CN107931784A - 一种平面电弧成像与光谱同步采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，包括可升降工作台、平面电弧成像系统、光谱仪、高速摄影相机、触发装置和计算机；平面电弧成像系统，光谱仪，触发装置以及计算机均安置在可升降工作台上，通过调整可升降工作台的高度和位置，使焊接电弧产生的辐射进入平面电弧成像系统中，经平面电弧成像系统分光后，一部分电弧辐射进入光谱仪中，另一部分电弧辐射通过高速摄影相机采集成像；触发装置的信号输出端与平面电弧成像系统以及光谱仪的外触发接口连接。本发明可在保证光谱仪采集精度与分辨率的同时，尽量减少光纤传递或光学成像镜组对光谱采集造成的衰减的影响，实现在尽量短的时间内对整个电弧平面内光谱信息进行扫描。

Description

一种平面电弧成像与光谱同步采集装置

技术领域

本发明专利涉及电子测量与控制领域，特别涉及一种平面电弧成像与光谱同步采集装置。

背景技术

焊接等离子体的光谱中包含着丰富的信息，因而被广泛地应用于焊接机理研究以及对焊接过程实时监控的研究中。通过对焊接等离子体的光谱信息进行分析，是研究焊接过程等离子体物理特性重要的途径。实现对焊接过程等离子体光谱的采集，对焊接过程的研究尤为关键。

在焊接过程中，等离子集中于电极与工件之间(电弧焊)或匙孔上方(激光焊)一个很微小的区域，这个区域内同时也是焊接传质与传热过程发生的主要区域。因此，对焊接等离子体的研究，需要我们获得等离子体在不同位置的光谱信息。在以往的文献中，研究者采用单根固定的光纤对等离子体的辐射光谱进行采集，并不能客观反映地出焊接过程内部机理。

为了进一步地研究等离子光谱信息的空间分布特征，研究人员通过步进电机驱动单芯光纤，对电弧平面的等离子体进行逐点扫描的方式获得不同位置等离子体辐射光谱。这一种方式所需的时间长，由于在焊接过程中等离子体具有波动性，导致采集的数据具有较大的误差。

现有技术中也有采用多条光纤同时对一条线上多个点同时进行采集，并通过多通道光谱仪进行分析。这一种方法采集的位置数受限于光纤的数量，分辨率低，并且难以保证每一根光纤的传输特性一致。

现有技术中还有通过多组反射镜反射和凹面镜聚焦将电弧等离子体辐射投影至多通道光谱仪的入射面狭缝上，利用入射狭缝获得一条线上的光谱信息的分布。这一种方法相比于通过光纤获取光谱辐射，能获得更高的分辨率。然而，实验中采用的光路系统十分复杂，等离子体辐射在经过多组反射镜组反射后往往衰减严重。并且由于实验中光路系统平台依赖于高精度的光学实验平台和校准系统，在实际焊接过程的研究中受到很大的限制。

综上所述，现有技术中以光纤单点采集的方式所需的时间长，由于在焊接过程中等离子体具有波动性，导致采集的数据具有较大的误差。而以多条光纤同时进行采集的方法，采集的位置数受限于光纤的数量，并且难以保证每一根光纤的传输特性一致。另外，现有的利用光学成像的方法所采用的光路系统十分复杂，辐射在经过多组反射镜组反射后往往衰减严重，并且由于实验中光路系统平台依赖于高精度的光学实验平台和校准系统，在实际焊接过程的研究中受到很大的限制。

在对焊接过程等离子体的研究中，研究人员希望能通过一种简单可靠的方法对等离子体位于空间不同位置的辐射光谱信息进行采集，并在保证光谱仪采集精度与分辨率的同时，尽量减少光纤传递或光学成像镜组带来的衰减的影响，并能实现在尽量短的时间内对整个电弧平面内光谱信息进行扫描。

因此，本领域技术人员致力于开发一种平面电弧成像与光谱同步采集装置。

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提供一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，以实现对电弧等离子体空间分布的光谱辐射进行采集和分析，采集装置简单可靠，在保证光谱仪采集精度与分辨率的同时，尽量减少光纤传递或光学成像镜组对光谱采集造成的衰减的影响，实现在尽量短的时间内对整个电弧平面内光谱信息进行扫描。

