CN1844891A - 焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置 - Google Patents

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Abstract

焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置，它属于焊接电弧等离子体的光谱诊断领域，它克服了传统的用于焊接电弧诊断的光谱仪扫描速度慢、不能同时获得等离子体光谱强度二维空间分布的缺点。目标焊接电弧(1)所发出的光依次经准直透镜(2)、带通滤光片(3)、多级分光装置(4)、滤光器(5)后获得多束不同波长的单色平行光束，此多束单色平行光束经过成像物镜(6)后在CCD探测器(7)上成像。本发明由于采用光束分离装置和CCD探测器，使得成像速度快，二维投影光谱强度的空间分辨率高，不需要对光谱进行扫描，一次成像即可完成所需光谱信息的采集，因而对随时间变化的焊接电弧的光谱诊断是十分有利的。

Description

焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置
技术领域
本发明属于焊接电弧等离子体的光谱诊断领域，它具体涉及一种焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置。
背景技术
焊接电弧的温度和成分是焊接过程中的两个重要而基本的参数，也是焊接电弧区各种物化反应和冶金反应的基本表征，它直接影响到焊缝成型和焊接质量。定量地分析这些反应参数并用于监控焊接过程，对于控制焊缝成型、提高焊接质量具有重要意义。目前焊接电弧的温度和成分主要用发射光谱法测量，也称之为等离子体的光谱诊断，它是研究等离子体物理性质的一种重要的实验方法和手段。在一定的理论模型下，辐射量与等离子体内部各参量之间存在着相应的定量关系。光谱诊断就是通过光学测试装置对等离子体的辐射量进行测量，从而获得关于等离子体中各种粒子的温度、密度等物理参量，进而分析和评定等离子体的物理状态。用于等离子体光谱诊断的装置主要是计算机控制的光电直读式光谱仪，它使用光栅作为分光系统，通过光栅的转动实现波长的扫描，同时采用CCD作为探测器，其特点是可对很大波长范围内的光谱进行扫描，仪器光谱分辨率较高；但是这种设备扫描速度慢、灵活性差，不能同时获得等离子体光谱强度的二维空间分布，而且价格昂贵，因而其使用范围受到了极大地限制，也不利于其应用的普及。
发明内容
为了克服传统的用于焊接电弧诊断的光谱仪扫描速度慢、不能同时获得等离子体光谱强度二维空间分布的缺点，本发明提供了一种焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置，它可以用于随时间变化的焊接电弧等离子体的光谱诊断。
本发明的成像装置包括准直透镜、成像物镜和CCD探测器；所述成像装置还包括带通滤光片、多级分光装置和滤光器，所述多级分光装置由多个分光片和多个反射镜构成，一个分光片和一个反射镜构成一级分光装置，分光片将入射光分为两束相互垂直的光束，反射镜改变上述与入射光相垂直的光束使得上述两束光束相互平行且同向；所述滤光器是由多个不同中心波长的干涉滤光片不相互重叠的固定放置在同一个平面上而构成的；目标焊接电弧发出的光经准直透镜后变为平行光并且所述平行光输入到带通滤光片的光输入端，从带通滤光片的光输出端输出的出射光为选取波段范围内的光束，此出射光经过多级分光装置后被分为多束同向平行光，并且此多束同向平行光分别输入到所述滤光器的多个干涉滤光片的光输入端，在所述滤光器的光输出端获得多束单色平行光束，此多束单色平行光束经过成像物镜后在CCD探测器上成像。所述多级分光装置的每一级分光装置中的分光片和反射镜相互平行放置，并且多个分光片和多个反射镜的入射光均以45度角入射。所述滤光器和成像物镜的入射光均是垂直入射的。所述滤光器的干涉滤光片的中心波长由所需要分析的离子谱线来决定。本发明采用全光路传输，从滤光器输出的多束单色平行光束最终在CCD探测器上的不同区域内成像，然后通过对图像进行分离，使得各图像的每个象素相对应，即为对同一物在不同的光谱波段上的成像，这为获得等离子体内部相应粒子的温度、密度等物理参量提供了有效的光谱图像数据。
本发明具有以下优点：
1、本发明利用多个分光片和多个反射镜来实现光束分离，使得使用人员可以根据实际情况随意调节确定多级分光装置的级数用以得到所需的平行光路数目，所以其灵活性强，操作方便。
2、本发明利用干涉滤光片作为光谱分离器件，使得整个装置中没有运动部件，不需要相应的驱动器和控制器，各个器件可以紧密地封装在一起，致使本发明装置结构简单、体积小，而且干涉滤光片价格低廉，所以本发明特别适合于制成专用、便携式仪器，减少了成本。
3、本发明由于采用了同一个CCD作为探测装置，所以不需要用于控制各光路同时成像的控制电路，对应于成像目标上同一点的各图像中的相应象素的确定也变得相对容易了。
4、本发明由于采用光束分离装置和CCD探测器，使得成像速度快，二维投影光谱强度的空间分辨率高，不需要对光谱进行扫描，一次成像即可完成所需光谱信息的采集，因而对随时间变化的焊接电弧的光谱诊断是十分有利的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图中1为目标焊接电弧，2为准直透镜，3为带通滤光片，4为多级分光装置，5为滤光器，6为成像物镜，7为CCD探测器；图2是本发明的滤光器5的结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，本具体实施方式用于给测量氩气保护焊接电弧中激发态的氩原子的温度和密度提供成像数据，提取ArI 696.5nm和ArI 826.5nm两条离散谱线及它们附近的连续谱线的光谱图像。本具体实施方式的成像装置由准直透镜2、成像物镜6、CCD探测器7、带通滤光片3、多级分光装置4和滤光器5组成；所述带通滤光片3的波长响应范围选择为650～880nm，用于消除杂散光的影响；所述多级分光装置4由两个分光片和两个反射镜构成，第一个分光片4-2和第一个反射镜4-1构成第一级分光装置，第二个分光片4-4和第二个反射镜4-3构成第二级分光装置，分光片将入射光分为两束相互垂直的光束，反射镜改变上述与入射光相垂直的光束使得上述两束光束相互平行且同向，第一分光片4-2、第一反射镜4-1相互平行放置，第二分光片4-4、第二反射镜4-3相互平行放置，第一级分光装置与第二级分光装置在与入射光垂直的平面上为90度角分开分布，且它们的入射光都以45度角入射，入射光经多级分光装置4后可获得四束同向平行光；所述滤光器5是由中心波长为696.5nm的第一干涉滤光片5-1、中心波长为700nm的第二干涉滤光片5-2、中心波长为826.5nm的第三干涉滤光片5-3、中心波长为830nm的第四干涉滤光片5-4不相互重叠的固定放置在同一个平面上而构成的，这四个干涉滤光片的半高全宽度(FWHM)小于1.5nm；目标焊接电弧1发出的光经准直透镜2后变为平行光并且所述平行光输入到带通滤光片3的光输入端，从带通滤光片3的光输出端输出的出射光为选取波段范围内的光束，此出射光经过多级分光装置4后被分为四束同向平行光，并且此四束同向平行光分别输入到所述滤光器5的四个干涉滤光片的光输入端，在所述滤光器5的光输出端获得四束单色平行光束，此四束单色平行光束经过成像物镜6后在CCD探测器7的四个不同区域上形成四个像，即图1中的8-1、8-2、8-3和8-4。所述滤光器5和成像物镜6的入射光均是垂直入射的。
在所述多级分光装置4中，从带通滤光片3的光输出端输出的出射光先通过第一个分光片4-2获得两束光，上述两束光中与从带通滤光片3的光输出端输出的出射光垂直的一束光经过第一个反射镜4-1后变为与另一束光同向且并行，此两束光分别再经过第二个分光片4-4和第二个反射镜4-3后获得四束同向平行光。根据此原理在增加分光片和反射镜的数目后，可以获得多束同向平行光。
在测量焊接电弧等离子体的温度分布和各种粒子(如Fe+)的密度分布时，可以选取一条相应的粒子对应的谱线(如一条Fe II谱线)和其它需要的谱线来提取信息，根据所要提取的谱线波长来确定干涉滤光片的中心波长，所要提取的谱线数、多级分光装置4所形成的同向平行光束的数目与滤光器5中含有的干涉滤光片的个数相同。

