一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法与流程

本发明涉及电子测量与控制领域，尤其涉及一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法。

背景技术：

焊接等离子体包含着丰富的信息，因此被广泛用于研究等离子体物理以及实时监控焊接过程。等离子体的温度、电子数密度很难利用直接测量的方法获得，往往需要通过对辐射光谱的诊断获得光谱信息。因此，在对等离子体的研究中，获得可靠的光谱信息十分重要。

对焊接过程中等离子体的光谱诊断中，因为电弧等离子体在空间不同位置和不同时刻的温度、电子密度也十分重要。所以不仅需要采集等离子辐射光谱的频域信息，也需要获得完整的空间与时域信息。现有技术中，有研究人员等将等离子体看作一个均匀的辐射体，通过单根固定的单芯光纤采集辐射光谱进行诊断，这时候采集的光谱不能客观地反映等离子体的空间信息，难以对等离子体的空间分布规律进行深入的研究。

为了研究等离子体的空间分布规律，研究人员通过电机驱动光纤探头，利用单芯光纤逐点采集等离子体平面内的辐射光谱，这种逐点采集的方法采集速度慢，所需要的时间长，由于等离子体辐射波动性具有较大的误差。另外对光谱的时域信息采集时，只能采集等离子某一点辐射的光谱信息，无法同时对多个点的等离子体辐射进行同步采集以及研究。

另一种方法，利用光学成像镜组将电弧等离子体投影在多通道光谱仪(MDA)的狭缝上，利用狭缝取光，从而同时获得一条线上光谱信息。这种方法可以通过驱动成像镜组获得一个平面内的等离子体光谱。但这种方法需要的反射镜组过于复杂，并且等离子体辐射经过多组反射镜折射后光强衰减严重，通过这种方式得到的辐射光谱的信号强度往往较弱。

而在采集光谱的动态时域信息时，通过装有数据采集卡的工业计算机对电压信号进行采集，并用Labview软件对满足条件电弧状态进行同步触发。这种同步触发的方式设备投入大，方法复杂。同时文献仅对电弧信号处于峰值状态和基值状态时输出触发，因此这种方法具有局限性。

文献《CO2激光+脉冲GMAW复合焊接等离子体行为及熔滴过渡控制研究》利用逻辑判断电路的方法对电弧状态为峰值状态、基值状态以及负电流状态进行判断，并自动发生触发脉冲信号，得到对应的光谱信息。但这一种方法不具有可编程性，灵活性低，无法针对脉冲电弧等离子体的在峰值状态与基值状态的任意瞬态触发光谱仪采集。

综上所述，现有的以逐点采集的方法采集速度慢，所需要的时间长，由于等离子体辐射波动性具有较大的误差。另外对光谱的时域信息采集时，只能采集等离子某一点辐射的光谱信息，无法同时对多个点的等离子体辐射进行同步采集以及研究。而现有的成像狭缝取光法需要的反射镜组过于复杂，并且等离子体辐射经过多组反射镜折射后光强衰减严重，通过这种方式得到的辐射光谱的信号强度往往较弱。

现有的技术在对平面电弧进行同步实时采集时，仅对电弧信号处于峰值状态和基值状态时输出触发，无法针对脉冲电弧等离子体的在峰值状态与基值状态时的任意瞬态触发光谱仪采集，因此这种方法具有局限性。

在对电弧辐射分析研究的过程中，我们希望得到电弧处于不同状态时任意时刻的时域信息；同时为了研究电弧在空间上的分布状态，我们期望同一时刻对同一水平线上分布的不同位置的电弧光谱信息进行采集和比较分析，并能实现对整个电弧平面内的光谱信息在尽量短时间内的动态扫描。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置，以实现对平面电弧分布多个点的等离子辐射进行同步采集以及研究，对整个平面电弧进行扫描，短时间内获取整个平面的动态电弧信息，实现对处于峰值或基值状态时任意不同时刻的电弧辐射光谱信息分别进行实时的采集。

为实现上述目的，本发明提供了一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法，包括平面动态电弧扫描、线性多通道采集和同步实时触发；其中

同步实时触发包括当光谱采集平台运动处于停止状态时，光谱时序检测与触发电路触发程序对电弧状态进行检测和判断，并在电弧处于所需要的瞬时状态时输出光谱仪触发信号；

平面动态电弧扫描包括当光谱时序检测与触发电路触发光谱仪采集结束处于不同瞬时状态的电弧的光谱信息后，触发终止程序，并将输出的运动控制信号拉至高电平，然后启动运动控制器控制光谱采集平台的运动电机，带动线性阵列光纤移动到新的采集位置；

