专利名称：一种微束等离子弧三维动态光谱检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱检测技术领域，具体指一种微束等离子弧三维动态光谱检测系统。
背景技术：
微束等离子弧主要是氦气或氩气等气体电离后经过机械、热和电磁三种压縮后形 成的。微束等离子弧焊是一种小电流的等离子弧焊，它的电弧加热工件具有电弧温度高，能 量密度集中，弧柱挺直度好，电弧稳定性好等特点。 焊接电弧中含有丰富的光谱信息，它是认识焊接物理过程的丰富源泉，是控制焊 接物理过程，实现焊接自动化的先行要素，是继电弧电信号后的新兴信号源。对焊接电弧测 试与对一般环境的测试有很大不同，首先，电弧温度高，很难进行直接测量， 一般只能进行 间接测量。其次，电源波动、气流变化等因素对电弧的扰动，使电弧中各种被测量存在时变 性，这种时变速度往往很大，具有随机性。第三，电弧空间小但温度梯度大，各种粒子成分在 空间分布很不均匀。第四，电弧所处的温度范围一般为5000 30000K，是一种部分电离的 低温等离子体，它的粒子中不仅有电子、离子，还有原子和分子，而且常常是多种元素的离 子、原子和分子同时存在，粒子成分很复杂，被认为是最难测的温度段。所有这些给焊接电 弧测试带来很大的不便，而光谱法对克服这些困难具有很大的优越性。 利用光谱信息检测焊接电弧的技术基础是借助光谱仪将电弧光辐射分解为光谱， 选择出特征谱线，再依靠光谱强度与电弧等离子体内部的温度、粒子浓度和成分等因素的 关系来反映和测定电弧内部的物理状态和过程，然后将所测的结果作为控制信号实时反馈 到控制系统，对电弧过程进行控制。 然而，目前对电弧的光谱检测仅仅限于对电弧的外围光谱信号，而其检测系统无 法对电弧内部的光谱信号进行辨别和检测。因此，所测的光谱信号与实际的电弧的光谱信 号有严重的偏差，也就不能够为进一步的电弧过程控制和研究提供可靠的数据。
经对现有技术的文献检索发现，李俊岳在《中国工程科学》2001年6月第3巻第6 期发表了题为"焊接电弧光谱信息测控技术及其应用"的论文。文中提及的当前电弧光谱 检测装置原理(如附图l所示)，电弧的光通过光阑后，经转镜反射至凸透镜变为平行光，通 过光纤传导后，到达光谱仪。到达光谱仪的光经分光后，到达光电感应器变为电信号，最后 传入电脑。可以看出，此装置只能检测到电弧内部各点叠加到电弧外围的总的光谱信号，而 无法对电弧内部点的光谱信号进行识别和采集。
发明内容
本发明的内容在于克服现有技术的不足和缺失，提供一种微束等离子弧三维动态 光谱检测系统，通过共聚焦技术，使其能够对微束等离子弧三维空间的光谱信号进行识别 和采集，实现在高强度等离子体的情况下，更加准确地对微束等离子弧的三维光谱特性进 行捕捉。
本发明技术方案包括三维精密微动平台、光谱采集软件、步进电机控制器、电脑、支架、调节机构、外罩、物镜、带针孔的石英片、光纤、光谱仪和数据线。其中，三维精密微动平台由可实现空间X、Y和Z三维方向步进运动的步进电机、螺杆机械机构和底座组成；光谱采集软件、控制箱和电脑组成光谱采集控制系统；支架、调节机构和外罩组成光路系统固定装置；两物镜、带针孔的石英片组成检测镜头，且检测镜头安装在三维精密微动平台上。检测镜头最前面是两物镜，两物镜一前一后，镜头反向地安装在支架上。两物镜后安装一带针孔的石英片，其后，安装光纤。要保证带针孔的石英片、光纤的中心和物镜的中心在同一直线上，以确保有最大光通量通过光路系统，以减小测量的误差。由检测镜头的特殊结构是共聚焦技术的核心，也是本发明的核心。检测镜头、光纤和光谱仪组成微束等离子弧三维动态光谱检测系统的光路系统。光纤的一端连接检测镜头，另一端连接光谱仪。光谱仪通过数据线经USB接口与电脑连接，以实现光电信号的传递和对光谱仪供电。三维精密微动平台上X、 Y和Z三个方向步进运动的步进电机，也分别和步进电机控制器上的X、 Y和Z三个接口经数据线连接，以实现对电机的步进控制。光谱采集控制系统中的步进电机控制器通过数据线经USB接口与PC进行连接。光谱采集软件适用的操作系统版本可为Windows XP或Windows2000。 所述的三维精密微动平台，其底座固定，其上安装有检测镜头，且可实现空间X、 Y和Z三个方向的步进运动，以实现检测镜头对微束等离子弧的三维扫描。
