一种感应等离子体发生器流场温度测量系统的制作方法

本发明属于感应等离子体发生器制粉地面试验技术领域，更具体地，涉及一种感应等离子体发生器流场温度测量系统。

背景技术：

感应等离子体可以产生化学纯净、无污染的高温(8000k-12000k)、低速(5-20m/s)流场，不规则的微米量级粉末颗粒在热等离子体的加热作用下，表面熔融并在表面张力作用下形成球形液滴，之后迅速冷却凝固，从而获得致密、流动性良好、高纯度的球形颗粒，感应等离子体发生器的长时间工作特性也利于粉末球化的大规模生产。感应等离子体球化制粉在3d打印、热喷涂等技术方面具有广阔的前景，目前航空航天和工业冶金领域对于钛粉、钨粉、钼粉、铌粉等金属粉球化有大量的需求，感应等离子体球化粉末的研究得到了国内外研究人员的重点关注。

在等离子体球化粉末过程中，最重要的过程是通过热等离子焦耳加热作用于不规则粉末颗粒，因此等离子体发生器内气流温度是感应等离子体制备球形粉末的关键参数，流场内气流温度的空间分布测量为评估和优化等离子体球化制粉工艺提供了直接定量依据。目前国内外关于感应感应等离子体发生器球化粉末过程中流场的研究主要以数值研究为主：barnesr.m等人、mckelligetw.j等人、bernardid等人相继建立和完善了高频感应等离子体流场的理论和数值模拟研究，获得了高温流场内温度的分布结果。国内方面，北京理工大学的佟健博等，华东交通大学的施阳和等、中国科学院过程工程研究所的何家平等进行了感应耦合等离子体制备球状粉末过程中高温流场的数值模拟工作，获得了空间分辨的温度结果。但实验测量方面，国内外在感应等离子体球化制粉中的温度测量研究很少，由于感应等离子体发生器内的高温(8000k-12000k)环境，传统接触式测量手段无法应用于对流场内气流温度的测量。

因此，特别迫切的需要一种方法能够对等离子体发生器流场温度空间分布进行测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种能够对等离子体发生器流场温度空间分布进行测量的感应等离子体发生器流场温度测量系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种感应等离子体发生器流场温度测量系统，包括：

位移机构，所述位移机构能够在所述感应等离子体发生器的检测平面内移动，所述检测平面垂直于所述感应等离子体发生器的长度方向、宽度方向或高度方向；

辐射采集单元，所述辐射采集单元固定于所述位移机构上且随所述位移机构移动，以便采集所述感应等离子体发生器内等离子体的多个单点的辐射发光；

光谱采集单元，所述光谱采集单元与所述辐射采集单元连接，用于将每个单点的辐射发光分别转换为对应的光谱图；

数据分析单元，所述数据分析单元与所述光谱采集单元连接，用于针对每个单点，基于所述单点对应的光谱图，根据所述光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算所述单点的温度值，从而获得所述感应等离子体发生器内的流场温度分布。

优选的，基于所述单点对应的光谱图，根据所述光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算所述单点的温度值包括：分别针对每个单点，执行以下步骤：

以所述感应等离子体发生器没有进行工作时所述单点对应的光谱图作为背景光谱；

从所述感应等离子体发生器工作时所述光谱采集单元获得的所述单点对应的光谱图中减去所述背景光谱，获得处理后的光谱图；

在所述处理后的光谱图中选择多个谱线，分别对每个谱线的辐射强度进行积分，获得对应的谱线积分强度值，并分别查表确定每个谱线对应的谱线高能级能量；

针对所述多个谱线，基于所述谱线积分强度值的对数值和对应谱线高能级能量进行线性拟合，以所述线性拟合的斜率的倒数与玻尔兹曼常数之商作为所述单点的温度值。

优选的，针对所述多个谱线，以所述对应谱线高能级能量为横坐标，以所述谱线积分强度值的对数值为纵坐标，对所述谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量进行线性拟合。

