡，光谱仪与数据采集卡连接到计算机，由计算机统一处理两者采集的信息；
(2)光电探针需要外加固定装置，保证探针位置调节过程平稳，不发生失稳晃动； 根据所探测的激光等离子云的具体位置，在三维方向调整对准探测点，探针要保持水平，正对目标；电探针应将裸露钨极完全深入激光等离子云，以保证电探针探测条件相同，检测等离子体和工件之间的电压；
(3)选择合适激光焊参数，光探针与等离子体距离由等离子体光强确定，以保证采集到的最大光谱强度不超过光谱仪强度量程；光探针采集光信号传送到光谱仪，电探针采集电信号传送到数据采集卡，光电信号的同步采集与处理由计算机完成；激光焊参数选择范围激光功率> 500W，离焦量-5 5mm，焊接速度及保护气体流量可根据具体情况确定； 光探针与激光等离子云边缘保持IOmm以上的距离。
(4)信号采集开始时，计算机接收电探针传感器的电压信号，转化储存到计算机中，同时系统输出一组频率为1 IOOHz的TTL脉冲信号，光谱仪接收到触发信号的上升沿时，开始采集光谱数据，并在2 50ms后完成采集，其数据传送到计算机通过相应的光谱仪软件得到一幅光谱谱图；为保证触发信号准确，采集系统在采集信号同时将触发信号进行回采，组成一套触发信号输出与信号回采检测的闭环系统；经过一段时间的信号采集，可得到一系列的电压信号和光谱谱图，电压采集可得到伏特-时间坐标图，光谱信号采集可得到光强-波长坐标图，两者可参考TTL脉冲信号时间序列进行比对，实现两者对应，达到光电信号同步。
所述步骤( 可以根据不同检测目的，调节固定装置水平、竖直方向以改变光电探针位置，检测不同位置的等离子体光电信号特征。
应当指出的是等离子体温度是一个宏观概念的参数，其内涵应包括等离子体内部粒子的电子温度和离子温度等参数。在平衡条件下，电子温度、离子温度与等离子体温度一致。
本发明的有益效果是，能够将光检测与电检测方法有机结合，对激光焊过程等离子体进行高时空分辨率的多维光电信息同步检测，综合利用光探针检测光谱的信息精细丰富，电探针检测则实时性很好的特点，不仅可以用于过程较为稳定的等离子体的检测，也可用于具有波动性的等离子体动态过程的检测，还可以用于电弧等离子体的检测。
图1是光电探针结构示意图2是同步采集系统时序原理图3是激光等离子云空间检测网格划分示意图4是光电检测理论原理图5是光电信号同步采集系统结构；
图6是同步采集到的光电信号
附图标记说明
1——光导纤维2——导线
3——密闭腔4——光探针
5——电探针(钨棒) 6——陶瓷包裹层
7——裸露钨极具体实施方式
本发明的检测激光等离子体光电探针的结构如附图1所示，一个直径为Imm的中空管作为光探针4，其内径为0. 6 0. 8mm，光探针4伸出长度为30 50mm，在其相邻位置有一直径为1 2mm的钨棒作为电探针5，其表面喷涂一层陶瓷包裹层6起绝缘作用，涂层长度为50 100mm，在其端部有一长度为2 5mm钨棒金属裸露部分为裸露钨极7，该部分将伸入激光等离子体进行探测。裸露钨极7将探测到的电信号从钨棒另一端由导线2引出， 光信号经过中空管进入密闭腔3，由光导纤维1传送给光谱仪或光电转换器件。密闭腔3的长度为50 60mm，为圆筒形，其内径5 15mm，具有一定强度，便于安装，使用过程中不发生影响光信号传输的变形。本发明采用光电探针分离设计，电探针5与光探针4平行，相对距离为1 20mm，电探针5可围绕光探针4进行旋转调节，方便调整电信号采集位置；光探针4采集的等离子云信号不受电探针5的干扰，提高了光谱采集信号的准确性。
本发明的检测激光等离子体光电探针的使用方法如下。
检测开始前，将光纤与光谱仪连接，电探针导线与数据采集电路连接，数据采集电路包含信号放大处理电路和数据采集卡，光谱仪与数据采集卡连接计算机，做好数据采集准备工作。光电探针使用时需要外加固定装置，保证探针位置调节过程平稳，不发生失稳晃动。根据所探测的激光等离子云的具体位置，可以在三维方向调整对准探测点，探针使用时需要保持水平，正对目标，以免探测失真。电探针需深入等离子云内部测量，使用时应将裸露钨极完全深入等离子体，以保证电探针探测条件相同，检测等离子体和工件之间的电压。
