[發(fā)明專利]一種不對(duì)稱動(dòng)態(tài)電弧三維實(shí)時(shí)成像采集裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611184705.9
• 申請(qǐng)日: 2016-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN106735797B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李芳;黃曄;牟剛;林文虎;徐琛;華學(xué)明;蔡艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K10/00
• 分類號(hào): B23K10/00
• 代理公司: 上海旭誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開了一種不對(duì)稱動(dòng)態(tài)電弧三維實(shí)時(shí)成像采集裝置及方法，包括光學(xué)平臺(tái)、光學(xué)反射鏡組，光學(xué)成像系統(tǒng)，圖像傳感器和光擋；其中，光學(xué)平臺(tái)設(shè)置于焊接電極下方，用于承載光學(xué)反射鏡組和光學(xué)成像系統(tǒng)；光學(xué)反射鏡組以焊接電極中心為軸分布；光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)置為將光學(xué)反射鏡組反射的不同截面的等離子體在同一平面所成的像通過光學(xué)成像系統(tǒng)縮放到圖像傳感器；光擋位于光學(xué)反射鏡組內(nèi)。本發(fā)明的一種不對(duì)稱動(dòng)態(tài)電弧三維實(shí)時(shí)成像采集裝置及方法，通過一種經(jīng)濟(jì)并且可靠的方法，同時(shí)獲得同一時(shí)刻不同方向截面電弧等離子體的輻射分布信息，從而研究不對(duì)稱電弧等離子體三維分布的物理特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子測(cè)量與控制領(lǐng)域，尤其涉及一種不對(duì)稱動(dòng)態(tài)電弧三維實(shí)時(shí)成像采集裝置及方法。

背景技術(shù)

焊接過程中電弧等離子體中包含著豐富的信息，因此被廣泛應(yīng)用于對(duì)等離子體物理以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究中。目前，大多數(shù)對(duì)等離子場(chǎng)進(jìn)行的研究是基于對(duì)電弧等離子體單一方向上的平面分布信息，并通過假設(shè)電弧中心對(duì)稱獲得電弧三維分布信息。在激光-電弧復(fù)合焊接以及雙絲焊接過程中，電弧的形態(tài)并非中心對(duì)稱的，難以通過獲取電弧的平面分布得到三維分布特征。因此，獲得同時(shí)刻不同方向上的電弧的平面分布信息，才能得到電弧的三維動(dòng)態(tài)分布信息，對(duì)于電弧等離子體的研究具有十分重要的意義。

在焊接等離子體過程中，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是將電弧等離子看作是一個(gè)中心對(duì)稱的輻射體，通過阿貝爾變換的數(shù)學(xué)方法通過單一方向上電弧等離子體的平面分布變換得到電弧等離子體輻射的三維分布，從而進(jìn)一步獲得電弧等離子體場(chǎng)的三維信息(電子溫度、密度、離子濃度等)。這種基于中心對(duì)稱假設(shè)的數(shù)學(xué)變換方法并不能真實(shí)地反映等離子體物理特征的三維分布，難以對(duì)等離子體場(chǎng)的三維分布進(jìn)行客觀的研究。并且，在一些新的焊接方法中，比如雙絲焊接、三絲焊接、激光-電弧復(fù)合焊接等焊接過程，其等離子體并不滿足中心對(duì)稱的假設(shè)，因此需要對(duì)不同方向截面的等離子形態(tài)進(jìn)行采集和分析，進(jìn)而研究其等離子體場(chǎng)的三維分布。

為了獲得等離子體場(chǎng)的三維分布，最關(guān)鍵的是需要采集各個(gè)截面，沿各個(gè)方向角的輻射數(shù)據(jù)。萬雄根據(jù)在以前的文獻(xiàn)提出的等離子三維診斷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，通過將三維火焰等離子體場(chǎng)放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中央位置，并通過步進(jìn)電機(jī)裝置驅(qū)動(dòng)光纖傳感頭對(duì)旋轉(zhuǎn)到不同方向截面的火焰等離子進(jìn)行掃描和采集。基于這種方法，萬雄成功地獲得了不對(duì)稱的四峰火焰等離子體場(chǎng)的三維溫度分布。但是，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)容易對(duì)平臺(tái)上的等離子體容易造成擾動(dòng)，并且對(duì)等離子體發(fā)射裝置具有一定要求。因此，這種方式僅適合對(duì)裝置簡(jiǎn)單的火焰等離子場(chǎng)的三維掃描，對(duì)于焊接過程的等離子體場(chǎng)，難以通過旋轉(zhuǎn)等離子體的方式進(jìn)行不同方向上的采集和掃描。

為了研究非對(duì)稱電弧等離子體的三維分布，大阪大學(xué)建立了一套圍繞電弧中心的旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過搭載一臺(tái)圖像傳感器圍繞電弧等離子體中心旋轉(zhuǎn)，獲取不同方向截面的等離子體分布信息。通過這種方法，大阪大學(xué)對(duì)不對(duì)稱的雙絲焊接過程產(chǎn)生的電弧的三維輻射和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析和研究。但是，這種方法對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和圖像傳感器的體積和性能具有一定的限制和要求，并且通過這種方法無法獲得同一時(shí)刻不同截面的電弧等離子分布信息。

在接下來的研究中，大阪大學(xué)提出通過同時(shí)使用6臺(tái)圖像傳感器圍繞電弧中心相距60°排列，從而同時(shí)獲得不同方向上各個(gè)截面同時(shí)刻的不對(duì)稱電弧等離子體分布信息。這種方法要求6臺(tái)圖像傳感器具有完全相同的傳感特性，設(shè)備投入比較大。并且需要額外的觸發(fā)裝置對(duì)多臺(tái)圖像傳感器進(jìn)行同步的觸發(fā)以獲取同時(shí)刻的等離子信息。

大連理工的通過使用3臺(tái)圖像傳感器以電弧中心為中心軸每間隔120°放置一臺(tái)圖像傳感器，圍繞電弧中心旋轉(zhuǎn)圖像傳感器工作臺(tái)采集多個(gè)方向上的電弧等離子信息。這種折中的方法也未能有效地解決獲得同時(shí)刻不同方向上電弧等離子分布的問題，并且裝置過于復(fù)雜。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種不對(duì)稱動(dòng)態(tài)電弧三維實(shí)時(shí)成像采集裝置及方法，通過一種經(jīng)濟(jì)并且可靠的方法，同時(shí)獲得同一時(shí)刻不同方向截面電弧等離子體的輻射分布信息，從而研究不對(duì)稱電弧等離子體三維分布的物理特性。

發(fā)明內(nèi)容