CN115696708A - 一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法 - Google Patents

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CN115696708A CN202211222258.7A CN202211222258A CN115696708A CN 115696708 A CN115696708 A CN 115696708A CN 202211222258 A CN202211222258 A CN 202211222258A CN 115696708 A CN115696708 A CN 115696708A
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陈明华
张之强
辛立军
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Liaoning University of Technology
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Abstract

本发明提供了一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，包括：三维定位台，其与待检测的电弧等离子体间隔设置；运动位移台，其设置在三维定位台上，通过三维定位台进行定位；支架，其安装在运动位移台上，并且能够在运动位移台的驱动下旋转以及靠近或远离电弧等离子体；探针机构，其固定安装在支架上，探针机构包括平行间隔设置的两个探针；检测电路，其用于为探针提供电压，并且能够实时检测电路中的电流及电压；其中，探针采用耐高温金属材质；两个探针的一端分别与检测电路连接，另一端分别支架的带动下伸入或远离电弧等离子体；在检测时，两个探针及两个探针之间的电弧等离子体串联，并且与检测电路连接形成回路。

Description

一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法
本申请是名为《一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2020年03月02日，申请号为202010133691.8。
技术领域
本发明涉及焊接电弧内部放电状态检测技术领域，特别是涉及一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法。
背景技术
电弧等离子体是电弧的一种特殊形式，它具有温度高、能流密度高、化学性高和可控性好等特点，在高性能的制造加工(焊接、切割、喷涂、刨削、增材制造)、固废资源化处理、煤的清洁化处理、火电站燃煤点火等方面具有广阔的应用前景。而能否应用、应用效果的好坏由电弧等离子体区域的电位、带电粒子的温度和密度等信息参数直接决定。因此，准确可靠地检测电弧等离子体的参数不仅有利于电弧等离子体基础特性研究，而且对等离子体应用工艺技术的改进和创新也十分重要。
电弧等离子属于热等离子体，温度一般可达到103-105K，由于温度较高，当今研究者对电弧等离子体内部放电状态参数信息的检测技术和方法的研究远远落后于其应用方面，对电弧等离子体内部微区域的物理状态的研究大多停留在假设和猜想层面。部分研究者采用光谱诊断的方法研究电弧等离子体，该方法只能对等离子体局部区域进行检测，检测的区域内温度、压力等看作均匀，无法定点定位准确的检测等离子体中的电位、带电粒子的温度和密度等状态信息。
以往探针法检测等离子体时，通常是用来检测较低温度的等离子体。然而，电弧等离子体具有较高的温度、高辐射强度和高粒子密度。在这种情况下，普通的探针无法达到检测要求。常规的探针法检测等离子体时采用单探针法，实验数据的采集和处理比较复杂和繁琐。
另外，以往探针法检测等离子体是将探针固定于等离子体某一固定的部位，只能对均匀等离子体进行信息采集。无法实现对电弧等离子体精确定点定位和定面弧形扫描信息采集。从而不能更加准确得到等离子体电离区域复杂的电位、电子温度和密度分布状态信息。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，包括：
