CN101782429A - 非对称电弧光谱强度多角度测量装置及方法 - Google Patents

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张广军
熊俊
高洪明
吴林
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Abstract

非对称电弧光谱强度多角度测量装置及方法，涉及一种测量电弧光谱强度的装置和方法。解决了现有的电弧光谱强度的测量装置和方法存在装置不固定而引起的占用空间大、系统周围工作空间受限制的问题。步进电机主动齿轮、从动齿轮啮合，焊枪通过从动齿轮和轴承固定在焊枪夹板上，水冷铜板设置在焊枪的正下方，依次设置透镜、窄带滤光片和CCD摄像机，步进电机接收来自计算机的控制信号，步进电机带动主动齿轮转动固定角度，主动齿轮带动从动齿轮转动相应角度，从动齿轮带动焊枪转动；焊枪产生非对称耦合电弧，非对称耦合电弧产生的电弧等离子体辐射光通过透镜、窄带滤光片和CCD摄像机采集图像；适用于工作空间受限的非对称电弧光谱强度测量。

Description

非对称电弧光谱强度多角度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量电弧光谱强度的装置和方法。
背景技术
众所周知，温度场是电弧等离子体的重要特性之一。对于柱对称电弧等离子体温度场诊断，由于电弧的对称性，只需要测得一个方向的电弧辐射谱强度。而对于非对称电弧等离子体温度场诊断问题，基于电弧的非对称性，非对称电弧的谱强度不仅与径向位置有关，而且与等离子体所处的方位角有关，测量仪器需要从多个角度对非对称电弧进行测量，从而获得其多个角度下的辐射光谱强度分布，然后选择相应的算法根据多个角度下光谱强度分布恢复发射系数，最后由光谱诊断的原理计算其温度场。因此，测得非对称电弧多个角度的光谱强度分布是对电弧等离子体进行诊断的重要前提。
目前的现有技术一般是基于整个测量系统旋转的方式测量其辐射光谱曲线，但是在实际工作环境中，由于测量系统成像光路较长，占用空间范围大和系统周围工作空间的限制，不适合将这种复杂的系统作为旋转部分，因此开发了应用于非对称电弧多角度谱强度测量的新方法：测量装置固定、焊枪旋转。这种新方法简单有效。
发明内容
本发明为了解决现有技术的电弧光谱强度的测量装置和方法存在装置不固定而引起的占用空间大、系统周围工作空间受限制的问题，提出一种非对称电弧光谱强度多角度测量装置及方法。
非对称电弧光谱强度多角度测量装置，它包括步进电机、减速器、焊枪、CCD摄像机、窄带滤光片、透镜、水冷铜板、焊枪夹板、轴承和计算机，所述减速器由主动齿轮和从动齿轮组成，步进电机的电机轴插入主动齿轮的中心，主动齿轮与从动齿轮啮合，焊枪下端插入轴承的中心，从动齿轮的转动轴与焊枪上端连接，所述焊枪夹板为“L”形结构，焊枪夹板由水平面和竖直面组成，轴承固定安装在焊枪夹板水平面的通孔中，步进电机、减速器固定在焊枪夹板竖直面上，水冷铜板设置在焊枪的正下方，透镜、窄带滤光片和CCD摄像机设置在焊枪产生的非对称耦合电弧的侧面，且使非对称耦合电弧产生的电弧等离子体辐射光依次入射至透镜、窄带滤光片和CCD摄像机，CCD摄像机的信号输出端与计算机的信号输入端相连，计算机的信号输出端与步进电机的信号输入端相连。
非对称电弧光谱强度多角度测量方法，具体步骤如下：
步骤A、计算机向步进电机发出驱动信号，步进电机带动主动齿轮转动所选定固定角度，主动齿轮带动从动齿轮转动相应角度，从动齿轮带动焊枪转动；
步骤B、产生非对称耦合电弧的焊枪静止后，非对称耦合电弧产生的电弧等离子体辐射光通过透镜和窄带滤光片，由CCD摄像机采集特征谱强度图像；
步骤C、返回执行步骤A，直到在0°-180°范围内完成了多个角度对非对称耦合电弧的特征谱强度进行的测量。
本发明可以从多个角度对非对称电弧等离子体辐射光进行测量，获得其多个方向的谱强度分布，通过装置不动，焊枪旋转的方式，实现了非对称电弧谱强度的快速测量。适用于工作空间受限的非对称电弧光谱强度测量。
附图说明