优选的，对所述处理后的光谱图中等离子体在波长范围为600nm-800nm内第一激发态的谱线进行辐射强度积分。

优选的，所述辐射采集单元为辐射采集镜头。

优选的，所述多个单点以阵列形式分布于所述感应等离子体发生器的检测平面内。

优选的，所述检测平面为水平面，所述检测平面上设有轨道，所述位移机构通过电机驱动沿所述轨道运动。

优选的，所述位移机构包括能够沿竖直方向升降的升降平台，所述辐射采集单元设于所述升降平台上。

优选的，所述光谱采集单元为光纤光谱仪，所述光纤光谱仪的波长范围为350-800nm，光谱分辨率小于0.17nm；

所述测量系统还包括多模光纤，所述辐射采集单元通过所述多模光纤与所述光谱采集单元连接。

优选的，所述感应等离子体发生器与送粉器连接，所述送粉器向所述感应等离子体发生器送入金属原粉。

本发明的有益效果在于：本发明的感应等离子体发生器流场温度测量系统通过获得等离子体发生器内等离子体的单点的辐射发光的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值，通过位移机构的运动带动辐射采集单元采集感应等离子体发生器内等离子体的多个单点的辐射发光，分别计算每个单点的温度，从而获得等离子体发生器流场温度分布，实现了空间三维信息的提取，解决了传统方法无法直接定量等离子体发生器流场温度的难题。

该测量系统为感应等离子体制粉过程中送粉、不送粉对流场参数的影响提供了直接定量手段，对于加深对感应等离子体流场特性的理解大有裨益，为改进、优化制粉工艺中等离子体发生器电参数、气参数以及粉末送粉量等参数提供了直接的定量依据。

本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在本发明示例性实施方式中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的原理示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的谱线积分强度值。

图3示出了图2中600nm-680nm内的谱线积分强度值。

图4示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的单点谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量之间的关系图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的等离子体发生器内直径方向流场温度的空间分布。

附图标记说明：

1、送粉器；2、感应等离子体发生器；3、辐射采集单元；4、位移机构；5、多模光纤；6、光谱采集单元；7、数据分析单元。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的一种感应等离子体发生器流场温度测量系统，包括：

位移机构，位移机构能够在感应等离子体发生器的检测平面内移动，检测平面垂直于感应等离子体发生器的长度方向、宽度方向或高度方向；

辐射采集单元，辐射采集单元固定于位移机构上且随位移机构移动，以便采集感应等离子体发生器内等离子体的多个单点的辐射发光；

光谱采集单元，光谱采集单元与辐射采集单元连接，用于将每个单点的辐射发光分别转换为对应的光谱图；

数据分析单元，数据分析单元与光谱采集单元连接，用于针对每个单点，基于单点对应的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值，从而获得感应等离子体发生器内的流场温度分布。

具体地，感应等离子体发生器由通过氩气击穿起弧，感应等离子体发生器外环绕的铜制线圈中流过的激发电流产生的交变磁场所感生的交变电场，对进入感应等离子体发生器内的试验介质进行加热，产生等离子体，通过辐射采集单元采集感应等离子体发生器内等离子体的单点的辐射发光，由光谱采集单元将单点的辐射发光分别转换为对应的光谱图，再由数据分析单元基于单点对应的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算出单点的温度值；通过位移机构带动辐射采集单元运动，使辐射采集单元获得多个单点的辐射发光，从而获得多个单点的温度值，也就是获得感应等离子体发生器内的流场温度分布。

根据示例性的实施方式的感应等离子体发生器流场温度测量系统通过获得等离子体发生器内等离子体的单点的辐射发光的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值，通过位移机构带动辐射采集单元运动采集感应等离子体发生器内等离子体的多个单点的辐射发光，分别计算每个单点的温度，从而获得等离子体发生器流场温度分布，实现了空间分辨三维信息的提取。根据试验结果，空间点分辨率最高可达0.3nm，具有较高的测量精度，得到感应等离子体发生器流场参数的定量值，解决了传统方法无法直接定量等离子体发生器流场温度的难题，并为感应等离子体制粉过程中送粉、不送粉对流场参数的影响提供了直接定量手段，对于加深对感应等离子体流场特性的理解大有裨益，为改进、优化制粉工艺中等离子体发生器电参数、气参数以及粉末送粉量等参数提供了直接的定量依据。

谱线积分强度值与对应谱线高能级能量之间满足的关系式为：

其中，i为谱线积分强度值，λ为谱线中心波长，gu为谱线高能级的权重，a为谱线的爱因斯坦发射系数，k为玻尔兹曼常数，t为单点的温度，eu为对应谱线高能级能量，c为对应谱线确定的常数。