三维定位台，其与待检测的电弧等离子体间隔设置；
运动位移台，其设置在所述三维定位台上，通过所述三维定位台进行定位；
支架，其安装在所述运动位移台上，并且能够在所述运动位移台的驱动下旋转以及靠近或远离所述电弧等离子体；
探针机构，其固定安装在所述支架上，所述探针机构包括平行间隔设置的两个探针；
检测电路，其用于为所述探针提供电压，并且能够实时检测电路中的电流及电压；
其中，所述探针采用耐高温金属材质；所述两个探针的一端分别与所述检测电路连接，另一端分别所述支架的带动下伸入或远离电弧等离子体；在检测时，所述两个探针及所述两个探针之间的电弧等离子体串联，并且与所述检测电路连接形成回路。
所述探针采用钨探针；所述探针包括同轴连接的尖端部和连接部；
其中，所述尖端部靠近所述电弧等离子体设置；所述连接部的一端连接所述检测电路；
所述尖端部在靠近所述连接部的一端的表面上包覆有陶瓷材料，另一端为裸露端；
所述探针机构还包括：
陶瓷套管，其沿所述探针的轴向同时套设在两个所述连接部的外侧；以及
水冷铜模块，其套设在所述陶瓷套管外侧。
所述运动位移台包括：
丝杆导轨；
滑台，其通过螺纹匹配连接在所述丝杆导轨上；
驱动电机，其动力输出轴与所述丝杆导轨连接；
其中，所述驱动电机能够驱动所述丝杆导轨转动，从而使所述滑台沿所述丝杆导轨的轴向移动；
舵机，其固定设置在所述滑台上；
其中，所述支架的一端固定连接在所述舵机的动力输出轴上，另一端固定连接在所述水冷铜模块的外侧；水冷铜模块的外侧形成探针手柄，并且固定在探针高速运动位移台上的支架上，两个探针和随支架同步运动；两个探针的连接部通过铜导线接入检测电路；待两个探针伸入导电的等离子体后形成完整的回路；
通过计算机程序控制探针高速运动位移台实现探针机构快速进出和探针的弧形扫描动作；探针机构执行快速进出动作是由计算机程序控制丝杆导轨滑台机构完成的；驱动电机采用伺服电机，其动力输出轴通过联轴器与丝杆导轨的一端连接；其中，驱动电机驱动所述丝杆导轨转动，从而使滑台沿丝杆导轨的轴向移动。舵机跟随滑台同步移动，计算机程序控制舵机驱动探针机构执行快速弧形扫描的动作；其中，支架的下端固定连接在舵机的动力输出轴上，上端固定连接在所述探针手柄上；丝杆导轨滑台机构和舵机两者结合实现探针机构110快速前进、快速弧形扫描和快速退出的弧形扫描动作；三维位移台对探针高速运动位移台实现在X-Y-Z三个方向的位置移动及定位；三维位移台为手动位移台，通过手动控制三维位移台改变探针高速运动位移台的位置，使探针的位置与待检测的电弧等离子体的位置相对应；三维位移台的精度为0.1mm。
优选地，所述连接部为直径为0.15mm的钨丝；以及所述裸露端的长度为2mm。
一种焊接电弧内部放电状态的检测方法，使用如上述双探针检测装置，包括如下步骤：
步骤一、通过三维定位台调整运动位移台的位置，使探针的位置与待检测的电弧等离子体的位置相对应；
步骤二、通过运动位移台驱动探针移动及旋转，使探针快速进出所述待检测的电弧等离子体及在所述待检测的电弧等离子体内进行弧形扫描；并且记录探针处于电弧等离子体电离区域不同位置时的电位和回路反馈电流，绘制U-I特性曲线；
步骤三、根据所述U-I特性曲线得到U-I函数；
步骤四、根据所述U-I函数得到等离子体的电位、等离子体的电子温度和密度信息。
在所述步骤三中，所述U-I函数为：
Figure BDA0003877859170000041
式中，I为流过探针的回路电流；i1+和i2+分别为两个探针的饱和离子电流；A1和A2分别为两个探针的表面积；e为电子电量；U为探针间电位差；k为玻尔兹曼常数；Te为电子温度。
在所述步骤四中，所述等离子体的电子温度根据如下公式计算：
Figure BDA0003877859170000042
在所述步骤四中，所述电弧等离子体的离子密度Ni为：
Figure BDA0003877859170000043
式中，i0+为饱和离子电流；Ni为离子密度；A0为探针表面积，A0＝(A1+A2)/2；Mi为离子质量，Ti为离子温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，通过耐高温的金属双探针结构使电弧等离子体内部某一点(微小区域)的带电粒子定向运动并在探测电路中形成回路，并且通过检测电路和运动位移台配合实现电弧等离子体精确定点定位和定面弧形扫描信息采集，从而能够对电弧等离子体内部放电状态的准确检测。
