專利名稱：焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接電弧等離子體的光譜診斷領(lǐng)域，它具體涉及一種焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置。
背景技術(shù)：
焊接電弧的溫度和成分是焊接過程中的兩個(gè)重要而基本的參數(shù)，也是焊接電弧區(qū)各種物化反應(yīng)和冶金反應(yīng)的基本表征，它直接影響到焊縫成型和焊接質(zhì)量。定量地分析這些反應(yīng)參數(shù)并用于監(jiān)控焊接過程，對于控制焊縫成型、提高焊接質(zhì)量具有重要意義。目前焊接電弧的溫度和成分主要用發(fā)射光譜法測量，也稱之為等離子體的光譜診斷，它是研究等離子體物理性質(zhì)的一種重要的實(shí)驗(yàn)方法和手段。在一定的理論模型下，輻射量與等離子體內(nèi)部各參量之間存在著相應(yīng)的定量關(guān)系。光譜診斷就是通過光學(xué)測試裝置對等離子體的輻射量進(jìn)行測量，從而獲得關(guān)于等離子體中各種粒子的溫度、密度等物理參量，進(jìn)而分析和評定等離子體的物理狀態(tài)。用于等離子體光譜診斷的裝置主要是計(jì)算機(jī)控制的光電直讀式光譜儀，它使用光柵作為分光系統(tǒng)，通過光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波長的掃描，同時(shí)采用CCD作為探測器，其特點(diǎn)是可對很大波長范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行掃描，儀器光譜分辨率較高；但是這種設(shè)備掃描速度慢、靈活性差，不能同時(shí)獲得等離子體光譜強(qiáng)度的二維空間分布，而且價(jià)格昂貴，因而其使用范圍受到了極大地限制，也不利于其應(yīng)用的普及。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)的用于焊接電弧診斷的光譜儀掃描速度慢、不能同時(shí)獲得等離子體光譜強(qiáng)度二維空間分布的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置，它可以用于隨時(shí)間變化的焊接電弧等離子體的光譜診斷。
本發(fā)明的成像裝置包括準(zhǔn)直透鏡、成像物鏡和CCD探測器；所述成像裝置還包括帶通濾光片、多級分光裝置和濾光器，所述多級分光裝置由多個(gè)分光片和多個(gè)反射鏡構(gòu)成，一個(gè)分光片和一個(gè)反射鏡構(gòu)成一級分光裝置，分光片將入射光分為兩束相互垂直的光束，反射鏡改變上述與入射光相垂直的光束使得上述兩束光束相互平行且同向；所述濾光器是由多個(gè)不同中心波長的干涉濾光片不相互重疊的固定放置在同一個(gè)平面上而構(gòu)成的；目標(biāo)焊接電弧發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄獠⑶宜銎叫泄廨斎氲綆V光片的光輸入端，從帶通濾光片的光輸出端輸出的出射光為選取波段范圍內(nèi)的光束，此出射光經(jīng)過多級分光裝置后被分為多束同向平行光，并且此多束同向平行光分別輸入到所述濾光器的多個(gè)干涉濾光片的光輸入端，在所述濾光器的光輸出端獲得多束單色平行光束，此多束單色平行光束經(jīng)過成像物鏡后在CCD探測器上成像。所述多級分光裝置的每一級分光裝置中的分光片和反射鏡相互平行放置，并且多個(gè)分光片和多個(gè)反射鏡的入射光均以45度角入射。所述濾光器和成像物鏡的入射光均是垂直入射的。所述濾光器的干涉濾光片的中心波長由所需要分析的離子譜線來決定。本發(fā)明采用全光路傳輸，從濾光器輸出的多束單色平行光束最終在CCD探測器上的不同區(qū)域內(nèi)成像，然后通過對圖像進(jìn)行分離，使得各圖像的每個(gè)象素相對應(yīng)，即為對同一物在不同的光譜波段上的成像，這為獲得等離子體內(nèi)部相應(yīng)粒子的溫度、密度等物理參量提供了有效的光譜圖像數(shù)據(jù)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明利用多個(gè)分光片和多個(gè)反射鏡來實(shí)現(xiàn)光束分離，使得使用人員可以根據(jù)實(shí)際情況隨意調(diào)節(jié)確定多級分光裝置的級數(shù)用以得到所需的平行光路數(shù)目，所以其靈活性強(qiáng)，操作方便。
