[发明专利]一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法

说明书

本发明公开了一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，包括光学平台、光学反射镜组，光学成像系统，图像传感器和光挡；其中，光学平台设置于焊接电极下方，用于承载光学反射镜组和光学成像系统；光学反射镜组以焊接电极中心为轴分布；光学成像系统设置为将光学反射镜组反射的不同截面的等离子体在同一平面所成的像通过光学成像系统缩放到图像传感器；光挡位于光学反射镜组内。本发明的一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，通过一种经济并且可靠的方法，同时获得同一时刻不同方向截面电弧等离子体的辐射分布信息，从而研究不对称电弧等离子体三维分布的物理特性。

技术领域

本发明涉及电子测量与控制领域，尤其涉及一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法。

背景技术

焊接过程中电弧等离子体中包含着丰富的信息，因此被广泛应用于对等离子体物理以及实时监控的研究中。目前，大多数对等离子场进行的研究是基于对电弧等离子体单一方向上的平面分布信息，并通过假设电弧中心对称获得电弧三维分布信息。在激光-电弧复合焊接以及双丝焊接过程中，电弧的形态并非中心对称的，难以通过获取电弧的平面分布得到三维分布特征。因此，获得同时刻不同方向上的电弧的平面分布信息，才能得到电弧的三维动态分布信息，对于电弧等离子体的研究具有十分重要的意义。

在焊接等离子体过程中，大多数的实验平台都是将电弧等离子看作是一个中心对称的辐射体，通过阿贝尔变换的数学方法通过单一方向上电弧等离子体的平面分布变换得到电弧等离子体辐射的三维分布，从而进一步获得电弧等离子体场的三维信息(电子温度、密度、离子浓度等)。这种基于中心对称假设的数学变换方法并不能真实地反映等离子体物理特征的三维分布，难以对等离子体场的三维分布进行客观的研究。并且，在一些新的焊接方法中，比如双丝焊接、三丝焊接、激光-电弧复合焊接等焊接过程，其等离子体并不满足中心对称的假设，因此需要对不同方向截面的等离子形态进行采集和分析，进而研究其等离子体场的三维分布。

为了获得等离子体场的三维分布，最关键的是需要采集各个截面，沿各个方向角的辐射数据。万雄根据在以前的文献提出的等离子三维诊断数据采集系统结构上进行改进，通过将三维火焰等离子体场放置于旋转平台中央位置，并通过步进电机装置驱动光纤传感头对旋转到不同方向截面的火焰等离子进行扫描和采集。基于这种方法，万雄成功地获得了不对称的四峰火焰等离子体场的三维温度分布。但是，旋转平台容易对平台上的等离子体容易造成扰动，并且对等离子体发射装置具有一定要求。因此，这种方式仅适合对装置简单的火焰等离子场的三维扫描，对于焊接过程的等离子体场，难以通过旋转等离子体的方式进行不同方向上的采集和扫描。

为了研究非对称电弧等离子体的三维分布，大阪大学建立了一套围绕电弧中心的旋转实验平台，并通过搭载一台图像传感器围绕电弧等离子体中心旋转，获取不同方向截面的等离子体分布信息。通过这种方法，大阪大学对不对称的双丝焊接过程产生的电弧的三维辐射和温度场分布进行了分析和研究。但是，这种方法对旋转实验平台和图像传感器的体积和性能具有一定的限制和要求，并且通过这种方法无法获得同一时刻不同截面的电弧等离子分布信息。

在接下来的研究中，大阪大学提出通过同时使用6台图像传感器围绕电弧中心相距60°排列，从而同时获得不同方向上各个截面同时刻的不对称电弧等离子体分布信息。这种方法要求6台图像传感器具有完全相同的传感特性，设备投入比较大。并且需要额外的触发装置对多台图像传感器进行同步的触发以获取同时刻的等离子信息。

大连理工的通过使用3台图像传感器以电弧中心为中心轴每间隔120°放置一台图像传感器，围绕电弧中心旋转图像传感器工作台采集多个方向上的电弧等离子信息。这种折中的方法也未能有效地解决获得同时刻不同方向上电弧等离子分布的问题，并且装置过于复杂。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种不对称动态电弧三维实时成像采集装置及方法，通过一种经济并且可靠的方法，同时获得同一时刻不同方向截面电弧等离子体的辐射分布信息，从而研究不对称电弧等离子体三维分布的物理特性。

发明内容