Claims (2)

1、焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置，所述成像装置包括准直透镜(2)、成像物镜(6)和CCD探测器(7)；其特征在于所述成像装置还包括带通滤光片(3)、多级分光装置(4)和滤光器(5)，所述多级分光装置(4)由多个分光片和多个反射镜构成，一个分光片和一个反射镜构成一级分光装置，分光片将入射光分为两束相互垂直的光束，反射镜改变上述与入射光相垂直的光束使得上述两束光束相互平行且同向；所述滤光器(5)是由多个不同中心波长的干涉滤光片不相互重叠的固定放置在同一个平面上而构成的；目标焊接电弧(1)发出的光经准直透镜(2)后变为平行光并且所述平行光输入到带通滤光片(3)的光输入端，从带通滤光片(3)的光输出端输出的出射光为选取波段范围内的光束，此出射光经过多级分光装置(4)后被分为多束同向平行光，并且此多束同向平行光分别输入到所述滤光器(5)的多个干涉滤光片的光输入端，在所述滤光器(5)的光输出端获得多束单色平行光束，此多束单色平行光束经过成像物镜(6)后在CCD探测器(7)上成像。
2、根据权利要求1所述的焊接电弧温度与成分分布测量用成像装置，其特征在于所述多级分光装置(4)的每一级分光装置中的分光片和反射镜相互平行放置，并且多个分光片和多个反射镜的入射光均以45度角入射。
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