线性多通道采集通过线性阵列光纤实现，线性阵列光纤的入射端口设置在光谱成像系统的成像光屏的中心位置，同时固定在光谱采集平台的光纤支架上；出射口端固定在光谱仪的入射狭缝入口。

进一步地，光谱仪是多通道光谱仪，光谱采集平台是一维可移动光谱采集平台。

进一步地，线性阵列光纤的入射端口设置为纤芯线性排列嵌入光谱成像系统的成像光屏的中心位置，出射端口设置为纤芯垂直排列固定在多通道光谱仪的入射狭缝入口。

进一步地，动态电弧通过光谱成像系统投射在成像光屏上，由线性阵列光纤的入射端口同时采集同一直线上不同的辐射，在光纤内转置后从出射端口传输进入多通道光谱仪的入射狭缝入口。

进一步地，光纤支架可垂直移动，并且入射端的纤芯排列方向可改变。

进一步地，光谱时序检测与触发电路的核心由系统级的单片机构成。

进一步地，触发程序设置为当运动控制器向单片机的第一输入端输入高电平时，启动单片机的触发程序。

进一步地，单片机将输出的运动控制信号拉至低电平，并将检测的电弧电流采集传感器的电压模拟信号转换为数字信号，并对数字信号与触发程序内设定的阈值进行比较，得到相应的上升沿状态与下降沿状态。

进一步地，当单片机检测到电弧的电流达到上升沿状态的阈值时，有单片机向多通道光谱仪输出时序触发信号，采集电弧位于峰值状态不同瞬时的光谱辐射信息。

进一步地，当单片机检测到电弧的电流达到下降沿状态的阈值时，有单片机向多通道光谱仪输出时序触发信号，采集电弧位于基值状态不同瞬时的光谱辐射信息。

为实现上述方法，本发明还提供了一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置，包括电弧电流采集传感器，光谱成像系统，光谱采集平台，运动控制器，光谱仪，光谱时序检测与触发电路，线性阵列光纤和计算机；

其中，电弧电流采集传感器通过信号线与光谱时序检测与触发电路的第一输入端相连接，并采集电弧电流信号，光谱时序检测与触发电路的输出端与光谱仪的外部触发接口相连接，光谱仪的光谱信号端通过信号线与计算机相连，并将光谱仪采集到的光谱信号输入计算机；光谱时序检测与触发电路的第二输入端和第二输出端分别与运动控制器的第一输出端和第一输入端相连接，运动控制器的第二输出端与光谱采集平台的运动电机相连接，线性阵列光纤的第一端部嵌入光谱成像系统，同时固定在光谱采集平台的光纤支架上，线性阵列光纤的第二端部固定在光谱仪的入射狭缝入口；光谱成像系统包括成像光屏，光谱成像系统通过成像光屏与光谱采集平台连接成一个整体。

进一步地，光谱采集平台为一维可移动光谱采集平台，光谱仪为多通道光谱仪。

进一步地，光谱成像系统包括光学导轨，凸透镜，光阑和成像光屏，凸透镜和光阑安装在光学导轨上，凸透镜的中心、光阑的小孔及成像光屏的中心处于同一直线上。

进一步地，凸透镜和光阑被设置为可以在光学导轨上移动，光学导轨的长度为1.8-2.3米。

进一步地，线性阵列光纤设置为由光纤纤芯线性排列组成，线性阵列光纤的入射端的纤芯线性排列嵌入在的光谱成像系统上，并且设置为同时在光谱采集平台的光纤支架上，并可在光谱采集平台上垂直移动；线性阵列光纤的出射端的纤芯垂直排列固定在光谱仪的入射狭缝入口。

进一步地，成像光屏固定在一维可移动光谱采集平台上。

进一步地，光谱时序检测与触发电路的核心由系统级的单片机构成，光谱时序检测与触发电路设置为当光谱采集平台处于停止状态后，启动光谱时序检测与触发电路的单片机内的触发程序对电弧状态进行检测和判断，并在电弧处于所需要的瞬时状态时输出光谱仪触发信号。

