CN106735797A - 一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，包括光学平台、光学反射镜组，光学成像系统，图像传感器和光挡；其中，光学平台设置于焊接电极下方，用于承载光学反射镜组和光学成像系统；光学反射镜组以焊接电极中心为轴分布；光学成像系统设置为将光学反射镜组反射的不同截面的等离子体在同一平面所成的像通过光学成像系统缩放到图像传感器；光挡位于光学反射镜组内。本发明的一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，通过一种经济并且可靠的方法，同时获得同一时刻不同方向截面电弧等离子体的辐射分布信息，从而研究不对称电弧等离子体三维分布的物理特性。

Description

一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法

技术领域

本发明涉及电子测量与控制领域，尤其涉及一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法。

背景技术

焊接过程中电弧等离子体中包含着丰富的信息，因此被广泛应用于对等离子体物理以及实时监控的研究中。目前，大多数对等离子场进行的研究是基于对电弧等离子体单一方向上的平面分布信息，并通过假设电弧中心对称获得电弧三维分布信息。在激光-电弧复合焊接以及双丝焊接过程中，电弧的形态并非中心对称的，难以通过获取电弧的平面分布得到三维分布特征。因此，获得同时刻不同方向上的电弧的平面分布信息，才能得到电弧的三维动态分布信息，对于电弧等离子体的研究具有十分重要的意义。

在焊接等离子体过程中，大多数的实验平台都是将电弧等离子看作是一个中心对称的辐射体，通过阿贝尔变换的数学方法通过单一方向上电弧等离子体的平面分布变换得到电弧等离子体辐射的三维分布，从而进一步获得电弧等离子体场的三维信息(电子温度、密度、离子浓度等)。这种基于中心对称假设的数学变换方法并不能真实地反映等离子体物理特征的三维分布，难以对等离子体场的三维分布进行客观的研究。并且，在一些新的焊接方法中，比如双丝焊接、三丝焊接、激光-电弧复合焊接等焊接过程，其等离子体并不满足中心对称的假设，因此需要对不同方向截面的等离子形态进行采集和分析，进而研究其等离子体场的三维分布。

为了获得等离子体场的三维分布，最关键的是需要采集各个截面，沿各个方向角的辐射数据。万雄根据在以前的文献提出的等离子三维诊断数据采集系统结构上进行改进，通过将三维火焰等离子体场放置于旋转平台中央位置，并通过步进电机装置驱动光纤传感头对旋转到不同方向截面的火焰等离子进行扫描和采集。基于这种方法，万雄成功地获得了不对称的四峰火焰等离子体场的三维温度分布。但是，旋转平台容易对平台上的等离子体容易造成扰动，并且对等离子体发射装置具有一定要求。因此，这种方式仅适合对装置简单的火焰等离子场的三维扫描，对于焊接过程的等离子体场，难以通过旋转等离子体的方式进行不同方向上的采集和扫描。

为了研究非对称电弧等离子体的三维分布，大阪大学建立了一套围绕电弧中心的旋转实验平台，并通过搭载一台图像传感器围绕电弧等离子体中心旋转，获取不同方向截面的等离子体分布信息。通过这种方法，大阪大学对不对称的双丝焊接过程产生的电弧的三维辐射和温度场分布进行了分析和研究。但是，这种方法对旋转实验平台和图像传感器的体积和性能具有一定的限制和要求，并且通过这种方法无法获得同一时刻不同截面的电弧等离子分布信息。

在接下来的研究中，大阪大学提出通过同时使用6台图像传感器围绕电弧中心相距60°排列，从而同时获得不同方向上各个截面同时刻的不对称电弧等离子体分布信息。这种方法要求6台图像传感器具有完全相同的传感特性，设备投入比较大。并且需要额外的触发装置对多台图像传感器进行同步的触发以获取同时刻的等离子信息。

大连理工的通过使用3台图像传感器以电弧中心为中心轴每间隔120°放置一台图像传感器，围绕电弧中心旋转图像传感器工作台采集多个方向上的电弧等离子信息。这种折中的方法也未能有效地解决获得同时刻不同方向上电弧等离子分布的问题，并且装置过于复杂。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，通过一种经济并且可靠的方法，同时获得同一时刻不同方向截面电弧等离子体的辐射分布信息，从而研究不对称电弧等离子体三维分布的物理特性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是发明一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，通过一种经济并且可靠的方法，同时获得同一时刻不同方向截面电弧等离子体的辐射分布信息，从而研究不对称电弧等离子体三维分布的物理特性。

