CN110095416B - 一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法 - Google Patents

一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法，其解决了现有技术中存在的因金属熔池表面形貌存在起伏，探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光的有效信息受辐照激光、热辐射干扰而不能对金属熔池激光吸收率分布进行准确测量的问题。本发明利用椭球反射面共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚至另一个焦点上，通过椭球反射器向金属试样同时射入辐照加热激光和探测激光，探测激光经分束镜分束，再分束后的光线利用两个相机同时进行数据采集并计算得到激光吸收率，其中干扰光线均被成像组件过滤以提高数据的准确性。

Description

一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法
技术领域
本发明属于物理测量方法技术领域，涉及一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法。
背景技术
由于金属材料在国防工业中广泛使用，高能激光对金属材料的辐照破坏效应研究受到了国防科研人员的重视。高能激光与金属材料间的能量耦合率，是高能激光发挥作用的重要因素。对某些金属结构部件而言，高能激光的辐照使其表面熔融形成金属熔池。在大气环境等富氧环境中，熔池表面的金属很容易被氧化，生长出氧化膜层。由于液态金属的流动容易使氧化膜破裂，金属熔池表面将持续氧化膜生长、破碎的过程，使金属熔池表面的激光吸收特性发生复杂的变化，熔池表面对激光的吸收率不再是均匀的，而是存在着分布特性。
由于需要引入高能激光，且金属熔池表面温度很高，熔池具有流动性，熔池表面形貌存在起伏，对探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光与辐照光、热辐射等混杂在一起，时探测光的有效信息别干扰，所以现有的激光吸收率在线测量方法已不再适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法，解决了现有技术中存在的因金属熔池表面形貌存在起伏，探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光的有效信息受辐照激光、热辐射干扰而不能对金属熔池激光吸收率分布进行准确测量的问题。
本发明的基本原理是：利用椭球反射面共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚至另一个焦点上，通过椭球反射器向金属试样同时射入辐照加热激光和探测激光，探测激光经分束镜分束，再分束后的光线利用两个相机同时进行数据采集并计算得到激光吸收率，其中干扰光线(辐照加热激光以及金属试样加热后的热辐射光)均被成像组件过滤以提高数据的准确性。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统，包括椭球反射器、辐照激光器、探测激光器、分束镜、第一相机、成像组件、第二相机以及数据采集与控制系统；
其中，所述椭球反射器的内壁镀有均匀且反射率高的膜层；
所述椭球反射器的两个焦点处分别开设第一通孔和第二通孔，在第一通孔处放置金属试样，在第二通孔的下方依次放置成像组件和第二相机，成像组件用于过滤干扰光线并将金属试样表面目标区成像至第二相机，第二相机用于对带有金属试样熔池区吸收特征的探测激光光斑分布进行测量；
由所述探测激光器发出的探测激光，探测激光经45°角放置的分束镜分成一束透射光和一束反射光，在所述反射光的光路上放置第一相机，用于对反射光光斑分布进行监测；所述透射光射入椭球反射器后经金属试样、椭球反射器内壁反射后，汇聚至第二通孔，再经过成像组件后被第二相机接收；
由所述辐照激光器发出的辐射激光射入椭球反射器后一部分对金属试样进行加热形成金属熔池，金属试样产生热辐射光被椭球反射器内壁反射后，汇聚至第二通孔进而被成像组件过滤，另一部分经金属试样、椭球反射器内壁反射后，也汇聚至第二通孔进而被成像组件过滤；
所述第一相机、第二相机均与数据采集与控制系统连接。
优选的，所述成像组件包括沿透射光光路方向依次设置的第一聚光透镜、第二聚光透镜以及窄带带通滤波片；所述第一聚光透镜和第二聚光透镜具有公共焦平面；所述窄带带通滤波片位于所述公共焦平面上。