进一步地，一维可移动光谱采集平台的运动电机通过运动控制器向光谱时序检测与触发电路输出低电平，用于停止谱时序检测与触发电路。

进一步地，一维可移动光谱采集平台的运动电机通过运动控制器向光谱时序检测与触发电路输出高电平，用于触发谱时序检测与触发电路。

进一步地，运动控制器收到的运动状态信号为高电平时，光谱时序检测与触发电路通过电弧电流采集传感器的电压信号对电弧的状态进行检测和判断后，向多通道光谱仪输出触发信号，同步触发多通道光谱仪采集通过线性阵列光纤传输进入入射狭缝入口的同一直线上多个点的电弧辐射光谱。

技术效果

1、利用系统级单片机的片内模数转换器ADC对电弧采集传感器获取的电弧电流信号进行采集和转换，利用单片机的高速CPU内核进行快速比较与运算，通过设置一定的判定条件，可以迅速判断电弧所处的状态并输出满足需要条件的触发信号，从而保证无论电弧处于峰值或者基值的任意时刻，光谱仪硬件触发电路都能同步触发光谱仪，实现对处于峰值或基值状态时任意不同时刻的电弧辐射光谱信息分别进行实时的采集；

2、利用多芯线性阵列光纤和多通道光谱仪，可以保证同时获取位于同一直线上不同位置点上的电弧辐射光谱，达到对某一时刻的瞬时电弧光谱线性分布特征进行分析研究；

3、通过光谱硬件触发电路控制一维可移动光谱采集平台，可以实现对整个平面电弧进行逐行扫描，短时间内获取整个平面的动态电弧信息；

4、通过线性阵列的光纤可以同时采集同一直线上不同点的电弧辐射，并且可以通过这种采集方法实现对整个电弧平面的线扫描；能够同时采集直线上多个不同点的辐射信息，并且对电弧进行平面扫描时具有更快的扫描速度；通过调节线性阵列的方向采集不同取向的直线上的点，并且不需要过于复杂的成像系统，避免了光学成像系统带来的衰减和误差；

5、本发明的装置具有可编程性，可以通过编程对处于峰值或者基值的任意时刻电弧输出触发信号同步触发光谱仪。对单片机进行编程控制更加简单和灵活，投入也更小，对硬件和软件平台要求都很低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置的结构示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法的光谱采集平台装置的结构示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法的光谱时序检测与触发电路时序示意图。

图4是本发明的一个较佳实施例的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法的光谱时序检测与触发电路框图示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置，包括电弧电流采集传感器1，光谱成像系统2，光谱采集平台3，运动控制器4，光谱仪5，光谱时序检测与触发电路6，线性阵列光纤7和计算机8；优选地，光谱采集平台为一维可移动光谱采集平台。其中，电弧电流采集传感器1通过信号线与光谱时序检测与触发电路6的第一输入端相连接，并采集电弧电流传感器1的电弧电流信号，光谱时序检测与触发电路6的输出端与光谱仪5的外部触发接口相连接，光谱仪5的光谱信号端通过信号线与计算机8相连，并将光谱仪5采集到的光谱信号输入计算机8；光谱时序检测与触发电路6的第二输入端与第二输出端分别与运动控制器4的第一输出端和第一输入端相连接，运动控制器4的第二输出端与光谱采集平台的运动电机相连接，线性阵列光纤的第一端部固定在光谱采集平台的光纤支架上，线性阵列光纤的第二端部固定在光谱仪的入射狭缝入口。

其中运动控制器4的第一输入端为控制信号输入端，运动控制器4的第一输出端是状态信号输出端。如图1所示，运动控制器的控制信号输入端和状态信号输出端同在运动控制器的一侧，并且分别与采集光谱时序检测与触发电路的第二输出端和第二输入端相连接。

光谱时序检测与触发电路6的第二输入端连接运动控制器4的第一输出端，用于反馈运动状态控制电路触发程序的启动，光谱时序检测与触发电路6的第二输出端连接运动控制器4的第一输入端，用于光谱时序检测与触发电路6控制运动控制器4开始运动，组成一对双向控制信号。

光谱成像系统2包括光学导轨21、凸透镜22、光阑23、以及成像光屏24。凸透镜22、光阑23以及成像光屏24安装在光学导轨21；凸透镜22的中心、光阑23小孔以及成像光屏24的中心位于同一直线上。光谱成像系统2利用凸透镜成像原理，动态电弧通过凸透镜和光阑在成像光屏上成像。光阑安装在凸透镜后焦点位置处，保证只有水平发射的电弧辐射光能通过光阑的小孔在光屏成像；通过改变凸透镜与成像光屏的相对距离调整像距，获得所需大小的电弧的倒像。优选地，凸透镜为石英凸透镜。

