[发明专利]多组分焊接电弧等离子体的温度和浓度测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及温度测量与控制领域，特别涉及焊接电弧等离子体温度和浓度测量的方法与基于高速摄影的等离子体采集装置。

背景技术

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。定量的分析这些反应参数并用于监控焊接过程，对于控制焊缝成型、提高焊接质量具有重要意义。目前对焊接电弧等离子体研究的前提是假设电弧中只有一种成分，并对温度进行测量，主要采用光谱法。光谱法是针对等离子体辐射的一种测量分析方法，其原理是借助光谱仪器将电弧辐射信号分解为光谱信号，再根据光谱强度与电弧等离子体内部温度、粒子浓度、成分的关系等规律来反映电弧内部的物理状态及其过程。

目前用于等离子体光谱诊断的装置主要是计算机控制的光电直读式光谱仪（可参见文献：“Murphy,A.B.,Modified Fowler–Milne method for the spectroscopic measurement oftemperature and composition of multielement thermal plasmas.Review of ScientificInstruments,1994.65(11):p.3423.”，以及“Hiraoka,K.,T.Shiwaku,and T.Ohji,Determining temperature distributions of gas tungsten arc(TIG)plasma by spectroscopicmethods.Welding International,1997.11(9):p.688-696.”），它使用光栅作为分光系统，通过光栅的转动实现波长的扫描，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的限制，也不利于其应用普及。公开文献“赵家瑞,et al.,图象处理法快速诊断电弧等离子体的研究.计量学报,1988.4:p.004.”用红外摄象法摄取电弧图象，将图象信息经A/D转换接口送入微计算机进行图象处理，获得电弧温度场。实验系统由电弧发生、红外摄象、微机图象处理及伪着色显示4个系统组成。其中红外摄像系统包括窄带滤光片，中性滤光片、光阑、透镜、延伸器和红外摄像机。实验使用辐射能量标准灯进行辐射强度标定，并用绝对强度法计算电弧的温度。公开文献“Ma,S.,et al.,Spectroscopicmeasurement of temperatures in pulsed TIG welding arcs.Journal of Physics D:AppliedPhysics,2011.44(40):p.405202.”发明了焊接电弧温度测量用成像装置，目标焊接电弧所发出的光依次经准直透镜、带通滤光片、多级分光装置、滤光器后获得多束不同波长的单色平行光束，此多束单色平行光束经过成像物镜后在CCD探测器上成像。并用单组分标准温度法测量电弧的温度。此装置中的成像系统由多级光路组成，需要很高的精度，在应用中也受到了一定的限制。

目前，对双组分焊接电弧等离子体温度和成分的测量不多，公开文献“Murphy,A.B.,Modified Fowler–Milne method for the spectroscopic measurement of temperature andcomposition of multielement thermal plasmas.Review of Scientific Instruments,1994.65(11):p.3423.”利用光谱仪根据双组分标准温度法，研究氩氮混合电弧的分布不均匀情况，并得出定量温度分布和气体成分分布。

在科研分析过程中，我们在测量电弧基本参量时，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，我们期望能够有一种方法具有较强的适用性，针对各种的双组分等离子体都能应用，同时又较好的时间和空间分辨率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多组分焊接电弧等离子体的温度和浓度测量装置与方法。