所述成像组件和第二相机之间、分束镜和第一相机之间分别放置衰减片，以使相机成像不出现饱和的情况；
所述第一相机和第二相机应对探测激光器的激光光斑成像视场一致。
所述的第一相机和第二相机的像素分辨率应一致。
另外，数据采集与控制系统在工作时发送两路具有相同时序的触发信号至第一相机和第二相机，使得两个相机在同一时间采集数据，同时保存数据。
所述第一通孔直径略大于金属试样直径；
优选的，所述数据采集与控制系统采用计算机与时序信号发生器组成，具备触发信号输出、数据采集与计算分析功能，或采用具有两路相机同步触发、数据保存功能程序的计算机；
基于上述一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统，本发明还提供一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其具体实施步骤如下：
步骤1、测量待测金属试样在无辐照情况下对探测激光的反射率R0；
步骤2、将所述金属试样放置于第一通孔处，辐照激光器采用波长为λ1的辐照激光入射至金属试样，对试样进行辐照加热，其中一部分辐照激光对金属试样表面加热形成金属熔池，同时金属试样产生热辐射光被椭球反射器内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件过滤；另一部分辐照激光经金属试样反射后形成加热反射光，加热反射光经椭球反射器内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件过滤；
步骤3、探测激光器的波长为λ2，其发出的探测激光通过所述分束镜，分成一束透射光和一束反射光，其中波长λ2与步骤2中的波长λ1不相等，即λ1≠λ2；
反射光进入第一相机，第一相机对所述反射光的光斑分布进行监测，从而获得监测图像序列并保存，所述监测图像序列经图像读取和分析后，得到单帧像像素信号强度矩阵为I2(t)，其平均信号强度为I2,mean(t)；
透射光射入椭球反射器后经金属试样反射后形成探测反射激光，探测反射激光经椭球反射器内壁反射后，再经过第二通孔、成像组件后被第二相机接收，第二相机对所述透射光的光斑分布进行监测，从而获得探测图像序列并保存，所述探测图像序列经图像读取和分析后，得到单帧像光斑区像素信号强度矩阵为I1(t)，其平均信号强度为I1,mean(t)，并将数据I1(t)和I1,mean(t)上传至数据采集与控制系统；
步骤4、数据采集与控制系统对所述第一相机和第二相机采集的数据进行计算处理，从而获取试样表面的吸收率分布矩阵A(t)：
Figure BDA0002045217850000051
Figure BDA0002045217850000052
本发明的有益效果是：
1.本发明基于椭球反射器共轭反射汇聚的特性，所有汇聚至一个焦点的探测激光经金属试样、椭球反射器反射后将汇聚至共轭焦点处，大幅度缩小了探测激光的反射线分布的空间角度，同时成像组件可以对干扰光线进行有效过滤，使测量数据更加准确。
2.在高能激光入射的状态下，该测量系统和方法可实现在线测量，，系统搭建简单、容易操作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记如下：
1.椭球反射器，2.辐照激光，3.探测激光，4.分束镜，501.第一相机，502.第二相机，6.金属试样，701.热辐射光，702.加热反射光，703.探测反射光，8.成像组件，9.数据采集与控制系统，10.衰减片、11-辐照激光器、12-探测激光器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
首先，搭建金属熔池激光吸收率分布在线测量系统：
如图1所示，本实施中该系统包括椭球反射器1、辐照激光器12、探测激光器13、分束镜4、第一相机501、成像组件8、第二相机502以及数据采集与控制系统9；其中，椭球反射器1的内壁镀有高反射率的膜层，椭球反射器1的两个焦点处分别开设第一通孔和第二通孔，金属试样6放置在第一通孔处，第二通孔的下方依次设置成像组件8和第二相机502；
由图1可见，探测激光器12发出的探测激光3经45°放置的分束镜分成一束透射光和一束反射光，在反射光的光路上放置第一相机501；透射光射入椭球反射器1后经金属试样6、椭球反射器1内壁反射后形成探测反射光703，汇聚至第二通孔，再经过成像组件8后被第二相机502接收；
通过对成像组件或相机上镜头的调整，使第一相机和第二相机对探测激光器的激光光斑成像视场一致；第一相机和第二相机应选用像素分辨率一致的相机型号。
