[發明專利]一種基于CCD成像的電弧金屬蒸汽濃度測量系統

有效

• 申請號: 201410077434.1
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103868859A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 王偉宗;于源;李萌;薛明;王春野
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01J5/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種基于CCD成像技術的電弧燒蝕金屬蒸汽濃度空間分布測量系統及測量方法，特別適用于焊接、涂噴、切割、材料處理、開關電器、空間推進等領域電弧等離子體燒蝕金屬蒸汽濃度三維場分布的非接觸式測量。

背景技術

電弧放電是一種能獨立存在的氣體自持放電現象，由電弧放電而獲得的等離子體，稱為電弧等離子體。在焊接、機械、材料、冶金、照明、噴涂、能源、航空、航天等工程領域，電弧放電有著極其廣泛的應用，引起人們的極大關注，這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點。特別地，在航天上，航天繼電器作為一種能夠快速切斷大電流電路的元件，被廣泛應用于航天器各類精密儀器的控制回路中。在一定的條件下，繼電器觸點的接通或分斷過程中會產生明顯的電弧現象。等離子體炬產生的電弧能量密度高，用于焊接具有速度快，生產效率高，熱影響區小，質量好等特點，在航天機械設備加工、制造領域有著廣泛應用。高功率電弧推進器（典型的如電弧發動機和磁致等離子體動力推進器）由太陽能或核能經轉換裝置獲得電能，利用電能電離推進劑加速工質，使其形成高速射流噴出，而產生推力推進航天器飛行，也將在未來的航天任務中發揮更大的作用。

隨著人類探索宇宙空間的深度和范圍大大拓展，特別是以深空探測為標志的新一輪太空探索熱潮到來，未來深空探測等復雜航天任務高效率、長時間的特點對航天設備的工作可靠性提出了更高的要求。當電流較大并且電弧燃燒時間較長時，金屬電極表面將會達到其熔點，這必然會導致金屬蒸汽向電弧核心弧柱區域擴散，使觸頭工作條件劣化，改變電弧等離子體屬性，不僅影響電弧發生器自身的工作性能，也影響相關航天設備工作的可靠性。例如，航天繼電器電弧和觸頭相互作用中，電弧向觸頭輸入能量使觸頭受熱燒蝕生成金屬蒸汽，從而造成了電極材料損耗，使觸頭工作條件劣化。一旦金屬電極發生嚴重的侵蝕，繼電器的工作可靠性和工作壽命必然受影響，從而影響整個航天計劃的實行。等離子體炬焊接電弧能量密度大，陽極在高熱流作用下生成的金屬蒸汽將進入等離子體，改變等離子體的熱物理性質和電導率，影響工件的焊接性能、焊接質量、焊接效率以及等離子體炬的壽命。高功率電弧推進器（電弧發動機和磁致等離子體動力推進器）工作期間，電弧弧根電流密度較大，金屬電極表面近電極區域強烈的傳熱作用引起金屬電極融化燒蝕，不僅改變著電極表面的形貌，影響電極的電壽命和推進器工作的可靠性。同時，電極燒蝕蒸汽進入電弧區域，還將改變電弧放電特性并影響電弧推進器的能量利用效率。因此，測量得到電弧燒蝕金屬蒸汽濃度在電弧內部的動態分布，不僅可以了解電弧對金屬電極的燒蝕激勵以及金屬蒸汽對電弧影響的作用機理，也將為改善電弧作用效果、提高裝置工作壽命、增強裝置工作的可靠性和穩定性提供重要參考。

電弧溫度是描述電弧等離子體熱力學狀態的最重要參數，溫度的變化會影響電弧燒蝕電極的進程，改變燒蝕生成的金屬蒸汽在電弧等離子體中的分布，也是本發明進行金屬蒸汽濃度測量的第一步。因此，有必要首先對電弧的溫度測量開展研究，為分析電弧燒蝕金屬蒸汽濃度在空間的分布特性提供依據和參考。

在電弧溫度的測量中，輻射法技術較為成熟，抗干擾能力好，廣泛應用在電弧溫度測量之中。例如顏湘蓮等人基于電弧輻射的光譜診斷原理，結合彩色電荷耦合元件（charge?Coupled?Device，CCD）的光譜響應特性，提出了與數字圖像處理結合的比色測溫方法。<顏湘蓮，陳維江，賀子鳴，王承玉，武建文，王景.采用光譜診斷法測量長間隙空氣電弧溫度[J]，中國電機工程學報，2011，31（19）：146-152>。該方法的主要缺點：（1），該方法通過兩臺CCD沿著相同的采光方向，對經過兩個中心波長濾光片分光處理得到的電弧單色光束成像，并基于電弧呈柱狀對稱假設進行電弧溫度場分布的計算。實際上，由于長間隙空氣電弧的形狀復雜，非真正的柱對稱，需對電弧在空間上的離散化作近似處理，僅靠兩臺CCD無法實現非柱狀電弧溫度場的三維重構；（2），該方法使用的中性濾光片光衰減率是固定的，無法適應光輻射隨電弧功率動態衰減變化的要求。