2、本發(fā)明利用干涉濾光片作為光譜分離器件，使得整個(gè)裝置中沒有運(yùn)動(dòng)部件，不需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和控制器，各個(gè)器件可以緊密地封裝在一起，致使本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，而且干涉濾光片價(jià)格低廉，所以本發(fā)明特別適合于制成專用、便攜式儀器，減少了成本。
3、本發(fā)明由于采用了同一個(gè)CCD作為探測裝置，所以不需要用于控制各光路同時(shí)成像的控制電路，對應(yīng)于成像目標(biāo)上同一點(diǎn)的各圖像中的相應(yīng)象素的確定也變得相對容易了。
4、本發(fā)明由于采用光束分離裝置和CCD探測器，使得成像速度快，二維投影光譜強(qiáng)度的空間分辨率高，不需要對光譜進(jìn)行掃描，一次成像即可完成所需光譜信息的采集，因而對隨時(shí)間變化的焊接電弧的光譜診斷是十分有利的。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為目標(biāo)焊接電弧，2為準(zhǔn)直透鏡，3為帶通濾光片，4為多級分光裝置，5為濾光器，6為成像物鏡，7為CCD探測器；圖2是本發(fā)明的濾光器5的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1和圖2，本具體實(shí)施方式
用于給測量氬氣保護(hù)焊接電弧中激發(fā)態(tài)的氬原子的溫度和密度提供成像數(shù)據(jù)，提取ArI 696.5nm和ArI 826.5nm兩條離散譜線及它們附近的連續(xù)譜線的光譜圖像。本具體實(shí)施方式
的成像裝置由準(zhǔn)直透鏡2、成像物鏡6、CCD探測器7、帶通濾光片3、多級分光裝置4和濾光器5組成；所述帶通濾光片3的波長響應(yīng)范圍選擇為650～880nm，用于消除雜散光的影響；所述多級分光裝置4由兩個(gè)分光片和兩個(gè)反射鏡構(gòu)成，第一個(gè)分光片4-2和第一個(gè)反射鏡4-1構(gòu)成第一級分光裝置，第二個(gè)分光片4-4和第二個(gè)反射鏡4-3構(gòu)成第二級分光裝置，分光片將入射光分為兩束相互垂直的光束，反射鏡改變上述與入射光相垂直的光束使得上述兩束光束相互平行且同向，第一分光片4-2、第一反射鏡4-1相互平行放置，第二分光片4-4、第二反射鏡4-3相互平行放置，第一級分光裝置與第二級分光裝置在與入射光垂直的平面上為90度角分開分布，且它們的入射光都以45度角入射，入射光經(jīng)多級分光裝置4后可獲得四束同向平行光；所述濾光器5是由中心波長為696.5nm的第一干涉濾光片5-1、中心波長為700nm的第二干涉濾光片5-2、中心波長為826.5nm的第三干涉濾光片5-3、中心波長為830nm的第四干涉濾光片5-4不相互重疊的固定放置在同一個(gè)平面上而構(gòu)成的，這四個(gè)干涉濾光片的半高全寬度(FWHM)小于1.5nm；目標(biāo)焊接電弧1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2后變?yōu)槠叫泄獠⑶宜銎叫泄廨斎氲綆V光片3的光輸入端，從帶通濾光片3的光輸出端輸出的出射光為選取波段范圍內(nèi)的光束，此出射光經(jīng)過多級分光裝置4后被分為四束同向平行光，并且此四束同向平行光分別輸入到所述濾光器5的四個(gè)干涉濾光片的光輸入端，在所述濾光器5的光輸出端獲得四束單色平行光束，此四束單色平行光束經(jīng)過成像物鏡6后在CCD探測器7的四個(gè)不同區(qū)域上形成四個(gè)像，即圖1中的8-1、8-2、8-3和8-4。所述濾光器5和成像物鏡6的入射光均是垂直入射的。
