CN103308208A - 一种等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法和装置，是在等离子体与光纤的探测头之间设置一个固定于三维位移平台上的、由不少于两块取光板构成的微孔取光装置，取光板上设有可调孔径的微孔，各取光板上的微孔与光纤探头同轴设置，对等离子体上某诊断点的辐射进行空间取光，通过光纤传输至光谱仪，并利用一个连接在光谱仪上的瞬时触发控制器进行瞬时触发，采集瞬时光谱，通过计算机计算出等离子体所述诊断点在该瞬时的空间瞬时温度。本发明方法和装置实现了等离子体空间场内某点、某瞬时温度的快速、精确检测。

Description

一种等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法和装置

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术，涉及一种对等离子体空间场内特定点瞬时温度进行快速诊断的测试方法，以及适用于所述诊断方法的装置。

背景技术

等离子体的诊断，是指对它的热力学参数场和输运系数场的测量，如温度、压力和成分、电导率等的测量。而等离子体温度的诊断一直是等离子体应用领域的重要问题，如激光、电弧等多种离子体热源，在焊接、喷涂、熔敷、材料制备等多个领域的应用；电器设备空气开关瞬时高能等离子体等；上述等离子体温度的诊断，对于等离子体的工业应用非常重要。

等离子体温度的诊断可分为接触式和非接触式两大类。由于接触式诊断会干扰被测量的参数场，而且测量探头难于忍受热等离子体的高温，通常采用非接触式方法诊断热等离子体的参数。工业等离子体很难满足黑体（灰体）辐射条件，无法采用红外测温等非接触测试方法，因此光谱方法是非接触式诊断等离子体的主要方法之一，具有无干扰、响应速度快等优点。

但到目前为止，在工业诊断应用中，往往简单地将等离子体看作一个辐射整体，通过其总体辐射来诊断一个统一的平均温度。而等离子体具有一定的空间体积，在不同空间位置上温度差异非常大，如何诊断空间上具体各个点的温度，对于等离子体的分析具有重要意义。一些研究者采用等离子体成像后，再进行狭缝取光的方法，获取等离子体的辐射信息，但该方法会由于成像系统造成等离子体辐射的衰减和信息损失，而且光学系统结构复杂，难以调节。也有研究者采用了长细中空管取光的方法，但该方法存在加工长细中空管困难，使用过程中中空管易于变形，会造成取光失败，同时也存在取光范围、光传输距离无法调节等缺点。

另外，等离子体往往会随外界条件的变化而处于高速变化中（如熔化极等离子体的波动，高压开关的瞬时等离子体），这时就需要获得某个瞬时等离子体的温度，而不是将等离子体看作准稳态，得到一个不随时间变化的温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种对等离子体空间场内特定点瞬时温度进行快速检测的方法和装置，以满足工业应用中对等离子体诊断在空间和瞬时上的要求。

本发明提供的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法是在等离子体与光纤的探测头之间设置一个微孔取光装置，对所述等离子体上某诊断点的辐射进行空间取光，通过光纤传输至光谱仪，并利用一个连接在光谱仪上的瞬时触发控制器进行瞬时触发，采集瞬时光谱，通过计算机计算出等离子体所述诊断点在该瞬时的空间瞬时温度，其中，所述的微孔取光装置由平行设置的不少于两块的取光板构成，在取光板上设有可调孔径的微孔，所述各取光板上的微孔与光纤的探头同轴设置。

上述方法中，所述的瞬时触发是由外加脉冲信号触发采集开关的瞬时开闭，触发光辐射的采集，并由触发信号确定数据采集的瞬时时刻。触发模式为定时触发或条件触发。其中，所述定时触发通过定时器设定，定时发出脉冲，启动光谱仪采集瞬时光谱；所述条件触发以等离子体某一状态的电信号作为特征触发源，检测到电信号满足特征要求时（如在脉冲电弧的脉冲上升沿瞬时）产生脉冲信号，触发光谱仪采集瞬时光谱。所述触发能够在极短的时间内（1μs）产生脉冲信号，触发0.1-2ms内瞬时信息的采集。

本发明方法中，当来自等离子体空间取光点的辐射通过第一个取光板微孔后，由于其辐射点与所有取光板的微孔同轴安装，所以可以通过后续取光板的微孔进入后续采集系统，而取光点之外的其他点辐射则不能通过后续微孔，无法进入采集系统，从而实现了空间定点取光。

其中，取光板上的微孔孔径在0-10mm范围内可调，通过调节微孔的孔径来调整取光的范围；同时，取光板之间的距离在0-500mm范围内可调，通过调节取光板之间的距离，可以调节对周边杂光的屏蔽程度。

取光板越靠近等离子体，越能确定精确的等离子体空间取光点，但受等离子体温度的影响，取光板也不能无限制靠近等离子体。一般地，临近等离子体的取光板应距离等离子体10-20mm。

