CN108225569B - 一种基于双谱线特征的标准温度法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双谱线特征的标准温度法，涉及热等离子体温度测量领域。该方法通过分光系统将焊接电弧分成两个相同的待测目标，再用高速相机和窄带滤光片分别测量两束电弧弧光，并得出原子谱线和一次电离谱线。为了克服相机暗电流、光子溢出等因素带来的误差，同时又需要在一次曝光中保证两幅电弧窄带图像的成像质量，两幅图像中最高光强值应均不低于相机最大测量范围的50％。测量中，应将两幅电弧窄带图像最高亮度值控制在最大曝光量的80‑90％。利用ML‑EM迭代重建算法还原为三维电弧发射系数场。该发明采集的两幅图像具有良好的时间、空间一致性；完成电弧的高、低温区自动判别，解决了单谱线测量过程中无自动法判定电弧中心区域温度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及基于双谱线特征的标准温度法，属于热等离子体温度测量领域。
背景技术
等离子弧作为一种高能束热源，以其焊接形变小、焊后无缺陷等优势，成为航空航天领域首选的焊接方式。但是等离子弧作为能量传输的载体，有着能量分布不均匀的缺陷，因此电弧温度场信息对进一步提高等离子弧焊接工艺提供了重要的理论依据。然而等离子弧的温度非常高，探针和热电偶都很难达到测温要求，而且接触式的测温方式会对电弧温度场的测量造成干扰，所以选用非接触式测量方法。
标准温度法就是非接触式测温法中常用的一中方法。随着近年来，研究人员将标准温度法测温原理和先进的视觉传感技术相结合，因为其具有良好的时间、空间分别率，这种方法被作为测量电弧温度场的一种重要手段而广泛被国内、外研究者使用。M FThornton测量了不同波长的Ar谱线，用标准温度法完成了TIG电弧的温度计算，最后比较了不同谱线下温度计算结果的差异。吴林等人利用标准温度法测量了不同电流下的直流TIG电弧和脉冲TIG电弧温度场。上海交通大学的肖笑等人，通过两条光谱线，用标准温度法测量了多组分保护气的TIG电弧温度场。
标准温度法测量的必要条件是电弧内部最高温度超过特征谱线的标准温度，因此研究者往往选取一条Ar原子跃迁时发出的线光谱来计算电弧温度，当空间某一位置达到谱线标准温度后，该处发射系数达到最大值，随着温度的升高或降低，发射系数开始降低，在超过谱线标准温度的待测区域产生弧光降低的现象，导致根据一条谱线的发射系数场信息无法直接判定其高温区域，只能通过人为判定的方式来计算电弧温度。日本大阪大学的Kazufumi Nomura等人选取696.5nm的ArI谱线测量TIG电弧温度，在每层电弧截面下，人为将发射系数向中心呈下降趋势的区域认定为超过谱线标准温度的高温区。对此，为增加高温区判定的准确性以及智能性，在测量系统中引入一套电弧高低温区域自动判定系统是十分有必要的。
发明内容：
技术问题：针对单谱线标准温度法无法自动判别发射系数极小处的温度值得缺陷，本发明基于标准温度法的测温原理，提出一种双谱线测量方法，旨在保证两条谱线具有良好的时间、空间一致性；结合两条谱线的发射系数场信息标定电弧的高温区和低温区，完成电弧的高、低温区自动判别，解决了单谱线测量过程中无自动法判定电弧中心区域温度的问题，并为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。
本发明解决其技术问题采取的技术方案为：一种基于双谱线特征的标准温度法，包括以下步骤：
1、参照焊接电弧的位置，搭建测量光路。焊枪与工件之间的区域为电弧空间，将电弧中心、起偏器、分光镜呈直线排布，并保证三者的中心线垂直于电弧中心。通过分光模块将电弧光源向一个角度发出的待测光分成两束，然后通过反射镜分别送入高速相机中，在两个反射镜前分别加入波长不同的窄带滤光片以获取原子谱线和一次电离谱线的空间分布，其中，分光镜、反射镜和高速相机处于在同一平面上。
2、通过一次曝光同时采集电弧发出的原子谱线和一次电离谱线两条谱线的窄带图像，以保证两幅图像具有良好的时间、空间一致性。为了克服相机暗电流、光子溢出等因素给测量结果带来的误差，同时又需要在一次曝光中保证两幅电弧窄带图像的成像质量，两幅图像中最高光强值应均不低于相机最大测量范围的50％。