辐照激光器11发出的辐照激光2射入椭球反射器1后一部分对金属试样6进行加热，金属试样6产生热辐射光701被椭球反射器1内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件8过滤，另一部分经金属试样6、椭球反射器1内壁反射后形成加热反射光702，再经过第二通孔被成像组件8过滤；此处需要说明的一点是：成像组件对加热反射光702和热辐射光701的过滤并无法达到100％，只需加热反射光702和热辐射光701不会对探测反射光703造成干扰即可。
其中，第一相机501、第二相机502均与数据采集与控制系统9连接；数据采集与控制系统9采用需要有数据采集、处理和对其他器件进行控制的装置即可，数据采集与控制系统9的形式比较多样，包括具有两路相机同步触发和数据保存功能的计算机或者是计算机与时序信号发生器组合系统等，本实施例中采用计算机。
成像组件8采用成像技术将金属熔池表面成像到第二相机，并在成像光路中插入滤波片将加热反射光702和热辐射光701滤除，其中成像技术优选4f成像技术。本实施例中给出一种具体的实现方式，具体是：成像组件8包括沿透射光光路方向依次设置的第一聚光透镜、第二聚光透镜以及窄带带通滤波片；第一聚光透镜、第二聚光透镜具有公共焦平面，窄带带通滤波片位于所述公共焦平面上。
为了确保成像不出现饱和情况，本实施例中在成像组件8和第二相机502之间、分束镜4和第一相机501之间分别放置衰减片10。同时也为了保证光斑成像后无畸变，分束镜4相对探测激光方向倾斜45°放置。开孔直径略大于金属试样6的直径。
其次，利用上述搭建的测量系统进行测量，具体测量过程如下：
步骤1、测量金属试样6在无辐照情况下对探测激光的反射率R0；
步骤2、将所述金属试样6放置于第一通孔处，辐照激光器采用波长为λ1的辐照激光2入射至金属试样6，对金属试样进行辐照加热，其中一部分辐照激光2对金属试样6表面加热形成金属熔池，同时金属试样6产生热辐射光701被椭球反射器内壁1反射后，再经过第二通孔被成像组件8过滤；另一部分辐照激光经金属试样6反射后形成加热反射光702，加热反射光702经椭球反射器1内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件8过滤；
步骤3、探测激光器13采用波长为λ2的探测激光通过所述分束镜，分成一束透射光和一束反射光，其中波长λ2与步骤2中的波长λ1不相等，即λ1≠λ2；
反射光进入第一相机501，第一相机501对所述反射光的光斑分布进行监测，从而获得监测图像序列并保存。所述监测图像序列经图像读取和分析后，得到的单帧像像素信号强度矩阵为I2(t)，其平均信号强度为I2,mean(t)；
透射光射入椭球反射器1后经金属试样反射后形成探测反射激光703，探测反射激光703经椭球反射器1内壁反射后，再经过第二通孔、成像组件8后被第二相机502接收，第二相机502对所述探测反射激光703的光斑分布进行监测，从而获得探测图像序列并保存。所述探测图像序列经图像读取和分析后，得到单帧像光斑区像素信号强度矩阵为I1(t)，其平均信号强度为I1,mean(t)；
步骤4、数据采集与控制系统9对所述第一相机501和第二相机502采集的数据进行计算处理，从而获取试样表面的吸收率分布矩阵A(t)：
Figure BDA0002045217850000081
Figure BDA0002045217850000082
实际测量时，步骤3中，取激光辐照在金属试样表面时刻为零时，即t＝0时，数据采集与控制系统控制第一相机和第二相机同时采集数据并保存数据。

Claims (7)

1.一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，采用的测量系统包括椭球反射器(1)、辐照激光器(11)、探测激光器(12)、分束镜(4)、第一相机(501)、成像组件(8)、第二相机(502)以及数据采集与控制系统(9)；
其中，所述椭球反射器的内壁镀有均匀且反射率高的膜层；
所述椭球反射器(1)的两个焦点处分别开设第一通孔和第二通孔，金属试样(6)放置在第一通孔处，第二通孔的下方依次设置成像组件(8)和第二相机(502)；
所述探测激光器(12)发出的探测激光(3)经45°角放置的分束镜分成一束透射光和一束反射光，所述反射光的光路上放置第一相机(501)；所述透射光射入椭球反射器(1)后经金属试样(6)、椭球反射器(1)内壁反射后，汇聚至第二通孔，再经过成像组件(8)后被第二相机(502)接收；