所述的光谱采集软件，主要具有光谱数据处理、采集和控制，打印处理等功能。其具体提供单次采谱，连续采谱，定时自动采谱和触发自动采谱功能。能够由用户设定当光谱信号高于一个阈值后，自动采谱记录。提供接口函数和示例程序，方便用户二次开发。
本发明通过在检测镜头的最前端反向安装两物镜，其后再安装针孔石英片的独特结构组成一个共聚焦光学系统，再配合三维精密微动平台和光谱采集控制系统组成一个三维动态光谱检测系统。此系统可对微束等离子弧的三维光谱进行检测，即可识别和采集电弧外围和内部点的光谱信息，其识别精度为lOym。 本发明通过在检测镜头的最前端反向安装两物镜，其后再安装针孔石英片的独特结构组成的共聚焦光学系统中，两物镜的距离，最前端物镜至电弧的距离和针孔至第二个物镜的距离都可根据实际需要，通过匹配不同规格的物镜进行适当的调整。且其对电弧光谱的识别精度也可通过匹配不同孔径的针孔及不同规格的物镜进行调整。
图1为现有技术进行光谱采集的结构原理 图2为本发明实施例的示意图之一 ；
图3为本发明实施例的示意图之二。
图中标号说明 1.光纤；2.带针孔石英片；3.物镜一 ；4.物镜二 ；5.电弧；6.电弧；7.检测镜头;8.光谱仪；9.数据线；10.光路系统固定装置；11.三维精密微动平台；12.光谱采集软件；13.电脑；14.步进电机控制器。 A.光纤直径；B.物镜一至针孔的距离；C.物镜一的数值孔径；D.物镜一与物镜二的距离；E.物镜二的数值孔径；F.物镜二至电弧的距离。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述 本发明一种微束等离子弧三维动态光谱检测系统(如附图l和附图3所示)，其包 括三维精密微动平台11、光路系统及光路系统固定装置10，光谱采集控制系统和数据线9。
所述的三维精密微动平台11由可实现空间X、 Y和Z三维方向步进运动的步进电 机、螺杆机械机构和底座组成。 所述的光路系统包括检测镜头7、光纤1和光谱仪8 ;光纤1两端分别与检测镜头 7和光谱仪8连接。 所述的检测镜头7安装在三维精密微动平台11上；检测镜头7由物镜一 3、物镜 二4和带针孔的石英片2组成； 所述的物镜一 3和物镜二 4， 一前一后，镜头反向安装在光路系统固定装置10的支
架上，在物镜一 3和物镜二 4后，依次安装一带针孔的石英片2和光纤1 ，且使带针孔的石英
片2、光纤1的中心与物镜一 3和物镜二 4的中心在同一直线上。 所述的光路系统固定装置10由调节结构、保护罩和支架组成。 本发明所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其中所述的光谱采集控制系
统由光谱采集软件12、步进电机控制器14和电脑13组成；光谱采集控制系统的步进电机
控制器14通过数据线9经USB接口与电脑13连接。 所述的光谱仪8通过数据线9经USB接口与电脑13连接，以实现光电信号的传递 和对光谱仪8供电；三维精密微动平台11上X、Y和Z三维方向步进运动的步进电机经数据 线9分别与步进电机控制器14上的X、 Y和Z三个接口连接，以实现对电机的步进控制；步 进电机控制器14通过数据线9经USB接口与电脑13连接。 本发明所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其中，进行光谱检测时，物镜 二 4至微束等离子弧6的最远距离不能超过其一倍焦距，且检测镜头7在微束等离子弧6 外围作X、 Y和Z三维的步进移动。 本发明实施例的结构(如附图3所示)，其安装和连接各设备如下
首先，将三维精密微动平台固定到适当的位置，之后将检测镜头7安装到三维精 密微动平台11上，接着打开检测镜头的外罩，通过逆向光源调整和确保光纤l，带针孔石英 片2，物镜一 3，物镜二 4的中心基本在同一轴线上。然后，通过光纤1将检测镜头和光谱仪 8连通。之后，通过数据线9接通光谱仪8和电脑13，步进电机控制器14和电脑13及步进 电机控制器和三维精密微动平台11。 打开电脑，启动步进电机控制器14，之后打开光谱采集软件12，通过光谱采集软 件界面，检测光谱仪8及步进电机控制器14和电脑13的连接情况以及三维精密微动平台 11上的步进电机的工作状况。如光谱采集软件没有检测到以上设备，或者步进电机无法工 作则需检查连接情况，确保设备的连通。 然后，通过光谱采集软件12界面设置采集参数，包括X、 Y和Z三个方向的采集起 点和终点位置，采集步长，采集方式(单次采谱，连续采谱)等。 最后，打开微束等离子弧焊机，待电弧稳定后，点击光谱采集软件12上的开始按 钮，进行电弧的光谱采集。微束等离子弧三维动态光谱检测系统搭建完成。
