光致等离子体温度空间分布的探测装置及探测方法

摘要

本发明涉及光致等离子体温度空间分布的探测装置及其方法。将一种多束单根光纤作为探测和传输介质，采用二维位移台精确定位后，多束一排单根光纤同时采集并输出光致等离子体某一截面的光谱，光谱仪记录下采集到的信号；将记录下的光谱信号经过逆变换算法拟合出光强曲线，通过相对光强法计算出某一截面上若干点的温度，得出某一截面的二维温度分布。并且也可通过多束多排光纤同时探测等离子体多个截面，得出三维温度分布。本发明所述光致等离子体温度空间分布的探测装置及其方法所能测得的温度高、准确度高，可用于激光加工在线检测、质量控制及机理研究，并可推广到所有光谱光源的研究。

说明书

技术领域：

本发明涉及机械工程领域的光谱测量方法，具体是一种光致等离子体温度空间分布的探测装置及探测方法。

背景技术：

根据原子的特征光谱来研究物质结构和测定物质的化学成分的方法称为原子发射光谱分析。而等离子体是目前应用最为广泛的原子发射光谱光源。目前，利用等离子体发射光谱分析法探测等离子体发射光谱已成为无机样品成分分析的重要手段，广泛应用于化学化工、地质矿物、金属材料、环境检测及生物样品等分析领域。

其中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。激光加工往往会产生光致等离子体，所产生的光致等离子体对激光能量的传输和加工质量起着至关重要的作用。具体到激光深熔焊接过程中由于光致等离子体遍布于深熔焊接小孔内外并伴随着整个深熔焊接过程，光致等离子体的状态和温度分布将直接反映激光深熔焊接的变化过程和深熔焊接质量。因此，对于光致等离子体的探测被广泛认为是激光深熔焊接在线检测这一世界性难题的突破口，也是激光深熔焊接机理研究的热点。由于光致等离子体温度太高，一般达到几千上万度，温度梯度很大，往往中间高边沿低，尺寸很小，温度很难测量。

对于光致等离子体温度分布探测主要采用光谱分析法。目前，主要是通过透镜聚焦采光结合光谱仪进行分析，这种方法由于无法准确定位测量目标，干扰严重，导致测量精度差。

除此以外，目前国内外还出现了以下方法：

公开号为CN201096521的“非接触式等离子体温度和电子密度测量装置”专利中提供的通过光纤测量单点温度的测量方法。

中国工程物理研究所研制的一个以光纤作为接受、传输光能的六通道光学温度计，用于研究冲击加载下材料的辐射性能。

国外报道了采用光学多通道分析仪(OMA)来测量等离子体温度的方法。它主要由光栅分光得到一束单色光，每次只能得到一个波长下的谱线。

上述测量方法只能对等离子体实现单点的温度测定，无法获得等离子体状态参量的空间分布信息，还无法获得等离子体不同截面二维和整个离子体三维温度分布情况，严重阻碍了对等离子体内部情况的研究。

发明内容：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明目的旨在找到一种探测光致等离子体温度空间分布的方法，能对光致等离子体不同截面的光谱进行探测，进而获得光致等离子体空间二维以及三维温度空间分布。

为达到上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种光致等离子体温度空间分布的探测装置，包括多束单根光纤、固定光纤的光纤夹具、连接光纤夹具的二维位移台、光谱仪和计算机，其中多束单根光纤两端分别构成探测头和输出端，两者之间光纤部分构成传输件，所述输出端接入与计算机连接的光谱仪。

作为进一步的优选方案，所述光谱仪为多通道光谱测量系统。所述二维位移台选用电控精密二维位移台。

同时，上述多束单根光纤可为多束单排单根光纤或是多束多排单根光纤。

本发明还提出一种光致等离子体温度空间分布的探测方法，包括如下步骤：以多束单根光纤作为采光件，将多束单根光纤在光致等离子体正前方定位，探测光致等离子体不同截面光谱信号，同时，多束单根光纤作为光谱的传输件，将信号传输到光谱仪，并保存；以逆变换数据处理方法，拟合出光强曲线，通过相对光强法计算出某一截面上若干点的温度，得出光致等离子体不同截面的二维以及整个离子体三维温度场空间分布。

作为优选方案，上述逆变换数据处理方法为基于快速傅立叶变换和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法。

本发明的工作原理为：首先制造多束单根光纤，根据激光加工光致等离子的云团大小和裸光纤的直径，确定将多少根光纤并成一排或多排包裹成单根探测光纤。其中光纤并排后的尺寸要大于等于离子体的云团某一截面或整个等离子的云团的尺寸，以便这些光纤正对着等离子体的云团时在某一方向可以探测到等离子体某一截面或等离子的云团全部光谱，探测和输出端口进行磨制，形成多束单排或多排单根光纤。实质上是将多根光纤绑在一块，两头按一排或多排集中排列，固定在一个圆形或方形探头内，两端口磨制，以便接收或输出光谱。

