[發明專利]一種平面電弧成像與光譜同步采集裝置

有效

• 申請號: 201711087186.9
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107931784B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 黃曄;李芳;張躍龍;蔡艷;華學明;徐琛
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095;B23K9/32
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明專利涉及電子測量與控制領域，特別涉及一種平面電弧成像與光譜同步采集裝置。

背景技術

焊接等離子體的光譜中包含著豐富的信息，因而被廣泛地應用于焊接機理研究以及對焊接過程實時監控的研究中。通過對焊接等離子體的光譜信息進行分析，是研究焊接過程等離子體物理特性重要的途徑。實現對焊接過程等離子體光譜的采集，對焊接過程的研究尤為關鍵。

在焊接過程中，等離子集中于電極與工件之間(電弧焊)或匙孔上方(激光焊)一個很微小的區域，這個區域內同時也是焊接傳質與傳熱過程發生的主要區域。因此，對焊接等離子體的研究，需要我們獲得等離子體在不同位置的光譜信息。在以往的文獻中，研究者采用單根固定的光纖對等離子體的輻射光譜進行采集，并不能客觀反映地出焊接過程內部機理。

為了進一步地研究等離子光譜信息的空間分布特征，研究人員通過步進電機驅動單芯光纖，對電弧平面的等離子體進行逐點掃描的方式獲得不同位置等離子體輻射光譜。這一種方式所需的時間長，由于在焊接過程中等離子體具有波動性，導致采集的數據具有較大的誤差。

現有技術中也有采用多條光纖同時對一條線上多個點同時進行采集，并通過多通道光譜儀進行分析。這一種方法采集的位置數受限于光纖的數量，分辨率低，并且難以保證每一根光纖的傳輸特性一致。

現有技術中還有通過多組反射鏡反射和凹面鏡聚焦將電弧等離子體輻射投影至多通道光譜儀的入射面狹縫上，利用入射狹縫獲得一條線上的光譜信息的分布。這一種方法相比于通過光纖獲取光譜輻射，能獲得更高的分辨率。然而，實驗中采用的光路系統十分復雜，等離子體輻射在經過多組反射鏡組反射后往往衰減嚴重。并且由于實驗中光路系統平臺依賴于高精度的光學實驗平臺和校準系統，在實際焊接過程的研究中受到很大的限制。

綜上所述，現有技術中以光纖單點采集的方式所需的時間長，由于在焊接過程中等離子體具有波動性，導致采集的數據具有較大的誤差。而以多條光纖同時進行采集的方法，采集的位置數受限于光纖的數量，并且難以保證每一根光纖的傳輸特性一致。另外，現有的利用光學成像的方法所采用的光路系統十分復雜，輻射在經過多組反射鏡組反射后往往衰減嚴重，并且由于實驗中光路系統平臺依賴于高精度的光學實驗平臺和校準系統，在實際焊接過程的研究中受到很大的限制。

在對焊接過程等離子體的研究中，研究人員希望能通過一種簡單可靠的方法對等離子體位于空間不同位置的輻射光譜信息進行采集，并在保證光譜儀采集精度與分辨率的同時，盡量減少光纖傳遞或光學成像鏡組帶來的衰減的影響，并能實現在盡量短的時間內對整個電弧平面內光譜信息進行掃描。

因此，本領域技術人員致力于開發一種平面電弧成像與光譜同步采集裝置。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種平面電弧成像與光譜同步采集裝置，以實現對電弧等離子體空間分布的光譜輻射進行采集和分析，采集裝置簡單可靠，在保證光譜儀采集精度與分辨率的同時，盡量減少光纖傳遞或光學成像鏡組對光譜采集造成的衰減的影響，實現在盡量短的時間內對整個電弧平面內光譜信息進行掃描。

為實現上述目的，本發明提供一種平面電弧成像與光譜同步采集裝置，包括可升降工作臺、平面電弧成像系統、光譜儀、高速攝影相機、觸發裝置和計算機；平面電弧成像系統，光譜儀，觸發裝置以及計算機均安置在可升降工作臺上，通過調整可升降工作臺的高度和位置，使焊接電弧產生的輻射進入平面電弧成像系統中，經平面電弧成像系統分光后，一部分電弧輻射進入光譜儀中，另一部分電弧輻射通過高速攝影相機采集成像；觸發裝置的信號輸出端與平面電弧成像系統以及光譜儀的外觸發接口連接；光譜儀、高速攝影相機以及觸發裝置通過計算機進行設置以及數據儲存。

進一步地，所述平面電弧成像系統包括成像透鏡、小孔光闌、準直透鏡、道威棱鏡、反射鏡、一維運動平臺、分光鏡和玻璃窗口。

進一步地，平面電弧輻射依此通過所述成像透鏡、小孔光闌、準直透鏡和道威棱鏡；平面電弧輻射通過所述成像透鏡聚焦后，經由所述小孔光闌后被所述準直透鏡準直；道威棱鏡使準直后的平面電弧輻射產生旋轉，并由反射鏡反射至分光鏡。

進一步地，所述反射鏡安裝在所述一維運動平臺上；經所述分光鏡分光的一部分平面電弧輻射投射在所述光譜儀的入射平面，進入入射狹縫中經分光后記錄光譜信息，另一部分平面電弧輻射透過所述玻璃窗口進入高速攝影相機中成像。