5
本发明可对微束等离子弧的三维光谱进行检测，即此系统可识别和采集电弧内部 点的光谱信息，其识别精度为10 P m。有效地克服了以往的电弧光谱检测系统只能检测到电 弧内部各点叠加到电弧外围的总的光谱信号，而无法对电弧内部点的光谱信号进行识别和 采集的缺点，实现了在高强度等离子体的情况下，更加准确地对微束等离子弧的三维光谱 特性进行捕捉的功能，为进一步研究微束等离子弧的电弧特征提供了条件。
权利要求
一种微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，包括三维精密微动平台(11)、光路系统、光路系统固定装置(10)、光谱采集控制系统和数据线(9)。
2. 如权利要求1所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，所述的三维精密微动平台(11)由可实现空间X、Y和Z三维方向步进运动的步进电机、螺杆机械机构和底座组成。
3. 如权利要求1所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，所述的光路系统包括检测镜头(7)、光纤(1)和光谱仪(8);光纤(1)两端分别与检测镜头(7)和光谱仪(8)连接。
4. 如权利要求3所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，所述的检测镜头(7)安装在三维精密微动平台(11)上；检测镜头(7)由物镜一 (3)、物镜二 (4)和带针孔的石英片(2)组成；物镜一 (3)和物镜二 (4)，一前一后，镜头反向安装在光路系统固定装置(10)的支架上；在物镜一 (3)和物镜二 (4)后，依次安装一带针孔的石英片(2)和光纤(l)，且使带针孔的石英片(2)、光纤(1)的中心与物镜一 (3)和物镜二 (4)的中心在同一直线上；所述的光路系统固定装置(10)由调节结构、保护罩和支架组成。
5. 如权利要求1所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，所述的光谱采集控制系统由光谱采集软件(12)、步进电机控制器(14)和电脑(13)组成；光谱采集控制系统的步进电机控制器(14)通过数据线(9)经USB接口与电脑(13)连接。
6. 如权利要求1和5所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，所述的光谱仪(8)的光电信号传递和供电，通过数据线(9)经USB接口与电脑(13)连接；三维精密微动平台(11)上X、 Y和Z三维方向步进运动的步进电机数据线(9)分别与步进电机控制器(14)上的X、Y和Z三个接口连接；步进电机控制器(14)通过数据线(9)经USB接口与电脑(13)连接。
7. 如权利要求1所述的微束等离子弧三维动态光谱检测系统，其特征在于，进行光谱检测时，物镜二 (4)至微束等离子弧(6)的最远距离小于或等于一倍焦距，且检测镜头(7)在微束等离子弧(6)外围作X、Y和Z三维的步进移动。
全文摘要
本发明一种微束等离子弧三维动态光谱检测系统，涉及光谱检测技术领域，包括三维精密微动平台(11)、光路系统、光路系统固定装置(10)、光谱采集控制系统和数据线(9)。三维精密微动平台(11)由可实现空间X、Y和Z三维方向步进运动的步进电机、螺杆机械机构和底座组成；光路系统包括检测镜头(7)、光纤(1)和光谱仪(8)，光纤(1)两端分别与检测镜头(7)和光谱仪(8)连接；光谱采集控制系统由光谱采集软件(12)、步进电机控制器(14)和电脑(13)组成；步进电机控制器(14)和光谱仪(8)通过数据线(9)和电脑(13)连接。本发明可识别和采集电弧外围和内部点的光谱信息，精度为10μm。
文档编号B23K9/095GK101738257SQ201010101230
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者何建萍, 向锋, 焦馥杰, 王付鑫, 陈戍 申请人:上海工程技术大学