为实现上述目的，本发明提供了一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，包括光学平台、光学反射镜组，光学成像系统，图像传感器和光挡；

其中，光学平台设置于焊接电极下方，用于承载光学反射镜组和光学成像系统；

光学反射镜组以焊接电极中心为轴分布；

光学成像系统设置为将光学反射镜组反射的不同截面的等离子体在同一平面所成的像通过光学成像系统缩放到图像传感器；

光挡位于光学反射镜组内。

进一步地，光学反射镜组包括第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第四反射镜组；其中第一反射镜组有多面以电弧中心为轴分布的反射镜组成，第二反射镜组是由位于反射垂直平面的多面反射镜组成，第三反射镜组设置为将同一方向传播的各截面的等离子像传递给第四反射镜组，第四反射镜组将第三反射镜组传递的等离子像传递给光学成像系统。

进一步地，光学成像系统包括光学轨道、凸透镜、光阑和光学支架，其中，凸透镜、光阑和光学支架固定在光学轨道上。

进一步地，图像传感器固定在光学支架上。

进一步地，光学反射镜组以焊接电极中心为轴等分角度围绕分布。

进一步地，第一反射镜组的反射镜以电弧中心为轴，以不同角度分布。

进一步地，光阑设置在凸透镜后焦点位置，保证只有水平发射的各截面的电弧辐射光能通过光阑。

进一步地，凸透镜为石英凸透镜。

一种如上述任意装置所使用的不对称动态电弧三维实时成像采集方法，包括光学反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体的像通过多组反射镜反射到同一平面上沿同一方向传播，光学成像系统将光学反射镜组反射的不同方向截面的等离子体在同一平面所成的像通过凸透镜缩放到图像传感器的成像平面。

进一步地，第一反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体辐射反射到垂直焊接方向轴线的同一平面；第二反射镜组将不同方向反射到反射平面的等离子体辐射的像调整为同一方向传播；第三反射镜组和第四反射镜组将同一方向传播的各截面等离子像传递给光学成像系统。

本发明存在以下技术效果：

1、本发明结构简单易操作，利用反射镜组实现将不同方向截面的等离子体场经过多次反射后在同一垂直平面成像，不需要专门的旋转实验平台，对焊接电极与采集装置设备没有限制。

2、本发明利用几何原理设计的反射路径，保证不同方向等离子体辐射经过多次反射后经过的总光程长度相等，避免辐射传播路径的光程长度不同而导致的强度衰减不同。

3、本发明经济实用，仅需要一台图像传感器就可以在同一时刻同时采集多个方向截面的电弧等离子体辐射分布，达到对电弧等离子体三维分布特征进行分析研究的要求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置结构示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置的光学反射镜组的结构示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置的光学成像系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一较佳实施例提供了一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置，包括光学平台1、光学反射镜组2，光学成像系统3，图像传感器4和光挡5；光学平台1设置于焊接电极7下方，用于承载光学反射镜组2和光学成像系统3；光学反射镜组2以焊接电极7中心为轴分布，将不同方向截面的电弧等离子体6的像通过多组反射镜反射到同一平面上沿同一方向传播；光学成像系统3设置为将光学反射镜组2反射的不同截面的等离子体在同一平面所成的像通过光学成像系统3缩放到图像传感器的焦平面；光挡5位于光学反射镜组2内。

如图2所示，光学反射镜组包括第一反射镜组21、第二反射镜组22、第三反射镜组23、第四反射镜组24；其中第一反射镜组21有多面以电弧中心为轴分布的反射镜组成，第二反射镜组22是由位于反射平面L的多面反射镜组成，第三反射镜组23设置为将同一方向传播的各截面的等离子像传递给第四反射镜组，第四反射镜组24将第三反射镜组传递的等离子像传递给光学成像系统。具体地，第一反射镜组21是由多面以电弧中心为轴，以不同角度分布的反射镜组成，其作用是将不同方向截面的电弧等离子体辐射反射到垂直焊接方向轴线的同一反射平面L上；第二反射镜组22是由位于反射平面L的多面反射镜组成，其作用使将不同方向反射到反射平面的等离子体辐射的像调整为同一方向传播；第三反射镜组23和第四反射镜组24的作用相同，都是通过反射将同一方向传播的各截面等离子像传递给光学成像系统3。

