[发明专利]一种平面电弧成像与光谱同步采集装置

说明书

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。