[发明专利]一种基于双谱线特征的标准温度法

说明书

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。

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％。