探测头在探测时端口正对离子体，输出端用来正对光谱仪狭缝，多束单根光纤用来传输光。对激光加工等离子的云团探测时，采用二维位移台控制光纤的光纤夹具移动，使探测头正对等离子的云团，进行精确定位，尽可能接近等离子的云团，多束单排光纤捕获到等离子的云团某一截面光谱强度信号，多束多排光纤捕获到等离子的云团各个截面光谱强度信号，输出到多通道光谱仪，再输入到计算机获得多通道光谱图。在计算机上对每一通道得到的光谱分别进行处理。对其中的两根谱线的光强采用Abel逆变换得到空间点的光强，也就是发射系数的二维分布，再利用相对光强法把发射系数的二维分布换算成为温度的二维分布。对多束多排光纤捕获到等离子的云团各个截面光谱强度信号，进行逆变换可以获得三维的参数分布情况，从而全面掌握光致等离子体的内部状况。应用时，其具体步骤如下：

1)选择合适的谱线，获取相应的计算参数；

2)将多束单排或多排单根光纤水平固定于光纤夹具上，光纤夹具固定于在二维位移台上，由电脑控制多束单排或多排单根光纤测量头正对并接近光致等离子体云团，实现精确定位；

3)完成光谱仪的谱线标定，将光纤束输出端固定于光谱仪狭缝处，设置光谱仪的测量参数；

4)启动光谱分析软件，开始采集信号；

5)保存多通道光谱信号，通过处理得到需要的谱线强度，通过对多通道光谱强度信号进行拟合，获得测量高度上目标谱线的强度曲线，通过逆变换算法计算出测量高度上平面的发射系数分布，通过局部热力学平衡状态下的温度计算公式计算出对应平面上每点的温度，从而还原出测量高度截面上的温度分布图或整个等离子体云团空间分布图。

本发明提供的光致等离子体温度空间分布的探测装置及其方法利用了光纤的优良光学特性，拥有极小的数值孔径，很小的测量面积，能够分辨并探测到光致等离子体不同截面的光谱信号，通过二维位移台进行精确定位，提高了测量精度；发明的多束单根的多通道光纤结构，可以同时采集并输出很小尺寸光致等离子体云团或激光深熔焊接小孔内某一截面的光谱信号，获得光致离子体温度的空间分布信息，可推广到所有光谱光源的研究，并可实际应用于在线检测、质量控制领域及机理研究。

以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

附图说明

图1是所述光致等离子体温度空间分布的探测装置示意图；

图2为本发明中多束单根光纤外形示意图；

图3为本发明中多束单排单根光纤端面结构示意图；

图4为本发明中多束多排单根光纤端面结构示意图；

图5为实施例所得到的一幅激光焊接孔外等离子体二维温度分布图。

在上述附图中：

1—工件，         2—光纤夹具，                3—光谱仪，

4—多束单根光纤， 5—等离子体，                6—电控二维位移台，

7—聚焦透镜，     8—激光束，                  9—位移台控制器，

10—计算机，      11—探测头，                 12—传输光纤，

13—输出端，      14—光纤包层，               15—单排光纤纤芯，

16—光纤包层，    17—多排光纤纤芯。

具体实施方式

实施例1

激光加工方法中产生光致等离子体最为典型的激光深熔焊接孔外等离子体温度的空间分布探测方法。

参见图1，为本实施例测量激光深熔焊接孔外等离子体某—截面温度分布的探测装置。激光束8的功率为1～1.5KW，深熔焊接速度为0.75～1.125m/min，离焦量为-1～+1mm，保护气体为Ar气，流量为1～2.5m3/h，聚焦透镜7的焦距为5″(127mm)，聚焦光斑直径为0.4mm，深熔焊接工件1的材料为不锈钢。光谱仪3采用美国PI公司的Spectro—2356配合PIXIS400F面阵CCD，10μm光栅，分辨率0.1nm。电控二维位移台6重复定位精度小于3μm。

参见图2，本实施例中多束单根光纤4为8根石英光纤一排集中在一个探测头内作为探测头11，输出端13同样为8根石英光纤一排集中在一个探头内，两者之间的光纤部分作为传输光纤12。

其中本实施例具体采用的是多束单排单根光纤，参见图3，其中包括光纤包层14和包裹在其内部的单排光纤纤芯。同时，该光纤束还可采用多束多排单根光纤，由光纤包层16和其内部的多排光纤纤芯组成，参见图4。

首先，使用标准汞灯对光谱仪3进行波长标定，并设定为目标波长的范围，完成多束单根光纤4与光谱仪3的连接，光谱仪3与计算机10的连接，计算机10与位移台控制器9的连接，将多束单排单根光纤固定在光纤夹具2之上，并将光纤夹具2固定于电控二维位移台6上，位移台控制器9通过控制光纤夹具2将光纤探测头11移动到测量高度，缓慢接近并水平正对孔外等离子体5；打开激光器，开启光谱仪3采集信号并输出至计算机10，完成激光深熔焊接工件1时孔外等离子体5某一截面光谱信号采集。

然后采用基于快速傅立叶变换和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法，进行等离子体二维温度场分布的数据处理，并进行了计算精度分析，通过自行推导并通过MATLAB软件编程实现，并进行了算法误差模拟，结果显示误差小，不影响计算结果的准确性。采用光谱分析软件对多通道光谱信号进行处理，筛选出需要的两种光谱信号，本实施例选用的是铁谱线Fe II的402.45nm和394.52nm，相关参数参见表1。分别对两种光谱信号进行拟合得到水平方向上光谱强度分布曲线，利用计算机分别对两类曲线进行逆变换计算得到发射系数的平面分布，采用相对光强度法对平面上每点进行温度计算，计算机绘图得到某一截面的二维温度分布图，如图5所示。

表1