为实现上述目的，本发明提供一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，包括可升降工作台、平面电弧成像系统、光谱仪、高速摄影相机、触发装置和计算机；平面电弧成像系统，光谱仪，触发装置以及计算机均安置在可升降工作台上，通过调整可升降工作台的高度和位置，使焊接电弧产生的辐射进入平面电弧成像系统中，经平面电弧成像系统分光后，一部分电弧辐射进入光谱仪中，另一部分电弧辐射通过高速摄影相机采集成像；触发装置的信号输出端与平面电弧成像系统以及光谱仪的外触发接口连接；光谱仪、高速摄影相机以及触发装置通过计算机进行设置以及数据储存。

进一步地，所述平面电弧成像系统包括成像透镜、小孔光阑、准直透镜、道威棱镜、反射镜、一维运动平台、分光镜和玻璃窗口。

进一步地，平面电弧辐射依此通过所述成像透镜、小孔光阑、准直透镜和道威棱镜；平面电弧辐射通过所述成像透镜聚焦后，经由所述小孔光阑后被所述准直透镜准直；道威棱镜使准直后的平面电弧辐射产生旋转，并由反射镜反射至分光镜。

进一步地，所述反射镜安装在所述一维运动平台上；经所述分光镜分光的一部分平面电弧辐射投射在所述光谱仪的入射平面，进入入射狭缝中经分光后记录光谱信息，另一部分平面电弧辐射透过所述玻璃窗口进入高速摄影相机中成像。

进一步地，所述道威棱镜为等腰梯形棱镜，所述道威棱镜的上底面与水平面呈45°角安置在所述准直透镜后，所述道威棱镜的斜面与所述准直透镜的中心对应；经所述准直透镜的平面电弧辐射进入所述道威棱镜的斜面，从所述道威棱镜出射的平面电弧辐射相对于入射到所述道威棱镜的平面电弧辐射发生90°的旋转，将不同水平位置的电弧辐射分布旋转为垂直分布。

进一步地，所述分光镜的分光比为1:1，所述反射镜、分光镜与光路传播方向成45°角平行放置。

进一步地，所述玻璃窗口设置在所述分光镜和所述高速摄影相机之间，所述玻璃窗口上有一标识位置，所述标识位置与光谱仪的入射狭缝位置相对应。

进一步地，所述运动平台为一维运动平台，所述反射镜安装在所述一维运动平台上，通过所述一维运动平台的电机驱使所述反射镜沿y轴运动，通过所述反射镜在y轴的运动，实现对不同水平位置的电弧辐射进行采集。

进一步地，所述触发装置包括Silicon Labs高速C8051F410可编程单片机，所述触发装置与计算机相连，计算机对所述触发装置的触发程序进行在线编程和控制。

进一步地，所述触发装置与所述光谱仪和所述高速摄影相机的外触发接口以及所述一维运动平台的步进电机伺服连接，所述触发装置向所述光谱仪和所述高速摄影相机输出一定数量触发信号完成数据采集后，向所述一维运动平台输出脉冲信号，控制所述一维运动平台上的所述反射镜沿y轴运动至新的采集位置，从而对不同水平位置的电弧辐射逐行采集，实现在一次焊接过程中对整个平面内的电弧进行扫描。

与现有技术方案相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、与通过光纤采集的方法相比，本发明避免了不同光纤之间传输特性的差异，具有更小的误差。

2、与其他光学成像的方法相比，本发明使用的光路设置简单，所需要的光学元件少，因而对光学平台的精度要求低，同时减轻了复杂光路系统反射带来的衰减。

3、本发明实现了对不同水平位置的电弧进行逐行扫描，相比于逐点扫描的方式，所需的时间短，受电弧波动的影响小。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置的平面电弧成像系统结构与原理示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置的道威棱镜与旋转成像原理示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置的平面电弧逐行扫描原理示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置的触发装置触发时序示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，包括可升降工作台1，平面电弧成像系统2，光谱仪3，高速摄影相机4，触发装置5和计算机6；平面电弧成像系统2，光谱仪3，触发装置5以及计算机6均安置在可升降工作台1上，通过调整可升降工作台1的高度和位置，使焊接电弧产生的辐射进入平面电弧成像系统2中，经平面电弧成像系统2分光后，一部分电弧辐射进入光谱仪3中，另一部分电弧辐射通过高速摄影相机4采集成像；触发装置5的信号输出端与平面电弧成像系统2以及光谱仪3的外触发接口连接，并可由计算机6对输出信号进行在线编程；光谱仪3、高速摄影相机4以及触发装置5通过计算机6进行设置以及数据储存。