如图2所示，本发明的一较佳实施例中，第一反射镜组21是由6面50mm×30mm的反射镜组成，以电弧中心S点为轴间隔60°分布，通过调整反射镜的角度使电弧等离子体6辐射光反射到与焊接方向轴线OS垂直，距离电弧中心600mm的垂直平面L上等距的位置(30mm)，既A、B、C点与D、E、F点位置。通过调整第一反射镜组21中各反射镜的位置使电弧发射光经过第一反射镜组21反射后到达反射平面L的光程相等，其具体调整过程为：分别以SA、SB、SC为椭圆焦距(2c)，以1000mm为椭圆的长轴(2a)做三个椭圆，以电弧中心为原点，以焊接方向轴线OS为构造线，分布以30°、90°、150°引直线与对应的椭圆相交，相交位置即三面反射镜放置位置。通过调整反射镜的角度使反射光通过椭圆的焦点A、B、C点，根据椭圆性质，各方向的电弧辐射经过第一反射镜组21反射到达第二反射镜组22的光程长均为1000mm(2a)；另外D、E与F对应的反射镜的放置方法与上述调整方法相同，其位置与上述点相对于OS成对称关系。

第二反射镜组22由位于反射平面L上的多面反射镜组成，其作用使将不同方向反射到反射平面的等离子体辐射像调整为同一方向传播。本发明的一较佳实施例中，6面不同宽度反射镜分别位于反射平面L中A、B、C点与D、E、F点上，为了保证最终所成反射镜像的宽度(15mm)，A和D、B和E、C和F三对反射镜尺寸分别应为27.3mm×30mm、22.1×30mm、15.4×30mm。通过调整反射镜组22中各面反射的角度，使反射到A、B、C点与D、E、F点上的辐射光调整为与OS方向呈60°夹角方向传递，这样可以避免反射角度过大和可反射范围过小的问题。

第三反射镜组23和第四反射镜组24反射镜由一系列反射镜组成，通过反射将同一方向传播的各截面等离子像传递给光学成像系统3。本发明的一较佳实施例中，第三反射镜组23由2面90×30mm的反射镜组成，平行焊接方向轴线放置。其中心R和R’距离焊接方向轴线305mm，距离反射平面L150mm。其作用是通过反射将从第二反射镜组22的A、B、C与D、E、F点处反射的电弧等离子辐射光传递到第四反射镜组24，第四反射镜组24由6面15×30mm反射镜组成，其6面反射镜的中心位置A’、B’、C’与D’、E’、F’为反射镜组22中的A、B、C与D、E、F点分别沿焊接方向轴线平移300mm，方向与焊接方向轴线呈30°角，其作用是将从反射镜组23反射的电弧等离子体6辐射调整为与焊接方向轴线OS平行，从而在反射平面L’处得到从电弧中心发射的不同方向截面的等离子体辐射，并且其经过的路径光程总长相等。本发明的一较佳实例中，从第二反射镜组22出发的电弧辐射经过第三反射镜组23反射后到达第四反射镜组24，通过各反射镜的全光程长为600mm。

光挡5位于光学反射镜组2内，防止原电弧等离子体辐射光直接照射进入光学成像系统3，从而干扰到图像传感器4采集的反射信号。本发明的一较佳实施例中,光挡的尺寸为500mm×50mm，材质为表面喷漆的不锈钢薄板，可以有效地防止辐射光的透过和反射。

如图3所示，光学成像系统包括光学轨道31、凸透镜32、光阑33和光学支架34，其中，凸透镜32、光阑33和光学支架34固定在光学轨道31上。优选地，凸透镜为石英凸透镜。

光学成像系统3利用凸透镜成像原理，光学反射镜组2反射的像通过石英凸透镜32和光阑33在光学支架34位置处成像。光阑33安装在石英凸透镜32后焦点位置处，保证只有水平发射的各截面的电弧辐射光能通过光阑33的小孔在光学支架34位置处成像；通过改变石英凸透镜32与光学支架34的相对距离调整像距，获得所需大小的电弧的倒像。本发明的一较佳实例中，使用的石英凸透镜为直径φ200mm，焦距200mm的凸透镜，被固定在距离反射镜组24后方200mm处，从而保证物距为1800mm。光阑安装在凸透镜的后焦点位置，与凸透镜距离为200mm，光学支架固定在凸透镜后方225mm处，从而保证各个截面电弧等离子体辐射经过光学反射镜组2在反射平面L’处165mm×30mm范围内镜像，经过光学成像系统3后在光学支架34处形成1/8的倒像(20.51mm×3.75mm)，并被图像传感器4获取。

