CN104568214A - 光致等离子体三维温度场的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光致等离子体三维温度场的测量装置和测量方法。在光致等离子体周围分布式布置若干组摄像头，每组由两个在镜头前端安装不同中心波长滤光片的摄像头组成。所有摄像头由同步外触发装置保证严格同步触发，获取光致等离子体同一时刻的不同角度、不同特征谱线的投影图像。对获取的光致等离子体投影图像，采用由投影重建物体三维图像的算法，计算出光致等离子体两个特征谱线的空间亮度分布，最后采用相对谱线强度法计算出光致等离子体三维温度场。发明公开的测量装置及方法具有简单易行、测量精度高、测量对象范围广等优点，可用于激光加工过程光致等离子体物理参数的在线检测、激光加工过程质量监控等方面。

Description

光致等离子体三维温度场的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度测量装置和测量方法，尤其涉及一种光致等离子体三维温度场的测量装置和测量方法，应用于光致等离子体的诊断和过程监测，属于机械工程领域。

背景技术

光致等离子体是将激光作用于金属工件表面产生的等离子体。光致等离子体对激光-工件的能量交互过程会产生至关重要的作用，从而影响到激光加工的质量。在高功率激光焊接过程中，激光产生的高温使金属蒸汽电离形成高温高密度的光致等离子体，光致等离子体主要从吸收和折射两方面影响激光与材料之间的能量耦合。光致等离子体的空间温度分布，直接反映出焊接熔池以及深熔焊小孔内部的动态过程信息，是激光焊接过程中需要重点监测的物理参数，一直是激光焊接领域的研究重点。

光致等离子体温度分布探测主要采用光谱仪对等离子体的光谱信号进行采集，光纤探头对准等离子体出现的大致位置，然后对谱线信息通过分析及计算，获得等离子体温度。但是这种测量方法只能测量等离子体的单点温度，无法获得光致等离子各项物理参数的空间分布信息，因此所得的温度值只是对等离子体状态较为粗略的描述。近年来也有一些文献涉及了等离子体二维温度场或三维温度场的测量，最有代表性的是以下两种方法。

公开号为CN101387559A的发明专利“光致等离子体温度空间分布的探测装置及探测方法”公开了一种探测光致等离子体温度空间分布的方法，通过光谱仪探头移动装置对光致等离子体不同截面的光谱进行探测，获得光致等离子体空间二维以及三维温度空间分布。但是这种方法采用移动装置逐点测量，测得的等离子体各点温度不是同一时刻的，特别是对高速变化的等离子体，移动装置的行走时间不能忽略，因此测量精度有限。

公开号为CN103968958A的发明专利“一种实时测量双射流直流电弧等离子体温度的方法”公开了一种实时测量电弧等离子二维温度分布的方法，通过镜头前分别加载不同中心波长的滤光片的两台CCD相采集等离子体光谱图像、再从光谱仪上得到同一时刻相对应像素点上的谱线强度，建立灰度值-谱线强度映射表，最后通过谱线相对强度计算出等离子体的温度分布。这种方法获得的是等离子体的二维温度分布，若要进一步计算三维温度场，需要进行Abel逆变换，Abel逆变换的前提是对象物体的物理参数符合柱对称分布，但是绝大部分情况下，光致等离子体的空间结构并不满足对称条件，所以采用Abel逆变换的方法并不合理。

由此可见，对于激光加工过程中产生的空间形态及结构非对称分布的光致等离子体，上述方法均无法获得其内部三维温度场的精确数值。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种光致等离子体三维温度场的精确测量装置和测量方法，从而获得非对称分布的光致等离子体内部结构与物理参数。

为了实现上述目的，本发明公开了一种光致等离子体三维温度场的测量装置，包括多组摄像头、固定支架、外触发装置以及计算机，摄像头与计算机之间通过图像数据线连接，摄像头与外触发装置之间通过IO信号线相连，计算机与外触发装置之间通过IO信号线相连。其中每组摄像头包含的个数为2，两个摄像头并排排列，镜头光轴平行。镜头前端分别安装两种不同中心波长的滤光片，滤光片中心波长与计算温度所选择的2条等离子体谱线波长对应。

本发明还公开了一种光致等离子体三维温度场的测量方法，包括如下步骤：

1)摄像头内外参数标定。采用张振友标定算法，对所有摄像头进行逐一标定。具体做法是将平面标定板放置在摄像头前方视野中的任意n个不同位置(n≥5)，每个位置拍摄一幅图像，将n幅图像输入张振友标定算法程序，输出为被标定摄像头的内部参数与外部参数。标定所获得参数将用于等离子体三维重建。