基于以上原理，根据单点对应的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值包括：分别针对每个单点，执行以下步骤：以感应等离子体发生器没有进行工作时单点对应的光谱图作为背景光谱；从感应等离子体发生器工作时光谱采集单元获得的单点对应的光谱图中减去背景光谱，获得处理后的光谱图；在处理后的光谱图中选择多个谱线，分别对每个谱线的辐射强度进行积分，获得对应的谱线积分强度值，并分别查表确定每个谱线对应的谱线高能级能量；针对多个谱线，基于谱线积分强度值的对数值和对应谱线高能级能量进行线性拟合，以线性拟合的斜率的倒数与玻尔兹曼常数之商作为单点的温度值。

作为优选方案，针对多个谱线，以对应谱线高能级能量为横坐标，以谱线积分强度值的对数值为纵坐标，对谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量进行线性拟合。

作为优选方案，对处理后的光谱图中等离子体在波长范围为600nm-800nm内第一激发态的谱线进行辐射强度积分。

具体的，感应等离子体发生器的侧壁是透明的，分别针对每个单点，以感应等离子体发生器没有进行工作时单点对应的光谱图作为背景光谱，从感应等离子体发生器工作时光谱采集单元获得的单点对应的光谱图中减去背景光谱，获得处理后的光谱图，在处理后的光谱图中选择等离子体在波长范围为600nm-800nm内第一激发态的多个谱线，分别对每个谱线的辐射强度进行积分，获得对应的谱线积分强度值，分别查表确定每个谱线对应的谱线高能级能量。根据谱线积分强度值与对应谱线高能级能量之间满足的关系式，针对多个谱线的数据作图，以对应谱线高能级能量为横坐标，以谱线积分强度值的对数值为纵坐标，将每个谱线对应的点标记在图中，将多个谱线对应的谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量进行线性拟合，以线性拟合的斜率的倒数与玻尔兹曼常数之商作为单点的温度值。采用相同方法分别获得多个单点的温度值，从而获得等离子体发生器流场温度分布。其中，感应等离子体发生器为高频感应等离子体发生器，所产生等离子体的温度值范围为8000k-15000k。

作为优选方案，辐射采集单元为辐射采集镜头。

具体的，辐射采集镜头采用光学透镜聚焦，采集感应等离子体发生器内等离子体的辐射发光。此时采集的辐射发光是单点辐射发光和其他空间位置强光干扰的叠加。在透镜前布置小孔光阑，可阻挡感应等离子体发生器内等离子体其他空间位置的强光干扰，从而实现空间位置单点辐射发光的采集。

作为优选方案，多个单点以阵列形式分布于感应等离子体发生器的检测平面内。

具体的，多个单点以阵列的形式分布于感应等离子体发生器的检测平面内，使采集点全面遍布等离子体发生器内部空间，以获得等离子体发生器内的流场温度分布。

作为优选方案，检测平面为水平面，检测平面上设有轨道，位移机构通过电机驱动沿轨道运动。

作为优选方案，位移机构包括能够沿竖直方向升降的升降平台，辐射采集单元设于升降平台上。

具体的，位移机构能够沿水平方向匀速运动，且位移机构的升降平台能够沿竖直方向升降，从而可以带动辐射采集单元采集等离子体发生器内三维空间内的等离子体的多个单点的辐射发光。

作为优选方案，位移机构为电动位移台。

具体的，位移机构为电动位移台，由一台高精密电动升降台和一台高精密电动水平位移台组合而成，升降台和水平位移台通过电机驱动以预设的移动速度沿预设轨道运动，实现水平方向和垂直方向的移动，实现对空间位置的匀速扫描，其重复定位精度小于5微米，最大扫描速度10mm/s，具有良好的运动精度和直线度。