本发明提供的焊接电弧内部放电状态的检测方法，通过控制探针运动实现不同位置和不同平面下弧形区域的等离子体信息检测；测量探针上等离子体的电压和电流数值获得U-I特性曲线，能够获得被测位置等离子体中的电位、带电粒子的温度和密度信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置的总体示意图。
图2为本发明所述的探针机构的结构示意图。
图3为本发明所述的探针高速运动位移台的结构示意图。
图4为本发明所述的探针检测方式运动示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，主要包括：包括探针机构110、三维位移台(定位台)120、探针高速运动位移台130、等离子体信息采集电路(检测电路)140、信息传输存储系统与计算机处理系统(图中未示出)以及支架150。探针机构110包括两个探针，采用探针机构来检测高温电弧等离子体，将两个探针的非采集端连入等离子体信息采集电路(检测电路)140中。其中，等离子体信息采集电路(检测电路)140包括：连续可调的数字电源141，用于提供等离子体检测时的电压；一个显示电路电流的可通讯输出的数字电流计142；一个显示电源电压的可通讯输出的数字电位计143。可调节施加电压和反馈电流数值通过信息传输存储系统传到至计算机处理系统，绘制出U-I特性曲线，进而得到电弧等离子体内部的电位分布以及带电粒子的温度和密度信息。
如图1-2所示，探针机构110是采用两根直径0.15mm的纯钨丝并排作为探针111和探针112。两个探针的结构相同，下面以探针探针111为例，对探针结构做进一步说明。探针111包括同轴连接的尖端部111a和连接部111b；其中，尖端部111a靠近所述电弧等离子体设置；连接部111b的一端连接等离子体信息采集电路(检测电路)140；尖端部111a在靠近连接部111b的一端的表面上包覆有陶瓷材料，另一端为裸露端(不包覆陶瓷材料)作为采集端。
在本实施例中，探针尖端部裸露端(采集端)长度为2mm，采用Al2O3陶瓷材料包覆探针尖端部111a其余表面。探针机构110还包括：陶瓷套管113，其沿两个探针111和112的轴向同时固定套设在两个所探针的连接部的外侧，同时在两个探针111和112的连接部之间设置有绝缘隔绝层115；以及套筒状的水冷铜模块114，其同轴固定套设在陶瓷套管113的外侧。水冷铜模块114用来水冷降温。三维位移台(定位台)120，与待检测的电弧等离子体210间隔设置；其中，电弧等离子体210在工件220和钨极230之间形成，工件220和钨极230之间连接有焊接电源240。探针高速运动位移台130设置在三维定位台上120上；支架150安装在探针高速运动位移台130上，并且能够在探针高速运动位移台130的驱动下旋转以及靠近或远离电弧等离子体210。水冷铜模块114的外侧形成探针手柄，并且固定在探针高速运动位移台130上的支架150上，两个探针111和112随支架同步运动。两个探针111和112的连接部(非检测端)通过铜导线接入采集电路140；待探针111和112伸入导电的等离子体后形成完整的回路。
如图3-4所示，通过计算机程序控制探针高速运动位移台130实现探针机构110快速进出和探针的弧形扫描动作。其中，探针高速运动位移台130的运动机构包括：丝杆导轨滑台机构和舵机131。探针机构执行快速进出动作是由计算机程序控制丝杆导轨滑台机构完成的，所述丝杆导轨滑台机构包括：丝杆导轨132a、滑台132b及驱动电机132c。滑台132b通过螺纹匹配连接在丝杆导轨132a上；驱动电机132c采用伺服电机，其动力输出轴通过联轴器132d与丝杆导轨132a的一端连接；其中，驱动电机132c能够驱动所述丝杆导轨132a转动，从而使滑台132b沿丝杆导轨132a的轴向移动。舵机131固定设置在滑台132b上，跟随滑台132b同步移动，计算机程序控制舵机131驱动探针机构110执行快速弧形扫描的动作。其中，支架150的下端固定连接在舵机131的动力输出轴上，上端固定连接在所述探针手柄上。丝杆导轨滑台机构和舵机131两者结合实现探针机构110快速前进、快速弧形扫描和快速退出的弧形扫描动作。三维位移台(定位台)120能够对探针高速运动位移台130实现在X-Y-Z三个方向的位置移动及定位。在本实施例中，三维位移台(定位台)120为手动位移台，通过手动控制三维位移台(定位台)120改变探针高速运动位移台130的位置，使探针的位置与待检测的电弧等离子体的位置相对应(使探针位置对应电弧等离子体210中设定的检测范围)。其中，三维位移台(定位台)120的精度为0.1mm。