如图2所示，平面电弧成像系统2中包括成像透镜21、小孔光阑22、准直透镜23、道威棱镜24、反射镜25、一维运动平台26、分光镜27和玻璃窗口28，用于实现对电弧辐射的成像、旋转以及分光；优选地，玻璃窗口28由石英制成。

本发明的一较佳实施例中的成像透镜21是一个直径为50.8mm、焦距为50mm的远紫外石英凸透镜，小孔光阑22中心孔径为1.2mm，准直透镜23是一个直径50.8为mm、焦距为25mm的远紫外石英凸透镜。成像透镜21与小孔光阑22距离为50mm，与准直透镜23距离为75mm,三者中心在同一直线上。电弧辐射经成像透镜21在小孔光阑22平面聚焦，仅有平行发射的电弧辐射可以通过小孔光阑22中心孔径成像。通过准直透镜23，电弧辐射重新汇聚为平行光后，所成像为原电弧1/2的倒像。

图3是本发明的一较佳实施例中的道威棱镜24，其为等腰梯形的棱镜，其尺寸为105.7mm×25mm×25mm(长×高×宽)，底边角度45°，当电弧经一边斜面进入道威棱镜后经过底边反射从另一边斜面出来，所成像相对于上底边成镜像对称。利用道威棱镜的这一性质，本发明中道威棱镜24上底面与水平面呈45°角安置在准直透镜23后方，斜面与准直透镜23中心对应。电弧平行辐射经准直透镜23进入道威棱镜24斜面，出射镜像相对于入射镜像发生90°的旋转对称操作，将不同水平位置的电弧辐射分布旋转为垂直分布。

本发明的一较佳实施例中的分光镜27是一个1:1的分光镜，反射镜25和分光镜27与光路成45°角平行放置。电弧辐射经道威棱镜24旋转后，通过反射镜25反射和分光镜26分为两部分辐射。其中，一半投射在光谱仪3的入射平面，一部分进入光谱仪3入射狭缝中，通过光谱仪3记录下电弧光谱信息空间分布；另一半透过石英玻璃窗口28投射在高速摄影相机4的传感器上，记录下电弧形态。

如图4所示，石英玻璃窗口28放置在分光镜27和高速摄影相机4之间，石英玻璃窗口28上有一道标识位置，与光谱仪3入射狭缝位置相对应。因此，通过高速摄影相机4可以对光谱仪3通过入射狭缝采集的光谱所在电弧的位置进行观察和校准。

反射镜25安装在一维运动平台26上，可以通过一维运动平台26的电机驱使沿y轴运动。当反射镜在y轴的位置改变时，电弧辐射投射在反射镜25上的位置改变,。此时，经分光镜27分光后的电弧投影在光谱仪3的入射面及高速摄影相机4的传感器上的位置也会发生偏移，进入光谱仪3入射狭缝的电弧辐射位置随之变化。比如，当反射镜25位置在一维运动平台26的电机驱使沿y轴方向由位置a运动到位置a’时，经分光镜27分光后的电弧投影在高速摄影相机4的传感器上的位置随之由位置b变化到位置b’，而投影在光谱仪3入射狭缝的电弧辐射位置随之由位置c变化到位置c’。因此，通过驱动反射镜25在y轴的运动，可以对不同水平位置的电弧辐射进行采集。

触发装置5是一个以Silicon Labs高速C8051F410可编程单片机为主体的装置，与计算机6相连接，通过计算机6对其触发程序进行在线编程和控制。触发装置5与光谱仪3和高速摄影相机4的外触发接口、以及一维运动平台26的步进电机伺服连接。

触发装置5的触发时序如图5所示，在光谱采集的过程中，触发装置5向光谱仪3和高速摄影相机4输出一定数量触发信号完成数据采集后，向一维运动平台26输出脉冲信号，控制一维运动平台26上的反射镜25沿y轴运动至新的采集位置，重新开始采集，从而实现对不同水平位置的电弧辐射逐行采集，实现在一次焊接过程中对整个平面内的电弧进行扫描。