图1为非对称电弧光谱强度多角度测量装置。图2为焊枪旋转装置局部放大示意图。图3本发明拍摄的非对称耦合电弧12在0°下耦合电弧图片。图4本发明拍摄的非对称耦合电弧12在15°下耦合电弧图片。图5本发明拍摄的非对称耦合电弧12在30°下耦合电弧图片。图6本发明拍摄的非对称耦合电弧12在45°下耦合电弧图片。图7本发明拍摄的非对称耦合电弧12在60°下耦合电弧图片。图8本发明拍摄的非对称耦合电弧12在75°下耦合电弧图片。图9本发明拍摄的非对称耦合电弧12在90°下耦合电弧图片。图10本发明拍摄的非对称耦合电弧12在105°下耦合电弧图片。图11本发明拍摄的非对称耦合电弧12在120°下耦合电弧图片。图12本发明拍摄的非对称耦合电弧12在135°下耦合电弧图片。图13本发明拍摄的非对称耦合电弧12在150°下耦合电弧图片。图14本发明拍摄的非对称耦合电弧12在165°下耦合电弧图片。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，非对称电弧光谱强度多角度测量装置，它包括步进电机1、减速器0、焊枪4、CCD摄像机9、窄带滤光片7、透镜6、水冷铜板5、焊枪夹板13、轴承14和计算机10，所述减速器0由主动齿轮2和从动齿轮3组成，步进电机1的电机轴插入主动齿轮2的中心，主动齿轮2与从动齿轮3啮合，焊枪4下端插入轴承14的中心，从动齿轮3的转动轴与焊枪4上端连接，所述焊枪夹板13为“L”形结构，焊枪夹板13由水平面13-1和竖直面13-2组成，轴承14固定安装在焊枪夹板13水平面13-1的通孔中，步进电机1、减速器0固定在焊枪夹板13竖直面13-2上，水冷铜板5设置在焊枪4的正下方，透镜6、窄带滤光片7和CCD摄像机9设置在焊枪4产生的非对称耦合电弧12的侧面，且使非对称耦合电弧12产生的电弧等离子体辐射光依次入射至透镜6、窄带滤光片7和CCD摄像机9，CCD摄像机9的信号输出端与计算机10的信号输入端相连，计算机10的信号输出端与步进电机1的信号输入端相连。
焊枪4产生非对称耦合电弧12，非对称耦合电弧12产生的电弧等离子体辐射光通过透镜6、窄带滤光片7和CCD摄像机9采集特征谱强度图像，水冷铜板5作为电弧焊接的阳极，其导热性好，通入冷却水后，采用大电流焊接也不会熔化，窄带滤波片7的作用是使辐射光线通过窄带滤波片7后，获得某一特定波长的光。轴承14起支撑焊枪4的作用。计算机10采集的图像大小可以通过调节透镜6与耦合电弧12的距离实现。
本发明的装置逆向设置也可。
具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于非对称电弧光谱强度多角度测量装置还包括中性衰减片8，中性衰减片8设置在窄带滤光片7和CCD摄像机9中间，中性衰减片8的高度保证辐射光顺利通过。
具有某一特定波长辐射光线经过中性减光片8，使该波长的光强均匀减少，为配合适当的光圈曝光量。
具体实施方式三、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于焊枪4为双钨极氩弧焊焊枪。
具体实施方式四、结合图1说明本实施方式，非对称电弧光谱强度多角度测量方法，具体步骤如下：
步骤A、计算机10向步进电机1发出驱动信号，步进电机1带动主动齿轮2转动所选定固定角度，主动齿轮2带动从动齿轮3转动相应角度，从动齿轮3带动焊枪4转动；
步骤B、产生非对称耦合电弧12的焊枪4静止后，非对称耦合电弧12产生的电弧等离子体辐射光通过透镜6和窄带滤光片7，由CCD摄像机9采集特征谱强度图像；
步骤C、返回执行步骤A，直到在0°-180°范围内完成了多个角度对非对称耦合电弧12的特征谱强度进行的测量。
焊枪4每次转动的角度可以为5°、10°、15°或其他合理的角度，计算机10通过控制脉冲频率控制步进电机1转动速度，计算机通过控制脉冲的个数来控制步进电机1的转动角度。每次旋转焊枪4后，待产生的非对称耦合电弧12稳定燃烧后拍摄特征谱强度图像。步进电机1转动一定的角度，通过主动齿轮2和从动齿轮3的传动比可以确定从动齿轮3旋转的角度，得知焊枪4的旋转角度。
具体实施方式五、结合图3说明本实施方式，本实施方式是利用本发明的装置和方法进行非对称电弧光谱强度测量的实例，本实施方式中焊枪4每次转动的角度为15°。