所述辐照激光器(11)发出的辐照激光(2)射入椭球反射器(1)后一部分对金属试样(6)进行加热，金属试样(6)产生热辐射光(701)被椭球反射器(1)内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件(8)过滤，另一部分经金属试样(6)、椭球反射器(1)内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件(8)过滤；
所述第一相机(501)、第二相机(502)均与数据采集与控制系统(9)连接；
具体的测试步骤如下：
步骤1、测量金属试样(6)在无辐照情况下对探测激光的反射率R0；
步骤2、将所述金属试样(6)放置于第一通孔处，辐照激光器(11)采用波长为λ1的辐照激光(2)入射至金属试样(6)，其中一部分辐照激光(2)对金属试样(6)表面加热形成金属熔池，同时金属试样(6)产生热辐射光(701)被椭球反射器内壁(1)反射后，再经过第二通孔被成像组件(8)吸收；另一部分辐照激光经金属试样(6)反射后形成加热反射光(702)，加热反射光(702)经椭球反射器(1)内壁反射后，再经过第二通孔被成像组件(8)吸收；
步骤3、探测激光器(12)采用波长为λ2的探测激光通过所述分束镜，分成一束透射光和一束反射光，其中波长λ2与步骤2中的波长λ1不相等，即λ1≠λ2；
反射光进入第一相机(501)，第一相机(501)对所述反射光的光斑分布进行监测，从而获得监测图像序列并保存；所述监测图像序列经图像读取和分析得到单帧像像素信号强度矩阵为I2(t)，其平均信号强度为I2,mean(t)；
透射光射入椭球反射器(1)后经金属试样反射形成探测反射激光(703)，探测反射激光(703)经椭球反射器(1)内壁反射后，再经过第二通孔、成像组件(8)后被第二相机(502)接收，第二相机(502)对所述探测反射激光(703)的光斑分布进行监测，从而获得探测图像序列并保存；所述探测图像序列经图像读取和分析得到单帧像光斑区像素信号强度矩阵为I1(t)，其平均信号强度为I1,mean(t)；
步骤4、数据采集与控制系统(9)对所述第一相机(501)和第二相机(502)采集的数据进行计算处理，从而获取试样表面的吸收率分布矩阵A(t)：
Figure FDA0003026759190000031
Figure FDA0003026759190000032
2.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，所述成像组件(8)包括沿透射光光路方向依次设置的第一聚光透镜、第二聚光透镜以及窄带带通滤波片；
第一聚光透镜、第二聚光透镜具有公共焦平面；
所述窄带带通滤波片位于所述公共焦平面上。
3.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，所述成像组件(8)和第二相机(502)之间放置衰减片(10)。
4.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，所述分束镜(4)和第一相机(501)之间放置衰减片(10)。
5.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，所述第一相机(501)和第二相机(502)应对探测激光器(12)的激光光斑成像视场一致；所述的第一相机和第二相机的像素分辨率应一致；所述第一相机(501)和第二相机(502)在同一时间采集数据。
6.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，所述第一通孔直径略大于金属试样(6)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种金属熔池激光吸收率分布在线测量方法，其特征在于，数据采集与控制系统(9)采用计算机与时序信号发生器组成，具备触发信号输出、数据采集与计算分析功能，或采用具有两路相机同步触发、数据保存功能程序的计算机。
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焊接熔池图像视觉传感技术的研究现状及发展趋势;闻倩艺 等;《热加工工艺》;20161130;第45卷(第22期);第7-15页 *
用于材料反射率测量的共轭反射计设计与分析;吴丽雄 等;《光学精密工程》;20101231;第18卷(第12期);第2521-2529页 *

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