根据实验要求选择合适激光焊参数，激光焊参数选择范围激光功率> 500W，离焦量-5 5mm，焊接速度及保护气体流量可根据具体情况确定；光探针与激光等离子云边缘保持IOmm以上的距离，以保证采集到的最大光谱强度不超过光谱仪强度量程。信号采集开始时，计算机接收电探针传感器的电压信号，转化储存到计算机中，同时系统输出一组频率为1 IOOHz的TTL脉冲信号，光谱仪接收到触发信号的上升沿时，开始采集光谱数据， 并在2 50ms后完成采集得到一幅光谱谱图。为保证触发信号准确，采集系统在采集信号同时将触发信号进行回采，组成一套触发信号输出与信号回采检测的闭环系统。经过一段时间的信号采集，可得到一系列的电压信号和光谱谱图，两者可参考TTL脉冲信号时间序列进行比对，实现两者对应，达到光电信号同步。同步采集原理如图2所示。
根据不同实验目的，调节固定装置水平、垂直方向以改变光电探针位置，检测不同位置的等离子体光电信号。
实施例1
在光探针检测的同时，电探针检测相邻的体积元，例如图3所示，光探针检测以、 体积元时，电探针可检测\ \体积元之一，被检测体积元的空间相对位置选择要避免相互干扰。再分别利用电探针与光谱检测结果计算等离子体温度等等离子体参数，相互对照验证。在不同位置重复本步骤的试验，综合各个位置的数据研究激光等离子体温度分布和质量分布的空间特征，确定光探针和电探针合理的相对位置。
电探针检测分析等离子体内部某体积元的电子温度甚至离子温度，实时性好；光探针同步检测相邻体积元的光谱信息，分析计算等离子体温度与密度。光电探针同步检测相邻的体积元，可分别计算等离子体温度，根据LTE状态等离子体的性质，两者计算的温度应基本一致，相互对照，相互验证，探索二者之间的关系及其反应出的等离子体状态的规律，可以对波动条件下的等离子体的检测分析。此项检测在空间上包括两个方面一是针对固定体积元状态变化的时间检测；二是位置扫描，对不同体积元的光电检测。
光电检测的技术原理如附图4所示，但本发明的侧重点在于光电信号的同步检测
对于光谱信号，对采集到的光谱信号进行处理，标定光谱图各激发谱线的激发元素，再使用较常用的Boltzmarm图法或相对光强法计算等离子体温度。对于电信号可根据等离子体鞘层理论分析计算等离子体温度。两者分别计算温度，相互对比印证。
最佳实施例
光电探针的电信号采集通过电压传感器输入到计算机内的采集卡，采样频率最高可达ΙΜΚΗζ。光信息采集采用光纤式数字光谱仪，对200-1100nm波段范围的光谱进行采集。系统的计算机负责信号采集与同步工作。采集开始时，计算机输出一组频率固定(例如4Hz)的TTL脉冲信号做为同步触发信号，光谱仪检测到触发信号的上升沿时，开始采集光谱数据，并在一定的时间(例如ans)内完成采集得到一幅光谱谱图，存储到计算机中，然后等待下一次触发采集；同时计算机接收电压传感器传回的电压信号，数据按时间顺序储存到计算机中；以同步信号为基准就可以进行光谱信号和电信号基于时间的对比分析。由于电信号的采集可达ΙΜΚΗζ，在利用同步信号进行时间标定后也可以做为时间基准。图5是实验建立的光电采集系统示意图。
一个实验采用1500W激光功率，氩气侧向保护，被焊件为低碳钢板。一个对体积元的检测信号如图6所示，图6 (a)为电探针采集的激光等离子体电信号(上)及TTL同步信号(下)，图6(b)和(c)分别同步采集的光谱信号，其中图6(b)是前一个同步信号上升沿之后光谱仪5ms积分对应的光谱信号，图6 (c)是后一个同步信号下降沿之后光谱仪5ms积分对应的光谱信号。
对于光谱信号，对采集到的光谱信号进行处理，标定光谱图各激发谱线的激发元素，再使用玻尔兹曼(Boltzmarm)图法或相对光强法计算等离子体温度，对于电信号可根据等离子体鞘层理论中的泊松(Polsson)方程计算等离子体温度，两者温度相互对比印证。
对于图6，在两幅光谱图中，对于FeI374. 556nm、FeI382. 043nm和FeI385. 637nmi普线，利用相对光强法计算，前一幅光谱图表明的等离子体温度约为3300K，后一幅光谱图表明的等离子体温度约为3200K。测得的电信号是负信号，在第一个同步信号时间内有较多叠加在稳定值上面的持续时间很短的波动，对于此波动幅值利用泊松方程估算等离子体温度约为3350K。所计算的温度值相差不大，基本上是一致的，说明了光电信号所反映的温度信息是一致的。然而，对于第一个同步信号之后的电信号波动，说明等离子体中存在能量变化，电信号实时反映了其变化过程，这可以解释其对应的光谱较强；而每个波动持续时间很短，说明等离子体驰豫时间很短且能量波动不大，这种波动对等离子体温度影响不大。