作为进一步的优选，选用电压-80～80V连续可调的电源141、带通讯存储功能的数字电流计142(量程-2.999A～2.999A，精度0.1mA)、带通讯存储功能的数字电位计143(量程-99.99A～99.99V，精度0.01V)和与探针机构搭建出完整的检测电路，通过通讯接口将电位计143和电流计143信息记录传输至计算机。记录探针处于电弧等离子体电离区域不同位置时的电位和回路反馈电流，绘制U-I特性曲线。对曲线进行进行数学处理，得到拟合后的U-I函数。结合探针法等离子体诊断理论，得到等离子体的电位、等离子体的电子温度和密度等信息。
在探针定点检测和弧形扫描检测过程中，如果探针所处位置为等离子体电离区域，那么在探针回路中将会产生电流；否则，电流为零。
工作原理：将探针机构安装固定高速运动位移台130上，手动调整三维位移台(定位台)120(X-Y-Z三轴位移台)，从而实现探针实现微位移调整。在用计算机程序控制丝杆导轨滑台机构和舵机131执行快速进出动作(b)和快速前进、快速弧形扫描(a)和快速退出的弧形扫描动作。两探针的非采集端连入电路，电路中包括连续可调的电源、检测回路电流的数字电流计和控制探针两端电压的数字电位计，探针伸入存在正离子和大量电子的等离子体时，电路形成完整回路，探针尖端之间的电位差会使探针电路中产生电流，且电流强度由被测区域等离子体的电位以及带电粒子的分布状态直接决定。将电流计和电位计采集的信息通过数据传输并储存至计算机，绘制U-I特性曲线。对曲线进行去噪处理、拟合得到U-I函数曲线。
Figure BDA0003877859170000081
其中，I为流过探针的回路电流；i1+和i2+分别为探针111和探针2的饱和离子电流(两探针相同时i1+＝i2+)；A1和A2分别为探针1和探针112的表面积(两探针相同时A1＝A2)；U为探针间电位差；k为玻尔兹曼常数；Te为电子温度。用双探针测定等离子体的电子温度和密度与其空间电位无关，从而可以避免空间电位变化对测量结果的影响。
①电弧等离子体的电子温度Te
将(1)式进行求对数处理，可以得到电弧等离子体的电子温度Te。为了降低误差干扰，同时采用另一种方法获得Te，以进行比对和校正。根据等离子体物理理论，U-I曲线函数在I＝0处的斜率即为电子温度Te，即根据(2)式获得Te。
Figure BDA0003877859170000091
②电弧等离子体的离子密度Ni
Figure BDA0003877859170000092
电弧等离子体的电子温度可以通过(3)式获得。式中，i0+为饱和离子电流；Ni为离子密度；A0为探针表面积，A0＝(A1+A2)/2；Mi为离子质量，Ti为离子温度。
由(2)、(3)式可得到带电粒子的温度和密度等状态信息。
采用计算机图形处理技术构建等离子体的等电位图，分析计算电离区域电位分布，最终得到等离子体电离区域整体的电位分布以及其分布原理，从而实现对焊接电弧内部放电状态有更深入的研究。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，通过耐高温的金属双探针结构使电弧等离子体内部某一点(微小区域)的带电粒子定向运动并在探测电路中形成回路，并且通过检测电路和运动位移台配合实现电弧等离子体精确定点定位和定面弧形扫描信息采集，从而能够对电弧等离子体内部放电状态的准确检测。
本发明提供的焊接电弧内部放电状态的检测方法，通过控制探针运动实现不同位置和不同平面下弧形区域的等离子体信息检测；测量探针上等离子体的电压和电流数值获得U-I特性曲线，能够获得被测位置等离子体中的电位、带电粒子的温度和密度信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置，其特征在于，包括：