进而，本发明也提供了一种适用于上述等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法的装置，包括：

一个三维位移平台，用于对拟测量的等离子体某诊断点进行准确定位并给出该诊断点的位移参数；

一个光纤，所述光纤前端探测头固定于三维位移平台上，后端与光谱仪连接，用于将探测头获取的等离子体某诊断点瞬时光信号传输至光谱仪；

固定于所述三维位移平台上的、位于等离子体与光纤探测头之间的可调微孔取光装置，所述可调微孔取光装置由不少于两块的取光板构成，在取光板上设有可调孔径的微孔，所述各取光板上的微孔与取光光纤探测头同轴设置，使得探测头只能获取等离子体上某诊断点的光信号，各取光板之间的间距可调；

瞬时触发控制器，连接在光谱仪上，用于控制光谱仪采集瞬时等离子体光谱信号；

光谱仪，用于接收光纤传输的等离子体某诊断点瞬时光信号，通过色散系统得到其光谱，再由光电传感元件转化为电信号，经模数转换为数字信号，然后将信息实时传输到计算机；

计算机，与光谱仪电连接，用于将接收的光谱信号计算转换成温度。

优选地，所述可调微孔取光装置上的取光板为两块。

其中，所述三维位移平台由步进电机控制，沿空间三维方向移动调整。或者也可手动调节，利用3个方向的千分尺刻度来确定采集点的空间位置。

本发明提供了一种对等离子体空间场内特定点瞬时温度进行快速检测的方法和装置，通过一个可调微孔取光装置，对等离子体某一诊断点的辐射进行空间取光，且取光装置位于三维精确位移平台上，通过调节位移平台来确定诊断点的准确位置。采集过程中利用瞬时触发控制器控制采集开关的瞬时开启和关闭，使得光谱仪采集到的是某一瞬时的等离子体光信号，从而实现了等离子体空间场内某点、某瞬时温度的快速、精确检测。

本发明的诊断装置加工、安装、使用方便，检测过程中可随意调节取光范围，大大提高了检测的效率和效果；将取光装置置于三维位移平台进行三维定位，可取得等离子体空间场内任意点的辐射信息。本发明作为等离子体的精确在线诊断技术，可被应用于电弧焊接、等离子体喷涂、激光加工等众多工业领域，通过诊断得到的信息可以指导等离子体加工中参数的优化等。基于该方法开发的检测系统，还可用于生产企业作为等离子体加工的在线监测平台使用。

附图说明

图1是本发明等离子体空间场内瞬时温度快速诊断装置的结构示意图。

图2是本发明等离子体空间场内瞬时温度快速诊断装置中微孔取光装置部分的结构示意图。

图3是应用例1中钨极氩弧等离子体的空间发射系数分布（定时触发）。

图4是应用例1中钨极氩弧等离子体瞬时温度诊断的玻尔兹曼图。

图5是应用例2中熔化极Ar+CO₂等离子体辐射能量空间分布（定时触发）。

图6是应用例3中YAG激光-脉冲MIG电弧复合等离子体的脉冲基值瞬态（状态触发）。

图7是应用例3中YAG激光-脉冲MIG电弧复合等离子体的脉冲峰值瞬态（状态触发）。

具体实施方式

实施例1

图1给出了等离子体空间场内瞬时温度快速诊断装置的结构示意图，包括一个由等离子体发生系统产生的待测等离子体；一个位于等离子体一侧，用于对该待测等离子体上任一诊断点进行准确定位并给出该诊断点位移参数的三维位移平台；一个固定于三维位移平台上，用于滤除除待测等离子体诊断点之外的其他点光信号的可调微孔取光装置；一个固定于可调微孔取光装置之后，与光谱仪连接的光纤，用于将获取的等离子体待测诊断点瞬时光信号传输至光谱仪；一个连接在光谱仪上，用于控制光谱仪采集瞬时等离子体光谱信号的瞬时触发控制器；以及常规的用于接收光纤传输的等离子体诊断点瞬时光信号，通过色散系统得到其光谱，再由光电传感元件转化为电信号，经模数转换为数字信号，将信息实时传输到计算机的光谱仪；与光谱仪电连接，用于将接收的光谱信号计算转换成温度的计算机。

其中的三维位移平台及其上的可调微孔取光装置的结构如图2，可调微孔取光装置由两个可调孔径（d1，d2）的取光板组成，取光板厚度3mm，两个取光板同轴安装，孔径0-10mm可调，两个取光板间的距离L在0-500mm可调。第一个取光板临近等离子体20mm安装，第二个取光板按照取光要求选定距离后安装调节。当来自等离子体空间取光点的辐射通过第一个孔径后，由于其辐射点与两个取光孔同轴安装，所以可以通过第二个取光孔进入后续采集系统。而取光点之外的其他点辐射，则不能通过第二个孔径，无法进入采集系统，实现了空间定点取光。通过调节两个取光孔径（d1和d2）来调整取光范围；通过调节两个取光板间的距离(L)来调节对周边杂光的屏蔽程度。可调微孔取光装置置于三维位移平台之上，三维位移平台采用步进电机控制，移动X，Y，Z三个方向的位置。