本发明的一较佳实例中的光学导轨长度是1.8-2.3米，优选地为2米。所用凸透镜焦距为300mm，通过凸透镜成像原理，很容易可以计算出凸透镜22、光阑23、成像光屏24在光学导轨上应处的位置，如：需要1:1成像时，以电弧所在位置为0点，凸透镜22、光阑23、成像光屏24位置分布为600mm，900mm和1200mm，物距和相距为600mm(1:1)。通过调节凸透镜22、光阑23、成像光屏24的位置，可以调整电弧所成像的大小，从而保证所将需要采集的电弧辐射通过凸透镜投影到阵列光纤的采集范围中。本发明的一较佳实施例中，所含20根220μm纤芯，采集范围4.4mm。

本发明的一较佳实施例提供了一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法，包括平面动态电弧扫描、线性多通道采集和同步实时触发；其中，

同步实时触发包括当光谱采集平台运动处于停止状态时，光谱时序检测与触发电路触发程序对电弧状态进行检测和判断，并在电弧处于所需要的瞬时状态时输出光谱仪触发信号；

平面动态电弧扫描包括当光谱时序检测与触发电路触发光谱仪采集结束处于不同瞬时状态的电弧的光谱信息后，触发终止程序，并将输出的运动控制信号拉至高电平，然后启动运动控制器控制光谱采集平台的运动电机，带动线性阵列光纤移动到新的采集位置；

线性多通道采集通过线性阵列光纤实现，所述线性阵列光纤的入射端口设置在光谱成像系统的成像光屏的中心位置，同时固定在所述光谱采集平台的光纤支架上；出射口端固定在所述光谱仪的入射狭缝入口。

本发明的一较佳实施例提供了一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法具体解释如下：

电弧电流采集传感器1将采集到的电弧电流信号转换为0～3.3V的电压信号输出至光谱时序检测与触发电路6。

光谱采集平台3的运动电机开始运动时通过运动控制器4向光谱时序检测与触发电路6输出低电平，用于停止光谱时序检测与触发电路6；在光谱采集平台3的运动电机停止运动时通过运动控制器4向光谱时序检测与触发电路6输出高电平，用于触发光谱时序检测与触发电路6。

当运动控制器4输出的运动状态信号为高电平时，光谱时序检测与触发电路6通过电弧电流采集传感器1的电压信号对电弧状态进行检测和判断后，向光谱仪5输出触发信号，同步触发光谱仪5对通过线性阵列光纤传输进入入射狭缝入口的同一直线上的多个点的电弧辐射光谱同时进行实时采集。

光谱时序检测与触发电路6在触发光谱仪5完成线性阵列光纤7所处位置的光谱采集后，终止输出触发信号，并向运动控制器4输出运动控制信号，启动运动控制器控制光谱采集平台3上的运动电机，带动固定在采集平台上的线性阵列光纤7在垂直方向移动，并向光谱时序检测与触发电路6的第一输入端输入运动状态信号。线性阵列光纤7移动到新的采集点位置后，重新启动光谱时序检测与触发电路6控制多通道光谱仪5开始进行新一轮的光谱采集，从而实现对平面动态电弧光谱进行逐行扫描。

线性阵列光纤7是由一组光纤纤芯线性排列组成。本发明的一较佳实施例中，线性阵列光纤7的是由20根220微米的紫外石英纤芯线性排列组成。线性阵列光纤7的入射端口的纤芯线性排列嵌入在光谱成像系统2的成像光屏24的中心位置，同时固定在一维可移动光谱采集平台3的光纤支架上，并且光纤支架可在光谱采集平台3上垂直移动；出射端口的纤芯垂直排列固定在光谱仪5的入射狭缝入口处。光谱采集平台3的光纤支架固定在光谱成像系统2的成像光屏24的中心位置。动态电弧通过光谱成像系统2投射在成像光屏24中心上，由线性阵列光纤7入射端口线性排列纤芯阵列同时采集位于同一直线上不同点的辐射，在光纤内转置后从出射端口垂直排列的纤芯阵列传输进入光谱仪5的纵向入射狭缝。通过垂直移动光谱采集平台3的光纤支架的可以获得电弧不同位置的光谱；入射段的纤芯排列方向可以改变，通过改变入射端纤芯排列的方向可以采集电弧水平、垂直或者其他任意方向直线上多个点的光谱信息。