三维定位台，其与待检测的电弧等离子体间隔设置；
运动位移台，其设置在所述三维定位台上，通过所述三维定位台进行定位；
支架，其安装在所述运动位移台上，并且能够在所述运动位移台的驱动下旋转以及靠近或远离所述电弧等离子体；
探针机构，其固定安装在所述支架上，所述探针机构包括平行间隔设置的两个探针；
检测电路，其用于为所述探针提供电压，并且能够实时检测电路中的电流及电压；
其中，所述探针采用耐高温金属材质；所述两个探针的一端分别与所述检测电路连接，另一端分别所述支架的带动下伸入或远离电弧等离子体；在检测时，所述两个探针及所述两个探针之间的电弧等离子体串联，并且与所述检测电路连接形成回路。
所述探针采用钨探针；所述探针包括同轴连接的尖端部和连接部；
其中，所述尖端部靠近所述电弧等离子体设置；所述连接部的一端连接所述检测电路；
所述尖端部在靠近所述连接部的一端的表面上包覆有陶瓷材料，另一端为裸露端；
所述探针机构还包括：
陶瓷套管，其沿所述探针的轴向同时套设在两个所述连接部的外侧；以及
水冷铜模块，其套设在所述陶瓷套管外侧。
所述运动位移台包括：
丝杆导轨；
滑台，其通过螺纹匹配连接在所述丝杆导轨上；
驱动电机，其动力输出轴与所述丝杆导轨连接；
其中，所述驱动电机能够驱动所述丝杆导轨转动，从而使所述滑台沿所述丝杆导轨的轴向移动；
舵机，其固定设置在所述滑台上；
其中，所述支架的一端固定连接在所述舵机的动力输出轴上，另一端固定连接在所述水冷铜模块的外侧；水冷铜模块的外侧形成探针手柄，并且固定在探针高速运动位移台上的支架上，两个探针和随支架同步运动；两个探针的连接部通过铜导线接入检测电路；待两个探针伸入导电的等离子体后形成完整的回路；
通过计算机程序控制探针高速运动位移台实现探针机构快速进出和探针的弧形扫描动作；探针机构执行快速进出动作是由计算机程序控制丝杆导轨滑台机构完成的；驱动电机采用伺服电机，其动力输出轴通过联轴器与丝杆导轨的一端连接；其中，驱动电机驱动所述丝杆导轨转动，从而使滑台沿丝杆导轨的轴向移动。舵机跟随滑台同步移动，计算机程序控制舵机驱动探针机构执行快速弧形扫描的动作；其中，支架的下端固定连接在舵机的动力输出轴上，上端固定连接在所述探针手柄上；丝杆导轨滑台机构和舵机两者结合实现探针机构110快速前进、快速弧形扫描和快速退出的弧形扫描动作；三维位移台对探针高速运动位移台实现在X-Y-Z三个方向的位置移动及定位；三维位移台为手动位移台，通过手动控制三维位移台改变探针高速运动位移台的位置，使探针的位置与待检测的电弧等离子体的位置相对应；三维位移台的精度为0.1mm。
2.根据权利要求1所述的双探针检测装置，其特征在于，所述连接部为直径为0.15mm的钨丝；以及所述裸露端的长度为2mm。
3.一种焊接电弧内部放电状态的检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-2所述的双探针检测装置，包括如下步骤：
步骤一、通过三维定位台调整运动位移台的位置，使探针的位置与待检测的电弧等离子体的位置相对应；
步骤二、通过运动位移台驱动探针移动及旋转，使探针快速进出所述待检测的电弧等离子体及在所述待检测的电弧等离子体内进行弧形扫描；并且记录探针处于电弧等离子体电离区域不同位置时的电位和回路反馈电流，绘制U-I特性曲线；
步骤三、根据所述U-I特性曲线得到U-I函数；
步骤四、根据所述U-I函数得到等离子体的电位、等离子体的电子温度和密度信息。
在所述步骤三中，所述U-I函数为：
Figure FDA0003877859160000031
式中，I为流过探针的回路电流；i1+和i2+分别为两个探针的饱和离子电流；A1和A2分别为两个探针的表面积；e为电子电量；U为探针间电位差；k为玻尔兹曼常数；Te为电子温度。
在所述步骤四中，所述等离子体的电子温度根据如下公式计算：
Figure FDA0003877859160000032
在所述步骤四中，所述电弧等离子体的离子密度Ni为：
Figure FDA0003877859160000033
式中，i0+为饱和离子电流；Ni为离子密度；A0为探针表面积，A0＝(A1+A2)/2；Mi为离子质量，Ti为离子温度。
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