如图1所示，经可调微孔取光装置得到的空间点的辐射，经过瞬时触发控制器采集开关控制，由光纤传输到光谱仪进行色散和光电转换。采集卡根据要求发出触发脉冲（定时触发或者状态触发），控制采集系统的瞬时采集开关在极短（0.1-2ms）的采集时间内进行采集，然后立刻关闭采集开关，采集到等离子体空间取光点发出的瞬时光。采集卡安装在工业计算机中，采用并口通讯。

最后，根据获取的光谱信息，得到选定特征谱线位置的谱线强度，根据等离子体的特性（Ar、He），选择特定元素谱线，运用简化的玻尔兹曼温度计算方法，即可快速计算出等离子体空间场内某点的瞬时温度。

应用例1：钨极氩弧等离子体辐射的空间发射系数分布和瞬时温度诊断

采用本发明等离子体空间场内瞬时温度快速诊断方法，控制三维位移平台沿X轴方向横向匀速移动，可调微孔取光装置在移动过程中，匀速取得钨极氩弧等离子体不同点的辐射信息；采用定时触发功能，采集空间不同点的瞬时辐射信息，运用逆阿贝尔变换，得到等离子体沿径向空间各点的发射系数分布（图3），快速诊断得到的氩弧等离子体中心位置的瞬时温度为10612K（图4）。

应用例2：采用Ar+CO₂保护的熔化极等离子体辐射能量分布和空间瞬时温度诊断

通过本发明诊断方法，采用三维位移平台横向扫描熔化极Ar+CO₂等离子体，定时触发采集，得到喷射过渡熔化极等离子体的能量分布（图5），可以用来指导热喷涂、焊接等加工中，有效提高等离子体的能量效率。得到的等离子体中心不同空间高度的瞬时温度分别为14100K（试板上1mm），14000K（试板上3mm），14800K（试板上5mm）。

应用例3：激光-脉冲MIG电弧复合等离子体空间瞬态的测定（状态触发）

对于激光-脉冲MIG电弧等离子体，其等离子体会随着脉冲电流的变化产生规律的波动，使得其空间场内的瞬时辐射状态很难确定。采用本发明的状态触发诊断方法，对YAG激光-脉冲MIG电弧复合等离子体的空间瞬态进行测定，确定了其在脉冲峰值（图6）和基值（图7）时等离子体不同的瞬时状态；诊断其复合等离子体中心位置在基值瞬时温度约为11000K，在峰值瞬时温度约为16000K。

Claims (9)

1.一种等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，是在等离子体与光纤的探测头之间设置一个微孔取光装置，对所述等离子体上某诊断点的辐射进行空间取光，通过光纤传输至光谱仪，并利用一个连接在光谱仪上的瞬时触发控制器进行瞬时触发，采集瞬时光谱，通过计算机计算出等离子体所述诊断点在该瞬时的空间瞬时温度，其中，所述的微孔取光装置由平行设置的不少于两块的取光板构成，在取光板上设有可调孔径的微孔，所述各取光板上的微孔与光纤的探头同轴设置。

2.根据权利要求1所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，其特征是所述的瞬时触发为定时触发，所述定时触发通过定时器设定，定时发出脉冲，启动光谱仪采集瞬时光谱。

3.根据权利要求1所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，其特征是所述的瞬时触发为条件触发，所述条件触发以等离子体某一状态的电信号作为特征触发源，检测到电信号满足特征要求时产生脉冲信号，触发光谱仪采集瞬时光谱。

4.根据权利要求1、2或3所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，其特征是所述的瞬时为0.1-2ms。

5.根据权利要求1所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，其特征是所述取光板上的微孔孔径在0-10mm范围内可调。

6.根据权利要求1所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法，其特征是所述微孔取光装置中临近等离子体的取光板距离等离子体10-20mm。

7.一种适用于权利要求1等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法的装置，包括：

一个三维位移平台，用于对拟测量的等离子体某诊断点进行准确定位并给出该诊断点的位移参数；

一个光纤，所述光纤前端探测头固定于三维位移平台上，后端与光谱仪连接，用于将探测头获取的等离子体某诊断点瞬时光信号传输至光谱仪；

固定于所述三维位移平台上的、位于等离子体与光纤探测头之间的可调微孔取光装置，所述可调微孔取光装置由不少于两块的取光板构成，在取光板上设有可调孔径的微孔，所述各取光板上的微孔与取光光纤探测头同轴设置，使得探测头只能获取等离子体上某诊断点的光信号，各取光板之间的间距可调；

瞬时触发控制器，连接在光谱仪上，用于控制光谱仪采集瞬时等离子体光谱信号；

光谱仪，用于接收光纤传输的等离子体某诊断点瞬时光信号，通过色散系统得到其光谱，再由光电传感元件转化为电信号，经模数转换为数字信号，然后将信息实时传输到计算机；

计算机，与光谱仪电连接，用于将接收的光谱信号计算转换成温度。

8.根据权利要求7所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断装置，其特征是所述的取光板为两块。

9.根据权利要求7所述的等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断装置，其特征是所述的三维位移平台由步进电机控制，沿空间三维方向移动调整。

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