如图2所示，成像光屏24固定在一维可移动光谱采集平台3上的光纤支架上，成像光屏24的中心被嵌入线性阵列光纤7。成像光屏24一方面是光谱成像系统2所成实像的位置，另一方面是电弧辐射光进入线性阵列光纤7的纤芯的界面。而电弧中心、凸透镜22的中心、光阑23的中心、成像光屏24的中心以及线性阵列光纤7的中心均处于同一直线上，电弧通过光谱成像系统2的凸透镜22和光阑23中心小孔最终在成像光屏24上成像，而所需要采集的线性阵列上的电弧辐射光能够进入成像光屏24中心内所嵌入的阵列光纤内的纤芯内，最终传递给光谱仪。成像光屏将光谱成像系统2、光谱采集平台3、以及线性阵列光纤7连接为一个整体。

光谱时序检测与触发电路6的核心是由系统级的单片机构成，当光谱采集平台运动3处于停止状态后，启动单片机内的触发程序对电弧状态进行检测和判断，并在电弧处于所需要的瞬时状态时输出光谱仪触发信号。光谱时序检测与触发电路6的触发程序为：当运动控制器4向单片机第一输入端输入高电平时，启动单片机触发程序。

系统级单片机(System on Chip，SoC)也叫作片上系统，是一种整合了部分或完全系统的电子电路并含有嵌入软件的单片机系统。如本发明实例中采用的是Silicon Labs公司推出的F8051系列系统级单片机，其系统内整合了高精度的模数转换器(ADC)并且其Cygnal-51内核的指令处理能力强大，能保证达到触发条件时及时输出触发信号。

单片机将输出的运动控制信号拉至低电平，并启动第一定时器以控制片内的模数转换器ADC以100kHz的采样频率将检测的电弧电流采集传感器1的电压模拟信号转换为数字信号，并存储到寄存器中。单片机的CPU对采集到的电压数值与触发程序内设定的阈值进行比较，得到相应的上升沿状态与下降沿状态。当单片机检测到电弧的电流达到上升沿状态或下降沿状态时的阈值时，通过第二定时器逐次延时不同时间，由单片机第二输入端向多通道光谱仪6输出时序触发信号，采集电弧位于峰值或基值状态不同瞬时的光谱辐射信息。

当单片机触发多通道光谱仪5采集结束处于不同瞬时状态的电弧的光谱信息后，单片机的CPU内核终止触发程序，并将输出的运动控制信号拉至高电平，启动运动控制器4控制光谱采集平台3的运动电机，带动线性阵列光纤7垂直移动到新的采集位置。

电弧电流采集传感器1采集的电弧状态信号、光谱时序检测与触发电路6输出的触发信号以及多通道光谱仪5采集的对应电弧状态的光谱数据信息均输入计算机8中存储。

本发明的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集装置，利用系统级单片机的片内模数转换器ADC对电弧采集传感器获取的电弧电流信号进行采集和转换，利用单片机的高速CPU内核进行快速比较与运算，通过设置一定的判定条件，可以迅速判断电弧所处的状态并输出满足需要条件的触发信号，从而保证无论电弧处于峰值或者基值的任意时刻，光谱仪硬件触发电路都能同步触发光谱仪，实现对处于峰值或基值状态时任意不同时刻的电弧辐射光谱信息分别进行实时的采集；并且利用多芯线性阵列光纤和多通道光谱仪，可以保证同时获取位于同一直线上不同位置点上的电弧辐射光谱，达到对某一时刻的瞬时电弧光谱线性分布特征进行分析研究；通过光谱硬件触发电路控制一维可移动光谱采集平台，可以实现对整个平面电弧进行逐行扫描，短时间内获取整个平面的动态电弧信息。

本发明的一种电弧光谱同步实时扫描线性多通道采集方法通过线性阵列的光纤可以同时采集同一直线上不同点的电弧辐射，并且可以通过这种采集方法实现对整个电弧平面的线扫描。通过调节线性阵列的方向采集不同取向的直线上的点，并且不需要过于复杂的成像系统，避免了光学成像系统带来的衰减和误差；本发明的装置具有可编程性，可以通过编程对处于峰值或者基值的任意时刻电弧输出触发信号同步触发光谱仪。对单片机进行编程控制更加简单和灵活，投入也更小，对硬件和软件平台要求都很低。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。