[发明专利]一种基于CCD相机的多角度电弧光强采集方法

说明书

一种基于CCD相机的多角度电弧光采集方法，电弧等离子体作为一种自发光观测对象，本方法在不需要旋转电弧或移动相机的情况下，利用反射镜收集其在180°范围内角度下发出的电弧光，最后窄带滤光片选取所需波段的光进入到相机中，最终不同角度下的电弧窄带图像呈现在相机感光元件上的不同位置上，完成多角度下特定谱线的光强分布采集，其中，中继镜头对电弧进行二次对焦，一定程度上缩短或延长了工业相机的对焦距离，使得相机在相同焦距下对不同光程的光都可以清晰成像，且电弧像的大小相同。本方法极大提高了相机感光元器件的利用率，在具有良好的时间、空间分辨率的基础上，大幅度降低了现有多角度电弧图像采集系统的高昂成本。

技术领域

本发明属于电弧传感测量领域，尤其涉及一种基于CCD相机的多角度电弧光强采集方法，应用反射镜组使相机在一次曝光中采集电弧在多角度发出的带通光谱辐射，提高了工业相机感光元器件的利用率，保证了良好的时间、空间分别率，并大幅度节约测量成本。

背景技术

电弧等离子体具有温度高、能量集中等特点，使得它在工业生产中获得越来越广泛的应用。广泛的应用前景要求我们对这种电弧热源有更深入的了解，无论是电弧的宏观形态特征，还是电弧的微观特性，都蕴含着大量信息，对两者进行研究有助于进一步提高焊接效率和焊缝质量。

由于视觉图像传感器测量时不与焊接回路接触，在信息传感过程中免于受到多种干扰因素的影响，使得电弧视觉传感法在电弧测量领域中占据重要的地位。目前，电弧视觉传感法主要分为全谱线视觉图像技术、窄带视觉图像技术。其中，全谱线视觉图像技术应用CCD或CMOS视觉传感器直接采集电弧图像，依靠电弧图像给研究者带来的直观认识，帮助研究人员分析关于电弧形态、熔滴过渡、电弧极性变化、电弧穿孔过程等宏观形态信息；窄带视觉图像技术应用窄带滤光片使特定波长的电弧光通过，其他波长的光被吸收或反射，最终在视觉传感器中得到特定谱线的光强分布。

在传统的电弧视觉传感法研究中，受到成本因素或空间因素制约，研究人员普遍利用单台CCD或CMOS相机来采集一个方位角的电弧图像，由于电弧并非是轴对称的，电弧内部热和成分分布不均匀，导致测量获取的信息量有限。另外，目前出现的一些新型焊接电弧，如复合焊接电弧、双钨级耦合焊电弧，电离区域、成分分布更加不均匀，一个角度的电弧图像更加不能反应电弧整体特征。窄带视觉图像技术需要还原电弧的发射系数场，相比全谱线视觉图像技术更需要多角度电弧光的采集系统。因此，多角度电弧光采集技术一直以来都是科研人员研究的重点，对于焊接过程中电弧的宏观形态观测，电弧特性的研究都有着重要的意义。

对于动态电弧和非对称电弧，目前有研究者将多台CCD相机以电弧为中心等间隔排布，在焊接过程中CCD相机组随电弧移动，采集不同方位角下的电弧图像。这种方法可以采集大量关于电弧的动态信息，但是没有受到广泛推广是因为多台CCD相机的造价高昂，并且相机排布时占据大量空间位置。还有研究者为了研究非对称的静态电弧，发明了电弧旋转测量装置，通过旋转焊枪来带动电弧旋转，然后应用单台CCD相机在不同方位角下完成电弧图像的采集。这种方法没有保证良好的时间分辨率，由于电弧的不稳定性，导致测量结果具有巨大误差。

本发明对传统的电弧视觉传感法进行改进，无论针对是全谱线视觉图像技术，还是窄带视觉图像技术，都可以在单次曝光中采集多角度电弧光，在具有足够测量精度的情况下，使系统精度达到时间、空间分辨率最大化，成本最优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的多角度电弧光采集方法。传统的电弧视觉传感法中，一台CCD相机同一时刻只能采集一个方位角上的电弧图像，为了采集更多电弧信息，需要应用多台CCD相机在不同角度同时拍摄，复杂的实验系统和高昂的成本导致其无法在研究领域中推广。本发明利用光的反射原理使电弧向不同角度发出的电弧光进行汇聚，并在窄带滤光片的作用下，CCD相机同时进行多角度的窄带图像采集，在保证测量精度和时间、空间分辨率的基础上，大幅降低了系统成本和复杂程度。

一种基于CCD相机的多角度电弧光强采集方法，包括以下步骤：