2)光致等离子体产生后，启动计算机内部预置的自动拍摄程序，由计算机通过IO线信号控制外部触发装置，决定拍摄时刻，相邻拍摄时刻的间隔可在计算机中设定。外部触发装置给予摄像头触发拍摄信号，所有摄像头在同一时刻拍摄等离子体特征谱线的投影图像。特征谱线投影图像有2组，对应2种不同的谱线波长，图像由数据线传输进入计算机。

3)采用代数迭代算法，由等离子体特征谱线投影图像重建等离子体特征谱线三维图像。首先将待重建的等离子体三维图像划分为若干个同样大小的立方体格子，每个格子内部的参数是均匀的。代数迭代法就是求解以下方程组的过程，

J＝R·I

其中，向量J：由n幅特征谱线投影图像的灰度值组成；矩阵R：投影权重因子，通过摄像头的内部参数与外部参数计算得到，计算方法可在相关文献中查询；向量I：待求未知数，代表三维图像的亮度。上述方程组的未知数个数远大于方程个数，因此采用迭代法求取最优解，计算方法可在相关文献中查询。代数迭代算法要进行2次，每次针对一种特征谱线投影图像进行重建，最后得到2幅等离子体特征谱线三维图像，三维图像由立方体格子组成，每个格子内部的亮度是均匀的。

4)利用谱线相对强度法，通过局部热力学平衡状态下的温度计算公式，计算三维重建后等离子体每个立方体格子的温度，从而得到等离子体三维温度场。其中谱线相对强度法计算所需的两条特征谱线强度，就是2幅等离子体特征谱线三维图像中，对应位置立方体格子的亮度值。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

由于采用摄像头+滤光片的方式获取光致等离子体的全域谱线信号，因此计算等到的等离子体各点温度是在同一时刻获得的，其计算精度高于移动式光谱仪装置。其次，由于采用了代数迭代法重建等离子体三维图像，因此不需要光致等离子体满足对称分布条件，适用范围极广，尤其适用于激光焊接过程中，有侧吹气体条件下形态严重偏离柱对称的光致等离子体。

此外，本发明结构简单，使用方便，无需对摄像头的空间位置进行细致调节，且标定过程简单快速，无需移动装置或其它工装夹具。采用本发明，可实时测量光致等离子体的内部温度，或监控光致等离子体的空间形态及行为变化情况，适用于激光加工过程中光致等离子体的在线检测、质量控制等领域。

附图说明

图1是所述光致等离子体三维温度场的测量装置示意图。

1-1#摄像头，2-2#摄像头，3-3#摄像头，4-4#摄像头，5-5#摄像头，6-6#摄像头，7-中心波长为586nm的带通滤光片，8-中心波长为670nm的带通滤光片，9-计算机，10-外触发装置，11-连接摄像头和外触发装置的IO信号线，12-连接摄像头和计算机的图像数据线，13-连接计算机和外触发装置的IO信号线，14-激光束，15-光致等离子体，16-工件。

具体实施方式

下面以激光焊接过程中光致等离子体的三维温度场测量为具体实施例，详细说明本发明的技术方案。

附图1为本实施例测量激光深熔焊接小孔外等离子体温度分布的装置，包括摄像头、固定支架、计算机9、外触发装置10，摄像头为CCD摄像头，固定支架用于固定摄像头，摄像头和外触发装置10用IO信号线11连接，摄像头和计算机9用图像数据线12连接，外触发装置10和计算机9用IO信号线13连接。摄像头、外触发装置10和计算机9之间，也可采用其他方式连接，能保证信号和图像的顺利传输即可。

本实施例中共在光致等离子体15的周围空间布置6个同样的CCD摄像头，CCD摄像头的分辨率为1624×1234，其中1#摄像头1和2#摄像头2布置在光致等离子体15的正前方，3#摄像头3和4#摄像头4布置在光致等离子体15的侧面，5#摄像头5和6#摄像头6布置在光致等离子体15的斜上方。在布置摄像头位置时，无需将其调整到某个精确位置，摄像头的空间位置精确值可通过标定获得。1#摄像头1、3#摄像头3，5#摄像头5的镜头前端安装有中心波长为586nm的带通滤光片7，2#摄像头2、4#摄像头4，6#摄像头6的镜头前端安装有中心波长为670nm的带通滤光片8。

激光束14的功率为10kw，离焦量为-2mm，焊接速度为1m/min，保护气体为He气，流量为20L/min，工件16的材料是5052铝合金。用谱线相对强度法计算温度时，所选择的谱线波长见表1。