在本发明的一较佳实施例中，当反射镜25运动位置处于位置a时，此时平面电弧成像与光谱同步采集装置处于采集状态，一维运动平台26处于停止状态，触发装置5向光谱仪3和高速摄影相机4发出触发信号分别对位置c和位置b的数据进行采集，在发出5个触发信号完成数据采集后，触发装置5向一维运动平台26输出脉冲信号，控制一维运动平台26上的反射镜25沿y轴运动至新的采集位置a’后，一维运动平台26再次处于停止状态，平面电弧成像与光谱同步采集装置再次处于采集状态，触发装置5向光谱仪3和高速摄影相机4发出触发信号分别对位置c’和位置b’的数据进行采集，依此重复，从而实现对不同水平位置的电弧辐射逐行采集，实现在一次焊接过程中对整个平面内的电弧进行扫描。

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)

1.一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，包括可升降工作台、平面电弧成像系统、光谱仪、高速摄影相机、触发装置和计算机；所述平面电弧成像系统、所述光谱仪、所述触发装置以及所述计算机均安置在所述可升降工作台上，通过调整所述可升降工作台的高度和位置，使焊接电弧产生的辐射进入所述平面电弧成像系统中，经所述平面电弧成像系统分光后，一部分电弧辐射进入所述光谱仪中，另一部分电弧辐射通过所述高速摄影相机采集成像；所述触发装置的信号输出端与所述平面电弧成像系统以及所述光谱仪的外触发接口连接；所述光谱仪、所述高速摄影相机以及所述触发装置通过计算机进行设置以及数据储存。

2.如权利要求1所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述平面电弧成像系统包括成像透镜、小孔光阑、准直透镜、道威棱镜、反射镜、一维运动平台、分光镜和玻璃窗口。

3.如权利要求2所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，平面电弧辐射依此通过所述成像透镜、所述小孔光阑、所述准直透镜和所述道威棱镜；平面电弧辐射通过所述成像透镜聚焦后，经由所述小孔光阑后被所述准直透镜准直；所述道威棱镜使准直后的平面电弧辐射产生旋转，并由所述反射镜反射至所述分光镜。

4.如权利要求2或3所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述反射镜安装在所述一维运动平台上；经所述分光镜分光的一部分平面电弧辐射投射在所述光谱仪的入射平面，进入入射狭缝中经分光后记录光谱信息，另一部分平面电弧辐射透过所述玻璃窗口进入高速摄影相机中成像。

5.如权利要求2或3所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述道威棱镜为等腰梯形棱镜，所述道威棱镜的上底面与水平面呈45°角安置在所述准直透镜后，所述道威棱镜的斜面与所述准直透镜的中心对应；经所述准直透镜的平面电弧辐射进入所述道威棱镜的斜面，从所述道威棱镜出射的平面电弧辐射相对于入射到所述道威棱镜的平面电弧辐射发生90°的旋转，将不同水平位置的电弧辐射分布旋转为垂直分布。

6.如权利要求2或3所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述分光镜的分光比为1:1，所述反射镜、所述分光镜与光路传播方向成45°角平行放置。

7.如权利要求2或3所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述玻璃窗口设置在所述分光镜和所述高速摄影相机之间，所述玻璃窗口上具有一标识位置，所述标识位置与光谱仪的入射狭缝位置相对应。

8.如权利要求2或3所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述反射镜安装在所述一维运动平台上，通过所述一维运动平台的电机驱使所述反射镜沿y轴运动，通过所述反射镜在y轴的运动，实现对不同水平位置的电弧辐射进行采集。

9.如权利要求1所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述触发装置包括可编程单片机，所述触发装置与所述计算机相连，所述计算机对所述触发装置的触发程序进行在线编程和控制。

10.如权利要求9所述的一种平面电弧成像与光谱同步采集装置，其特征在于，所述触发装置与所述光谱仪和所述高速摄影相机的外触发接口以及所述一维运动平台的步进电机伺服连接，所述触发装置向所述光谱仪和所述高速摄影相机输出一定数量触发信号完成数据采集后，向所述一维运动平台输出脉冲信号，控制所述一维运动平台上的所述反射镜沿y轴运动至新的采集位置，从而对不同水平位置的电弧辐射逐行采集，实现在一次焊接过程中对整个平面内的电弧进行扫描。