图像传感器4安装在光学成像系统3的光学支架34上，用于获取通过光学反射镜组2和光学成像系统3的各截面等离子体辐射信息；光挡5位于第三反射镜组23和第四反射镜组24之间，防止原电弧等离子体辐射光直接照射进入光学成像系统3，从而干扰到图像传感器4采集的反射信号。其中，图像传感器4是一种能将光学影像转换为电信号的传感器，本发明的一较佳实施例中，使用的是一台1024×256像素的高灵敏度图像传感器相机，其感光单元大小为26μm×26μm，图像传感器最大感光尺寸为25mm×6.6mm。各方向截面电弧辐射经反射和聚焦在图像传感器面板上成像时，每个方向截面(15mm×30mm)的电弧辐射在图像传感器面板上对应的像素范围为72×144。

一种如上述任意装置所使用的不对称动态电弧三维实时成像采集方法，具体包括光学反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体的像通过多组反射镜反射到同一平面上沿同一方向传播，光学成像系统将光学反射镜组反射的不同方向截面的等离子体在同一平面所成的像通过凸透镜缩放到图像传感器的成像平面。

第一反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体辐射反射到垂直焊接方向轴线的统一平面；第二反射镜组将不同方向反射到反射平面的等离子体辐射像调整为同一方向传播；第三反射镜组和第四反射镜组将同一方向传播的各截面等离子像传递给光学成像系统。

本发明结构简单易操作，利用反射镜组实现将不同方向截面的等离子体场经过多次反射后在同一垂直平面成像，不需要专门的旋转实验平台，对焊接电极与采集装置设备没有限制。利用几何原理设计的反射路径，保证不同方向等离子体辐射经过多次反射后经过的总光程长度相等，避免辐射传播路径的光程长度不同而导致的强度衰减不同。本发明仅需要一台图像传感器就可以在同一时刻同时采集多个方向截面的电弧等离子体辐射分布，达到对电弧等离子体三维分布特征进行分析研究的要求，经济实用，降低。

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。

Claims (10)

1.一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，包括光学平台、光学反射镜组，光学成像系统，图像传感器和光挡；

其中，所述光学平台设置于焊接电极下方，用于承载所述光学反射镜组和所述光学成像系统；

所述光学反射镜组以焊接电极中心为轴分布；

所述光学成像系统设置为将所述光学反射镜组反射的不同截面的等离子体在同一平面所成的像通过所述光学成像系统缩放到所述图像传感器；

所述光挡位于所述光学反射镜组内。

2.如权利要求1所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述光学反射镜组包括第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第四反射镜组；其中第一反射镜组有多面以电弧中心为轴分布的反射镜组成，所述第二反射镜组是由位于反射垂直平面的多面反射镜组成，所述第三反射镜组设置为将同一方向传播的各截面的等离子像传递给所述第四反射镜组，所述第四反射镜组将所述第三反射镜组传递的等离子像传递给所述光学成像系统。

3.如权利要求1所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述光学成像系统包括光学轨道、凸透镜、光阑和光学支架，其中，所述凸透镜、所述光阑和所述光学支架固定在所述光学轨道上。

4.如权利要求3所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述图像传感器固定在所述光学支架上。

5.如权利要求1所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述光学反射镜组以所述焊接电极中心为轴等分角度围绕分布。

6.如权利要求2所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，第一反射镜组的反射镜以所述电弧中心为轴，以不同角度分布。

7.如权利要求3所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述光阑设置在所述凸透镜后焦点位置，保证只有水平发射的各截面的电弧辐射光能通过所述光阑。

8.如权利要求7所述的不对称动态电弧三维实时成像采集装置，其特征在于，所述凸透镜为石英凸透镜。

9.一种如权利要求1-8中任意一项所述的装置所使用的不对称动态电弧三维实时成像采集方法，其特征在于，所述光学反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体的像通过多组反射镜反射到同一平面上沿同一方向传播，所述光学成像系统将所述光学反射镜组反射的不同方向截面的等离子体在同一平面所成的镜像通过所述凸透镜缩放到所述图像传感器的成像面板。

10.如权利要求9所述的一种不对称动态电弧三维实时成像采集方法，其特征在于，所述第一反射镜组将不同方向截面的电弧等离子体辐射反射到垂直焊接方向轴线的同一平面；所述第二反射镜组将不同方向反射到反射平面的等离子体辐射像调整为同一方向传播；所述第三反射镜组和所述第四反射镜组将同一方向传播的各截面等离子像传递给所述光学成像系统。