3、以高速相机采集的窄带图像作为投影依据做电弧三维发射系数场还原，获得三维发射系数场。
4、将两个发射系数场融合，为喷嘴下方中心位置为原点建立五维坐标系，xyz为空间坐标，v、w为(x,y,z)坐标下的原子谱线发射系数和一次电离谱线发射系数。
5、找出原子谱线发射系数场中最大值所处的空间位置坐标(xrp,yrp,zrp)。
6、读取(xrp,yrp,zrp)坐标下w取值，并将其存储于变量εrp中。
7、将一次电离谱线的发射系数值εrp作为判定电弧高温区的依据，五维坐标系中w≥εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧高温区，w<εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧低温区域。
8、利用原子谱线发射系数与温度变化曲线标准温度值所对应的温度值Trp为判据，得T<Trp和T≥Trp两段函数图像，从而分别计算电弧低、高温区域的温度分布。
9、沿z轴的负方向移动测量截面，并重复上述步骤，以获得整个电弧空间的温度场分布。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
1、采用一种多谱线采集装置，使两幅电弧窄带图像具有良好的时间、空间一致性，从而为两条谱线信息的融合提高精度；
2、通过所采集的两条谱线发射系数场，发现一次电离谱线发射系数场中强度超过εrp的区域为超过原子谱线标准温度的区域，εrp的标定为电弧高低温区的识别提供了依据；
3、利用所设计双谱线标准温度测温方法，在不需要人工判别的情况下，完成了对电弧高、低温区域的自动判定。
附图说明：
图1为本发明的基于双谱线特征的标准温度法的示意图，
图中，1为焊枪，2为焊接电弧，3是冷却铜块，4为焊接电源，5是起偏器，6为分光镜，7为原子谱线反射镜M1,8为一次电离谱线反射镜M2,9为与原子谱线波长相对应的窄带滤光片，10为与一次电离谱线波长相对应的窄带滤光片，11为高速相机，12为PC显示器。其中，α为一次电离谱线反射镜M2如入射角，θ为7、8反射光的夹角，且7、8关于6的延长线对称。
图2为本发明所采用两种谱线的发射系数随温度的变化曲线图(已做归一化处理)；
图3为两种谱线的发射系数随电弧中心距离的变化曲线图。
图4为本发明中基于双谱线的标准温度法测量电弧温度步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步的详细说明。
1、如图1所示，参照焊接电弧2的位置，搭建测量光路。焊枪1与工件3之间的区域为电弧空间，将电弧2中心A、起偏器5中心B、分光镜6中心S呈直线排布，并保证三者的中心线垂直于电弧中心。其中，分光镜6与中心线AS夹角为45度。夹角∠M1SM2为90度，SM1＝SM2，且7反射镜M1和8反射镜M2关于分光镜6的延长线对称。反射镜M1和M2排布在以相机感光元器件位置O为中心的圆弧轨迹上，圆弧与直线SM1和直线SM2的交点为反射镜中心。其中，反射镜M2的入射角为α，M1和M2的反射光夹角为θ。本申请实验过程中选用的电弧保护气和离子气均是氩气，所以窄带滤光片的波长应选择696.5±2nm来采集氩原子谱线，即ArI谱线；选择480.6±2nm来采集氩原子一次电离谱线，即ArII谱线。
2、根据相机的相关成像公式，可得反射镜组和CCD相机感光元件中心的夹角θ为：
式中，w为CCD元件宽度，f为镜头焦距，k为镜头焦距转换系数。反射镜M1和M2的入射角α为：
反射镜M1和M2与S点距离Lf为：
式中，Ls为分光镜中心点S到CCD中心点O的距离。据此调节测量系统。
3、本发明再具体实施过程中，选用北京工业大学自主研发的逆变等离子弧焊焊机，阳极采用水冷铜极，离子气流量设定为3.5L/min，保护气流量10L/min，离子气和保护气均选用氩气，弧高5mm，钨极直径内缩量4mm，钨极夹角50度，测量焊接电流为150A。在确保保护气、枪冷却水、工件冷却水打开后，依照上述设定起弧。
