基于激光散射的焊接烟雾粒径测量的研究

摘要

光线在均匀介质中是按直线传播的，但当其通过不均匀介质时，会发生散射，即光线偏离其直线传播方向的现象。光散射是由吸收、衍射、反射、透射与折射等共同作用的。激光散射法是一种先进的颗粒粒径测量方法。这种方法具有不干扰、不接触流场和粒子场、测量的粒子尺寸范围宽、光电转换响应时间短、分辨能力较高的优点。散射方法由于采用激光这种强相干光源，从而得到很大的发展。在数据处理方面，可采用电子计算机。因此，激光和计算机相结合，成为现代光学测试方法的特点。 严格的光散射理论是将光波看作电磁波，在一定的物体形状和尺寸所决定的边界条件下，对颗粒内部和外部区域的Maxwell方程求解。Mie理论即是在这种情况下对均匀球体在平面单色光照射下求得的严格解析解。 本文所进行的激光散射测量实验是基于Mie散射理论进行的。该理论适用于粒径小于10μm范围的任意颗粒。在Mie理论的完整公式中，严格地给出了不同尺度、不同折射率的粒子的散射特性。基于该理论，本文用He-Ne激光器、光电倍增管、示波器、光学透镜等建立了一套适于激光散射的实验光路装置。同时，考虑到Matlab数值计算软件的强大计算功能，将Mie理论的计算公式进行Matlab变换，编译出可用于进行Mie散射计算的Matlab函数。 为了探究焊接电弧空间微粒的粒径及其分布特点，本文从焊接模拟烟雾着手，利用所构建的激光散射光路装置，进行标准颗粒和焊接模拟烟雾颗粒的激光散射实际测量。把实验测量到的标准粒子和焊接模拟烟雾的散射信号电压值代入编好的Matlab程序中，分别计算出相对光强、相对电压值，最终通过一定的反推变换，得出了焊接模拟烟雾颗粒的粒径值。 本文为进一步实现焊接烟雾中不同粒子的散射检测打下了坚实的基础。同时，通过测量焊接模拟烟雾微粒，可延伸到实际焊接烟雾，有助于测量分析焊接烟雾中有害颗粒状物质，对焊接过程特别是改善焊接环境提高焊接质量有着非常重大的理论和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2焊接电弧研究的现状

1.3颗粒的粒度及其测量

1.4本文的研究内容、研究方法及意义

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

1.4.3意义

第二章光散射规律

2.1光的散射和吸收、消光

2.1.1散射现象

2.1.2颗粒的散射截面、吸收截面和消光截面

2.1.3散射系数、吸收系数和消光系数

2.1.4 Lambert-Beer定律

2.1.5振幅函数、强度函数和消光公式

2.2 Rayleigh散射

2.3衍射散射

2.4 Mie散射

2.5 Thomson散射

2.6本章小结

第三章Mie散射计算模型的建立

3.1焊接过程中的有害颗粒物质

3.1.1有害颗粒物质的定义

3.1.2有害颗粒物质的分类

3.1.3颗粒状有害物质对人体的危害

3.1.4本文采用焊接模拟烟雾的依据

3.2散射理论的选择

3.3 Mie散射计算公式的预处理

3.4 Mie散射理论的Matlab处理

3.4.1 Matlab程序简介

3.4.2 Mie系数an、bn、cn、dn的计算

3.4.3系数πn和τn的计算

3.4.4消光系数的计算

3.4.5nmax的选定

3.4.6实验计算的理论公式

3.4.7 Mie散射计算公式的Matlab程序

3.5本章小结

第四章基于Mie散射的粒径的测量

4.1实验光路的构建

4.1.1实验准备

4.1.2 He-Ne激光器

4.1.3光电倍增管

4.1.4实验光路

4.2实验假设

4.3实验方法

4.4烟雾颗粒粒径的测量与计算

4.4.1基本理论的推论

4.4.2实验数据

4.4.3实验数据计算示例

4.5几个图形

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

附录 Mie函数的 Matlab程序

致谢