[發明專利]一種微束等離子弧三維動態光譜檢測系統

無效

• 申請號: 201010101230.9
• 申請日: 2010-01-26
• 公開（公告）號: CN101738257A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: 何建萍;陳戍;焦馥杰;向鋒;王付鑫
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;B23K9/095
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 楊杰民

技術領域

本發明涉及光譜檢測技術領域，具體指一種微束等離子弧三維動 態光譜檢測系統。

背景技術

微束等離子弧主要是氦氣或氬氣等氣體電離后經過機械、熱和電 磁三種壓縮后形成的。微束等離子弧焊是一種小電流的等離子弧焊， 它的電弧加熱工件具有電弧溫度高，能量密度集中，弧柱挺直度好， 電弧穩定性好等特點。

焊接電弧中含有豐富的光譜信息，它是認識焊接物理過程的豐富 源泉，是控制焊接物理過程，實現焊接自動化的先行要素，是繼電弧 電信號后的新興信號源。對焊接電弧測試與對一般環境的測試有很大 不同，首先，電弧溫度高，很難進行直接測量，一般只能進行間接測 量。其次，電源波動、氣流變化等因素對電弧的擾動，使電弧中各種 被測量存在時變性，這種時變速度往往很大，具有隨機性。第三，電 弧空間小但溫度梯度大，各種粒子成分在空間分布很不均勻。第四， 電弧所處的溫度范圍一般為5000～30000K，是一種部分電離的低溫等 離子體，它的粒子中不僅有電子、離子，還有原子和分子，而且常常 是多種元素的離子、原子和分子同時存在，粒子成分很復雜，被認為 是最難測的溫度段。所有這些給焊接電弧測試帶來很大的不便，而光 譜法對克服這些困難具有很大的優越性。

利用光譜信息檢測焊接電弧的技術基礎是借助光譜儀將電弧光 輻射分解為光譜，選擇出特征譜線，再依靠光譜強度與電弧等離子體 內部的溫度、粒子濃度和成分等因素的關系來反映和測定電弧內部的 物理狀態和過程，然后將所測的結果作為控制信號實時反饋到控制系 統，對電弧過程進行控制。

然而，目前對電弧的光譜檢測僅僅限于對電弧的外圍光譜信號， 而其檢測系統無法對電弧內部的光譜信號進行辨別和檢測。因此，所 測的光譜信號與實際的電弧的光譜信號有嚴重的偏差，也就不能夠為 進一步的電弧過程控制和研究提供可靠的數據。

經對現有技術的文獻檢索發現，李俊岳在《中國工程科學》2001 年6月第3卷第6期發表了題為“焊接電弧光譜信息測控技術及其應 用”的論文。文中提及的當前電弧光譜檢測裝置原理(如附圖1所 示)，電弧的光通過光闌后，經轉鏡反射至凸透鏡變為平行光，通過 光纖傳導后，到達光譜儀。到達光譜儀的光經分光后，到達光電感應 器變為電信號，最后傳入電腦。可以看出，此裝置只能檢測到電弧內 部各點疊加到電弧外圍的總的光譜信號，而無法對電弧內部點的光譜 信號進行識別和采集。

發明內容

本發明的內容在于克服現有技術的不足和缺失，提供一種微束等 離子弧三維動態光譜檢測系統，通過共聚焦技術，使其能夠對微束等 離子弧三維空間的光譜信號進行識別和采集，實現在高強度等離子體 的情況下，更加準確地對微束等離子弧的三維光譜特性進行捕捉。

本發明技術方案包括：三維精密微動平臺、光譜采集軟件、步進 電機控制器、電腦、支架、調節機構、外罩、物鏡、帶針孔的石英片、 光纖、光譜儀和數據線。其中，三維精密微動平臺由可實現空間X、 Y和Z三維方向步進運動的步進電機、螺桿機械機構和底座組成；光 譜采集軟件、控制箱和電腦組成光譜采集控制系統；支架、調節機構 和外罩組成光路系統固定裝置；兩物鏡、帶針孔的石英片組成檢測鏡 頭，且檢測鏡頭安裝在三維精密微動平臺上。檢測鏡頭最前面是兩物 鏡，兩物鏡一前一后，鏡頭反向地安裝在支架上。兩物鏡后安裝一帶 針孔的石英片，其后，安裝光纖。要保證帶針孔的石英片、光纖的中 心和物鏡的中心在同一直線上，以確保有最大光通量通過光路系統， 以減小測量的誤差。由檢測鏡頭的特殊結構是共聚焦技術的核心，也 是本發明的核心。檢測鏡頭、光纖和光譜儀組成微束等離子弧三維動 態光譜檢測系統的光路系統。光纖的一端連接檢測鏡頭，另一端連接 光譜儀。光譜儀通過數據線經USB接口與電腦連接，以實現光電信號 的傳遞和對光譜儀供電。三維精密微動平臺上X、Y和Z三個方向步 進運動的步進電機，也分別和步進電機控制器上的X、Y和Z三個接 口經數據線連接，以實現對電機的步進控制。光譜采集控制系統中的 步進電機控制器通過數據線經USB接口與PC進行連接。光譜采集軟 件適用的操作系統版本可為Windows?XP或Windows2000。

所述的三維精密微動平臺，其底座固定，其上安裝有檢測鏡頭， 且可實現空間X、Y和Z三個方向的步進運動，以實現檢測鏡頭對微 束等離子弧的三維掃描。