Claims (4)

1.非对称电弧光谱强度多角度测量装置，其特征在于它包括步进电机(1)、减速器(0)、焊枪(4)、CCD摄像机(9)、窄带滤光片(7)、透镜(6)、水冷铜板(5)、焊枪夹板(13)、轴承(14)和计算机(10)，所述减速器(0)由主动齿轮(2)和从动齿轮(3)组成，步进电机(1)的电机轴插入主动齿轮(2)的中心，主动齿轮(2)与从动齿轮(3)啮合，焊枪(4)下端插入轴承(14)的中心，从动齿轮(3)的转动轴与焊枪(4)上端连接，所述焊枪夹板(13)为“L”形结构，焊枪夹板(13)由水平面(13-1)和竖直面(13-2)组成，轴承(14)固定安装在焊枪夹板(13)水平面(13-1)的通孔中，步进电机(1)、减速器(0)固定在焊枪夹板(13)竖直面(13-2)上，水冷铜板(5)设置在焊枪(4)的正下方，透镜(6)、窄带滤光片(7)和CCD摄像机(9)设置在焊枪(4)产生的非对称耦合电弧(12)的侧面，且使非对称耦合电弧(12)产生的电弧等离子体辐射光依次入射至透镜(6)、窄带滤光片(7)和CCD摄像机(9)，CCD摄像机(9)的信号输出端与计算机(10)的信号输入端相连，计算机(10)的信号输出端与步进电机(1)的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的非对称电弧光谱强度多角度测量装置，其特征在于非对称电弧光谱强度多角度测量装置还包括中性衰减片(8)，中性衰减片(8)设置在窄带滤光片(7)和CCD摄像机(9)中间。
3.根据权利要求1或2所述的非对称电弧光谱强度多角度测量装置，其特征在于焊枪(4)为双钨极氩弧焊焊枪。
4.利用权利要求1所述的非对称电弧光谱强度多角度测量装置的测量方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤A、计算机(10)向步进电机(1)发出驱动信号，步进电机(1)带动主动齿轮(2)转动所选定固定角度，主动齿轮(2)带动从动齿轮(3)转动相应角度，从动齿轮(3)带动焊枪(4)转动；
步骤B、产生非对称耦合电弧(12)的焊枪(4)静止后，非对称耦合电弧(12)产生的电弧等离子体辐射光通过透镜(6)和窄带滤光片(7)，由CCD摄像机(9)采集特征谱强度图像；
步骤C、返回执行步骤A，直到在0°-180°范围内完成了多个角度对非对称耦合电弧(12)的特征谱强度进行的测量。
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