4、在确保电弧稳定燃烧后，选择适当的时刻利用高速相机进拍摄电弧。一般确保电弧稳定燃烧5～10s后拍摄。测量过程中，使用挡板挡在电弧周边，以减少空气流动对电弧的影响；并将中性密度滤光片置于696.6nm谱线的弧光传播通路中，将两幅电弧窄带图像最高亮度值控制在最大曝光量的85％。
5、电弧计算过程如图4所示，通过4采集到的二维图像如图3所示，原子谱线(ArI谱线)在电弧某一截面的发射系数分布呈“M”型，而一次电离谱线(ArII谱线)在同一电弧截面的发射系数分布呈“Λ”型。
6、以高速相机采集的窄带图像作为投影依据做电弧三维发射系数场还原，获得三维发射系数场。
4、将两个发射系数场融合，为喷嘴下方中心位置为原点建立五维坐标系，xyz为空间坐标，v、w为(x,y,z)坐标下的原子谱线发射系数和一次电离谱线发射系数。
5、找出原子谱线发射系数场中最大值所处的空间位置坐标(xrp,yrp,zrp)。
6、读取(xrp,yrp,zrp)坐标下w取值，并将其存储于变量εrp中。其中w所对应的发射系数值为图3中的RP处对应的发射系数值。
7、将一次电离谱线的发射系数值εrp作为判定电弧高温区的依据，五维坐标系中w≥εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧高温区，w<εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧低温区域。
8、利用原子谱线发射系数与温度变化曲线标准温度值所对应的温度值Trp为判据，得T<Trp和T≥Trp两段函数图像，从而分别计算电弧低、高温区域的温度分布。
9、沿z轴的负方向移动测量截面，并重复上述步骤，以获得整个电弧空间的温度场分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于双谱线特征的标准温度法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、连接焊枪、工件，完成光学采集系统的调整；
步骤S2、通过相机配合滤光片拍摄焊接电弧，通过一次曝光同时采集电弧发出的原子谱线和一次电离谱线两条谱线的窄带图像；
步骤S3、以采集的窄带图像作为投影依据做电弧三维发射系数场还原，获得三维发射系数场；
步骤S4、将两个发射系数场融合，为喷嘴下方中心位置为原点建立五维坐标系，xyz为空间坐标，v、w为(x,y,z)坐标下的原子谱线发射系数和一次电离谱线发射系数；
步骤S5、找出原子谱线发射系数场中最大值所处的空间位置坐标(xrp,yrp,zrp)；
步骤S6、读取(xrp,yrp,zrp)坐标下w取值，并将其存储于变量εrp中；
步骤S7、将一次电离谱线的发射系数值εrp作为判定电弧高温区的依据，五维坐标系中w≥εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧高温区，w<εrp的空间位置(x,y,z)判定为电弧低温区域；
步骤S8、利用原子谱线发射系数与温度变化曲线标准温度值所对应的温度值Trp为判据，在w<εrp的空间位置得T<Trp的函数图像，在w≥εrp的空间位置得T≥Trp的函数图像，从而分别计算电弧低、高温区域的温度分布。
2.如权利要求1所述的基于双谱线特征的标准温度法，其特征在于：所应用的装置包括起偏器、分光镜、反射镜组、窄带滤光片、相机；分光镜将一个角度发出的待测光分成两束，然后通过反射镜分别送入相机中，在一个反射镜前加入相应波长的窄滤光片以获取原子谱线的空间分布，在另一个反射镜前加入相应波长的窄带滤光片来获取一次电离谱线的空间分布；两束光在空间中传播的光程应相同，并保证分光镜、反射镜和相机处于在同一平面上。
3.如权利要求1所述的基于双谱线特征的标准温度法，其特征在于：两幅电弧窄带图像中最高光强值应均不低于相机最大测量范围的50％；测量中，将中性密度滤光片置于原子谱线的弧光传播通路中，将两幅电弧窄带图像最高亮度值控制在最大曝光量的80％～90％。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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