在所述多級分光裝置4中，從帶通濾光片3的光輸出端輸出的出射光先通過第一個(gè)分光片4-2獲得兩束光，上述兩束光中與從帶通濾光片3的光輸出端輸出的出射光垂直的一束光經(jīng)過第一個(gè)反射鏡4-1后變?yōu)榕c另一束光同向且并行，此兩束光分別再經(jīng)過第二個(gè)分光片4-4和第二個(gè)反射鏡4-3后獲得四束同向平行光。根據(jù)此原理在增加分光片和反射鏡的數(shù)目后，可以獲得多束同向平行光。
在測量焊接電弧等離子體的溫度分布和各種粒子(如Fe+)的密度分布時(shí)，可以選取一條相應(yīng)的粒子對應(yīng)的譜線(如一條Fe II譜線)和其它需要的譜線來提取信息，根據(jù)所要提取的譜線波長來確定干涉濾光片的中心波長，所要提取的譜線數(shù)、多級分光裝置4所形成的同向平行光束的數(shù)目與濾光器5中含有的干涉濾光片的個(gè)數(shù)相同。
權(quán)利要求
1.焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置，所述成像裝置包括準(zhǔn)直透鏡(2)、成像物鏡(6)和CCD探測器(7)；其特征在于所述成像裝置還包括帶通濾光片(3)、多級分光裝置(4)和濾光器(5)，所述多級分光裝置(4)由多個(gè)分光片和多個(gè)反射鏡構(gòu)成，一個(gè)分光片和一個(gè)反射鏡構(gòu)成一級分光裝置，分光片將入射光分為兩束相互垂直的光束，反射鏡改變上述與入射光相垂直的光束使得上述兩束光束相互平行且同向；所述濾光器(5)是由多個(gè)不同中心波長的干涉濾光片不相互重疊的固定放置在同一個(gè)平面上而構(gòu)成的；目標(biāo)焊接電弧(1)發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)后變?yōu)槠叫泄獠⑶宜銎叫泄廨斎氲綆V光片(3)的光輸入端，從帶通濾光片(3)的光輸出端輸出的出射光為選取波段范圍內(nèi)的光束，此出射光經(jīng)過多級分光裝置(4)后被分為多束同向平行光，并且此多束同向平行光分別輸入到所述濾光器(5)的多個(gè)干涉濾光片的光輸入端，在所述濾光器(5)的光輸出端獲得多束單色平行光束，此多束單色平行光束經(jīng)過成像物鏡(6)后在CCD探測器(7)上成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置，其特征在于所述多級分光裝置(4)的每一級分光裝置中的分光片和反射鏡相互平行放置，并且多個(gè)分光片和多個(gè)反射鏡的入射光均以45度角入射。
全文摘要
焊接電弧溫度與成分分布測量用成像裝置，它屬于焊接電弧等離子體的光譜診斷領(lǐng)域，它克服了傳統(tǒng)的用于焊接電弧診斷的光譜儀掃描速度慢、不能同時(shí)獲得等離子體光譜強(qiáng)度二維空間分布的缺點(diǎn)。目標(biāo)焊接電弧(1)所發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)、帶通濾光片(3)、多級分光裝置(4)、濾光器(5)后獲得多束不同波長的單色平行光束，此多束單色平行光束經(jīng)過成像物鏡(6)后在CCD探測器(7)上成像。本發(fā)明由于采用光束分離裝置和CCD探測器，使得成像速度快，二維投影光譜強(qiáng)度的空間分辨率高，不需要對光譜進(jìn)行掃描，一次成像即可完成所需光譜信息的采集，因而對隨時(shí)間變化的焊接電弧的光譜診斷是十分有利的。
文檔編號(hào)G01K11/00GK1844891SQ20061001000
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者高洪明, 馬稅良, 吳林, 張廣軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)