权利要求
1.一种检测激光等离子体的光电探针，包括光导纤维、密闭腔和导线，其特征在于，所述光导纤维由密闭腔引出，密闭腔的另一端的中心位置设置有中空管的光探针，光探针采集的光信号经过中空管进入密闭腔后由光导纤维输出到光谱仪；在与光探针相邻1 20mm 的平行位置设置有电探针，电探针可以围绕光探针进行旋转调节，电探针后端接导线引出电信号；所述电探针为钨棒，其长度为50 100mm，直径1 2mm，钨棒的外周设置有陶瓷包裹层，钨棒的前端部为裸露钨极，裸露钨极的长度为2 5mm ；所述密闭腔的长度为50 60mm,内径5 15mm ；所述光探针的伸出长度为30 50mm，内径不超过1. 5mm，外径尺寸便于安装即可。
2.根据权利要求1的检测激光等离子体的光电探针，其特征在于，所述密闭腔为圆筒形，具有一定强度，使用过程中不发生影响光信号传输的变形。
3.权利要求1的检测激光等离子体的光电探针的使用方法，具有如下步骤(1)检测前准备将光纤与光谱仪连接，电探针导线与数据采集电路连接，数据采集电路包含信号放大处理电路和数据采集卡，光谱仪与数据采集卡连接到计算机，由计算机统一处理两者采集的信息；(2)光电探针需要外加固定装置，保证探针位置调节过程平稳，不发生失稳晃动；根据所探测的激光等离子云的具体位置，在三维方向调整对准探测点，探针要保持水平，正对目标；电探针应将裸露钨极完全深入激光等离子云，以保证电探针探测条件相同，检测等离子体和工件之间的电压；(3)选择合适激光焊参数，光探针与等离子体距离由等离子体光强确定，以保证采集到的最大光谱强度不超过光谱仪强度量程；光探针采集光信号传送到光谱仪，电探针采集电信号传送到数据采集卡，光电信号的同步采集与处理由计算机完成；激光焊参数选择范围 激光功率> 500W,离焦量-5 5mm，焊接速度及保护气体流量可根据具体情况确定；光探针与激光等离子云边缘保持IOmm以上的距离。(4)信号采集开始时，计算机接收电探针传感器的电压信号，转化储存到计算机中，同时系统输出一组频率为1 IOOHz的TTL脉冲信号，光谱仪接收到触发信号的上升沿时，开始采集光谱数据，并在2 50ms后完成采集，其数据传送到计算机通过相应的光谱仪软件得到一幅光谱谱图；为保证触发信号准确，采集系统在采集信号同时将触发信号进行回采， 组成一套触发信号输出与信号回采检测的闭环系统；经过一段时间的信号采集，可得到一系列的电压信号和光谱谱图，电压采集可得到伏特-时间坐标图，光谱信号采集可得到光强-波长坐标图，两者可参考TTL脉冲信号时间序列进行比对，实现两者对应，达到光电信号同步。
4.根据权利要求3的检测激光等离子体的光电探针的使用方法，其特征在于，所述步骤( 可以根据不同检测目的，调节固定装置水平、竖直方向以改变光电探针位置，检测不同位置的等离子体光电信号特征。
全文摘要
本发明公开了一种检测激光等离子体的光电探针，包括光导纤维、密闭腔和导线，所述光导纤维由密闭腔引出，密闭腔的另一端的中心位置设置有中空管的光探针；在与光探针的平行位置设置有电探针，所述电探针为钨棒，钨棒的外周设置有陶瓷包裹层，钨棒的前端部为2～5mm裸露钨极。使用方法为，对采集到的光谱信号进行处理，标定光谱图各激发谱线的激发元素，再使用Boltzmann图法或相对光强法计算等离子体温度；电信号可根据等离子体鞘层理论分析计算等离子体温度；再相互对比印证。本发明能够将光检测与电检测方法有机结合，对激光焊过程等离子体进行高时空分辨率的多维光电信息同步检测，也可用于波动性的等离子体动态过程和电弧等离子体的检测。
文档编号G01N21/63GK102507513SQ20111036053
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者刘威, 张伟超, 徐文豪, 李桓, 杨立军, 石文玲 申请人:天津大学