光致等离子体三维温度场的测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种温度测量装置和测量方法，尤其设及一种光致等离子体=维温度 场的测量装置和测量方法，应用于光致等离子体的诊断和过程监测，属于机械工程领域。
【背景技术】
[0002] 光致等离子体是将激光作用于金属工件表面产生的等离子体。光致等离子体对激 光-工件的能量交互过程会产生至关重要的作用，从而影响到激光加工的质量。在高功率 激光焊接过程中，激光产生的高温使金属蒸汽电离形成高温高密度的光致等离子体，光致 等离子体主要从吸收和折射两方面影响激光与材料之间的能量禪合。光致等离子体的空间 温度分布，直接反映出焊接烙池W及深烙焊小孔内部的动态过程信息，是激光焊接过程中 需要重点监测的物理参数，一直是激光焊接领域的研究重点。
[0003] 光致等离子体温度分布探测主要采用光谱仪对等离子体的光谱信号进行采集，光 纤探头对准等离子体出现的大致位置，然后对谱线信息通过分析及计算，获得等离子体温 度。但是该种测量方法只能测量等离子体的单点温度，无法获得光致等离子各项物理参数 的空间分布信息，因此所得的温度值只是对等离子体状态较为粗略的描述。近年来也有一 些文献设及了等离子体二维温度场或=维温度场的测量，最有代表性的是W下两种方法。
[0004][0005][0006] 由此可见，对于激光加工过程中产生的空间形态及结构非对称分布的光致等离子 体，上述方法均无法获得其内部=维温度场的精确数值。
【发明内容】
[0007] 鉴于现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是；提供一种光致等离子 体=维温度场的精确测量装置和测量方法，从而获得非对称分布的光致等离子体内部结构 与物理参数。
[000引为了实现上述目的，本发明公开了一种光致等离子体=维温度场的测量装置，包 括多组摄像头、固定支架、外触发装置W及计算机，摄像头与计算机之间通过图像数据线连 接，摄像头与外触发装置之间通过10信号线相连，计算机与外触发装置之间通过10信号线 相连。其中每组摄像头包含的个数为2,两个摄像头并排排列，镜头光轴平行。镜头前端分 别安装两种不同中屯、波长的滤光片，滤光片中屯、波长与计算温度所选择的2条等离子体谱 线波长对应。
[0009] 本发明还公开了一种光致等离子体S维温度场的测量方法，包括如下步骤：
[0010] 1)摄像头内外参数标定。采用张振友标定算法，对所有摄像头进行逐一标定。具 体做法是将平面标定板放置在摄像头前方视野中的任意n个不同位置（n > 5)，每个位置拍 摄一幅图像，将n幅图像输入张振友标定算法程序，输出为被标定摄像头的内部参数与外 部参数。标定所获得参数将用于等离子体=维重建。
[0011] 2)光致等离子体产生后，启动计算机内部预置的自动拍摄程序，由计算机通过10 线信号控制外部触发装置，决定拍摄时刻，相邻拍摄时刻的间隔可在计算机中设定。外部触 发装置给予摄像头触发拍摄信号，所有摄像头在同一时刻拍摄等离子体特征谱线的投影图 像。特征谱线投影图像有2组，对应2种不同的谱线波长，图像由数据线传输进入计算机。
[0012] 3)采用代数迭代算法，由等离子体特征谱线投影图像重建等离子体特征谱线=维 图像。首先将待重建的等离子体=维图像划分为若干个同样大小的立方体格子，每个格子 内部的参数是均匀的。代数迭代法就是求解W下方程组的过程，
[0013] J = R ? I
[0014] 其中，向量J ;由n幅特征谱线投影图像的灰度值组成；矩阵R ;投影权重因子，通 过摄像头的内部参数与外部参数计算得到，计算方法可在相关文献中查询；向量I ;待求未 知数，代表=维图像的亮度。上述方程组的未知数个数远大于方程个数，因此采用迭代法求 取最优解，计算方法可在相关文献中查询。代数迭代算法要进行2次，每次针对一种特征谱 线投影图像进行重建，最后得到2幅等离子体特征谱线=维图像，=维图像由立方体格子 组成，每个格子内部的亮度是均匀的。
[0015] 4)利用谱线相对强度法，通过局部热力学平衡状态下的温度计算公式，计算=维 重建后等离子体每个立方体格子的温度，从而得到等离子体=维温度场。其中谱线相对强 度法计算所需的两条特征谱线强度，就是2幅等离子体特征谱线=维图像中，对应位置立 方体格子的亮度值。
[0016] 根据W上的技术方案，可W实现W下的有益效果：
[0017] 由于采用摄像头+滤光片的方式获取光致等离子体的全域谱线信号，因此计算等 到的等离子体各点温度是在同一时刻获得的，其计算精度高于移动式光谱仪装置。其次， 由于采用了代数迭代法重建等离子体=维图像，因此不需要光致等离子体满足对称分布条 件，适用范围极广，尤其适用于激光焊接过程中，有侧吹气体条件下形态严重偏离柱对称的 光致等离子体。
[001引此外，本发明结构简单，使用方便，无需对摄像头的空间位置进行细致调节，且标 定过程简单快速，无需移动装置或其它工装夹具。采用本发明，可实时测量光致等离子体的 内部温度，或监控光致等离子体的空间形态及行为变化情况，适用于激光加工过程中光致 等离子体的在线检测、质量控制等领域。
【附图说明】
[0019] 图1是所述光致等离子体=维温度场的测量装置示意图。
[0020] 1-1#摄像头，2-2#摄像头，3-3#摄像头，4-4#摄像头，5-5#摄像头，6-6#摄像头， 7-中屯、波长为586nm的带通滤光片，8-中屯、波长为670nm的带通滤光片，9-计算机，10-外 触发装置，11-连接摄像头和外触发装置的10信号线，12-连接摄像头和计算机的图像数据 线，13-连接计算机和外触发装置的10信号线，14-激光束，15-光致等离子体，16-工件。<