表1

本实施例的测量方法包括以下具体操作步骤：

将黑白棋盘格标定板放置在摄像头前方视野中的任意5个不同位置，每个位置拍摄一幅图像，将5幅图像输入matlab张振友标定算法工具包，得到被标定摄像头的内部参数，包括矩阵A、旋转矩阵R、平移向量T；同时得到外部参数，外部参数是指摄像头坐标系与统一坐标系之间空间转换关系的参数。

打开激光器，激光光束14射入工件16后，打开计算机9中用labview软件编写的图像采集程序，图像采集时刻的间隔为50ms，即图像采集帧频是20fps。每个时刻获得6幅不同角度与不同波长的光致等离子体15的图像，摄像头将图像传入计算机9后，程序将其自动保存在硬盘中。

将待重建等离子体的体积设定为5mm长×5mm宽×10mm高，划分的立方体格子边长为0.2mm，在对方程组J＝R·I求解的计算中采用最小二乘原则，即在数学上利用迭代算法求得到非负最小二乘解，当迭代过程中相邻两次的迭代结果的差值小到一定程度时，终止迭代，由此得到2幅等离子体特征谱线三维图像，分别对应计算等离子体温度所选择的2条特征谱线。

采用谱线相对强度法对等离子体三维图像中每个立方体格子计算温度，最终得到等离子体三维温度场。等离子体的中心区域为高温区，边缘区域为低温区。但是等离子体的温度并不是简单地从几何中心向边缘逐渐平稳降低，等离子体的中心区域的温度并不是非常均匀，它由分立的高温区以及一些相对低温区构成。计算得到的光致等离子体最高温度在9000K-11000K之间，平均温度在4000K-6000K之间，与其他各类文献所测得的此类条件下光致等离子体的温度相吻合。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。5 -->

Claims (10)

1.一种光致等离子体三维温度场的测量装置，其特征在于：包括摄像头、外触发装置以及计算机，所述摄像头为布置在被测光致等离子体周围的多组摄像头，所述摄像头同时与所述外触发装置和所述计算机相连，所述外触发装置也与所述计算机相连。

2.如权利要求1所述的光致等离子体三维温度场的测量装置，其特征在于，所述摄像头与所述外触发装置之间通过IO信号线连接，所述摄像头与所述计算机之间通过图像数据线连接，所述外触发装置与所述计算机之间通过IO信号线连接。

3.如权利要求1所述的光致等离子体三维温度场的测量装置，其特征在于，所述摄像头为3组，每组包含两个并排且光轴平行的摄像头，每个摄像头的镜头前端安装有滤光片，同组的两个摄像头安装的所述滤光片中心波长不同，不同的两个中心波长对应着被测光致等离子体的两条特征谱线。

4.如权利要求3所述的光致等离子体三维温度场的测量装置，其特征在于，同组的两个摄像头安装的所述滤光片中心波长分别为586nm和670nm。

5.如权利要求1所述的光致等离子体三维温度场的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括用于固定所述摄像头的固定支架。

6.一种光致等离子体三维温度场的测量方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的光致等离子体三维温度场的测量装置进行测量，所述测量方法包括如下步骤：

(1)标定摄像头的内部参数和外部参数；

(2)拍摄两组等离子体特征谱线投影图像，分别对应两种不同的谱线波长；

(3)采用代数迭代算法，由所述等离子体特征谱线投影图像重建等离子体特征谱线三维图像；所述等离子体特征谱线三维图像由许多个立方体格子组成，每个所述立方体格子内部的亮度均匀；

(4)利用谱线相对强度法，计算每个所述立方体格子的温度，从而得到等离子体三维温度场。

7.如权利要求6所述的光致等离子体三维温度场的测量方法，其特征在于，其中步骤(1)的具体操作是：将平面标定板放置在摄像头前方视野中的任意n个不同位置(n≥5)，每个位置拍摄一幅图像，将n幅图像输入张振友标定算法程序，输出为被标定摄像头的内部参数与外部参数，对所有摄像头逐一进行标定。

8.如权利要求6所述的光致等离子体三维温度场的测量方法，其特征在于，其中步骤(2)的具体操作是：由计算机程序控制外触发装置，外触发装置给予摄像头触发拍摄信号，保证所有摄像头获取某一时刻的所述等离子体特征谱线投影图像，等时间间隔拍摄所述等离子体特征谱线投影图像并传输进入计算机。

9.如权利要求6所述的光致等离子体三维温度场的测量方法，其特征在于，步骤(3)中代数迭代算法要进行2次，每次对其中一种所述等离子体特征谱线投影图像进行重建，最后得到2幅所述等离子体特征谱线三维图像。

10.如权利要求6所述的光致等离子体三维温度场的测量方法，其特征在于，步骤(4)中谱线相对强度法计算所需的两条特征谱线强度，就是2幅所述等离子体特征谱线三维图像中，对应位置所述立方体格子的亮度值。