作为优选方案，光谱采集单元为光纤光谱仪，光纤光谱仪的波长范围为350-800nm，光谱分辨率小于0.17nm。

作为优选方案，测量系统还包括多模光纤，辐射采集单元通过多模光纤与所述光谱采集单元连接。

具体的，多模光纤将辐射采集单元采集的等离子体的单点的辐射发光传递至光谱采集单元，以供光谱采集单元将辐射发光转化为光谱图。

作为优选方案，感应等离子体发生器与送粉器连接，送粉器向感应等离子体发生器送入金属原粉。

具体的，送粉器为直通式金属管，将纳米级或微米级的金属原粉随同供给氩气进入感应等离子体发生器内，在等离子体发生器内高温等离子体的加热作用下，表面熔融并在表面张力作用下形成球形液滴，之后迅速冷却凝固，从而获得致密、流动性良好、高纯度的球形颗粒。

实施例一

图1示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的原理示意图。

如图1所示，该一种感应等离子体发生器流场温度测量系统，包括：

位移机构4，位移机构4能够在感应等离子体发生器2的检测平面内移动，检测平面垂直于感应等离子体发生器2的长度方向、宽度方向或高度方向；

辐射采集单元3，辐射采集单元3固定于位移机构4上且随位移机构4移动，以便采集感应等离子体发生器2内等离子体的多个单点的辐射发光；

光谱采集单元6，光谱采集单元6与辐射采集单元3连接，用于将每个单点的辐射发光分别转换为对应的光谱图；

数据分析单元7，数据分析单元7与光谱采集单元6连接，用于针对每个单点，基于单点对应的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值，从而获得感应等离子体发生器内的流场温度分布。

其中，基于单点对应的光谱图，根据光谱图中的谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，计算单点的温度值包括：分别针对每个单点，执行以下步骤：以感应等离子体发生器2没有进行工作时单点对应的光谱图作为背景光谱；从感应等离子体发生器2工作时光谱采集单元获得的单点对应的光谱图中减去背景光谱，获得处理后的光谱图；在处理后的光谱图中选择多个谱线，分别对每个谱线的辐射强度进行积分，获得对应的谱线积分强度值，并分别查表确定每个谱线对应的谱线高能级能量；针对多个谱线，基于谱线积分强度值的对数值和对应谱线高能级能量进行线性拟合，以线性拟合的斜率的倒数与玻尔兹曼常数之商作为单点的温度值。

其中，针对多个谱线，以对应谱线高能级能量为横坐标，以谱线积分强度值的对数值为纵坐标，对谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量进行线性拟合。

其中，对处理后的光谱图中等离子体在波长范围为600nm-800nm内第一激发态的谱线进行辐射强度积分。

其中，辐射采集单元3为辐射采集镜头。

其中，多个单点以阵列形式分布于感应等离子体发生器2的检测平面内。

其中，检测平面为水平面，检测平面上设有轨道，位移机构4通过电机驱动沿轨道运动。

其中，位移机构4包括能够沿竖直方向升降的升降平台，辐射采集单元设于升降平台上。

其中，位移机构4为电动位移台。

其中，光谱采集单元6为光纤光谱仪，光纤光谱仪的波长范围为350-800nm，光谱分辨率小于0.17nm。

其中，测量系统还包括多模光纤5，辐射采集单元3通过多模光纤5与所述光谱采集单元6连接。

其中，感应等离子体发生器2与送粉器1连接，送粉器1向感应等离子体发生器2送入金属原粉。

图2示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的谱线积分强度值。图3示出了图2中600nm-680nm内的谱线积分强度值。在图2和图3中，纵坐标表示谱线积分强度值(a.u)，横坐标表示谱线波长(nm)。

图4示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的单点谱线积分强度值的对数值与对应谱线高能级能量之间的关系图。

如图4所示，针对多个谱线的分别对应的谱线积分强度值的对数值与谱线高能级能量作图，以对应谱线高能级能量为横坐标，以谱线积分强度值的对数值为纵坐标，将每个谱线对应的点在图中标记为圆圈，将多个圆圈进行线性拟合，根据拟合直线的斜率计算单点温度值。在图4中，纵坐标表示谱线积分强度值的对数值，横坐标表示谱线高能级能量(ev)。

图5示出了根据本发明的一个实施例的感应等离子体发生器流场温度测量系统的等离子体发生器内流场温度的径向空间分布。

如图5所示，虚线代表没有金属粉进入时的等离子体发生器的流场温度分布情况，直线代表有金属粉进入时的等离子体发生器的流场温度分布情况。在图5中，纵坐标表示等离子体的温度值(k)，横坐标表示等离子体发生器的径向位置(mm)。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。