主题：【转帖】焊接电弧紫外光谱信息的获取与分析

分类：紫外    时间：2007-9-24 7:49:24 
摘要：针对焊接电弧紫外光谱信息的研究，研制了一套焊接电弧紫外光谱计算机采集和处理系统。利用此系统对TIG焊电弧紫外光谱进行了研究，成功地获得了不同焊接规范下的电弧紫外光谱频谱分布特征，并对此进行了分析。
　　关键词：焊接电弧；紫外光谱；计算机；获取；分析
　　中图分类号：TG403　　　文献标识码：A
文章编号：1004-132Ⅹ(2000)04-0446-04
随着焊接电弧物理的深入研究，人们认识到，焊接电弧光谱可以反映出焊接过程中电弧 的各种物理和化学的状态变化，并且，电弧光谱信息内容丰富，具有时空可分辨性，灵敏度 高，传递信息快，便于测控自动化的实施，因此，焊接电弧光谱信息是值得认真研究和开发 的信息资源［1～3］。以往的研究主要集中于焊接电弧的可见光区，把紫外区只作 为对人体有害的辐射来处理［4］。但通过对电弧光谱各个波长段的谱线数量及辐 射功率密度 的分析可知，辐射光谱在紫外波长段的谱线数量及辐射功率密度都是很大的，因而，紫外区 是很有 可能发现高品质的弧焊图像信息和其它信息的一个有待开发的区域。
　　为研究焊接电弧紫外光谱的特征，采用由计算机控制的焊接电弧紫外光谱信息采集 与处理系统，获得并分析了钨极氩弧焊电弧紫外光谱频谱的分布特征。

1　计算机采集与处理装置

　　焊接电弧紫外光谱计算机采集与处理装置的构成见图1。



1.电弧　2.试件　3.光电倍增管　4.步进电机1　5.紫外成像透镜　6.光阑　7.全反射转镜　8.步进电机2
图1　电弧紫外光谱计算机采集与处理系统构成

　　该实验装置以计算机作为控制平台。将电弧光谱信息，即光电转换后的电信号、焊接电流 及电压3个模拟量，经滤波放大及A/D转换，进行计算机采集和处理。后向通道为扫描控 制部分，控制步进电机驱动波长扫描机构，来完成对电弧光谱空间上光谱波段上的扫描，以 便对焊接电弧光谱进行研究。
　　在光学系统中，光谱仪的波长范围为200 nm～1000 nm，光电倍增管的光谱响应区间为170 nm～350 nm的紫外区。采集时，先调整成像透镜及电 弧的位置，使电弧以1∶1的比例成像于光谱仪的入口狭缝处，然后在电弧像上选取某一单元 部 位，通过调整光谱仪入口狭缝处的切口位置，对电弧进行Z方向上的扫描，Z方向上的调 节精度为0.01 mm。当反射镜旋转时，对与所选部位同高度的电弧截面进行Y方向的扫 描，每次扫描宽度为0.186 mm。电弧辐射光通过光谱仪入口狭缝进入光谱仪，经光谱仪内 的色散棱镜分光成按波长分布的光谱，在出口狭缝处成像于像焦平面上，再由光电倍增管接 收响应进行光电转换，通过前置放大器及A/D接口，由计算机采集处理。
　　实验中对实验系统采用经中国计量科学院标定的标准紫外光源（氘灯）进行标定，以便 获得光谱信号的辐射强度，并对光路系统进行了激光准直，确保实验的精度及可靠性。

2　焊接电弧紫外光谱的获取

　　利用上述实验装置进行了TIG焊电弧紫外光谱分布的研究。实验中采用直流钨极氩 弧焊，极性为正接，保护气流量为6 L/min，试件为厚度δ=6 mm的低碳钢Q235 。
　　为了获得TIG焊电弧紫外光谱的分布，对其光辐射的采集，进行了波长窗口扫描和定波 长空间扫描。波长窗口扫描是在光谱仪出口狭缝处对所确定的波长范围内逐点依次采集，获 得在所确定波长范围内的紫外光谱分布。定波长空间扫描采集是在所选定的波长上，对电弧 的某一横截面逐次采集，通过改变光谱仪入口狭缝处的切口位置并控制全反射转镜的偏转来 完成，从而得到电弧紫外光谱径向空间分布。
　　为了将采集的数据处理成电弧光谱辐射的径向分布，现将电弧视为轴对称体，每次所采 集的电弧截面见图2。每次采集是对着宽度为dy，高度为dz的面积进行的，因此 实际上采集到的Lλ是对体积为2x0dydz内的电弧光谱的平均辐射亮度。为计算某点的亮度， 必须进行Abel变换，而平均辐射亮度Lλ与谱线在电弧各点的发射系数ε有确定的关系：因电弧满足LTE条件，且又满足光 学条件［2］，则

　　　　　(1)

式中，Lλ(y)为y方向测得的光谱平均辐射亮度的分布；ε(r)为电弧径向各点的光谱发射系数。




图2　沿Y方向扫描电弧截面的示意

　　如果将元体取无限小，则

　　　　　　(2)

式中，Ie(y)表示电弧径向各点的光谱辐射强度。
其解为

　　　　　　(3)

式中，I′e(y)为Ie对y的导数。
　　某一点的发射系数

　　　　　(4)

式中，r0为弧柱半径;rj为某测量点距柱中心的距离；N为测量总数；yk=kr0/N；r j=jr0/N；k=0,1,2，…，N-1；j=0,1,2，…，N-1；βjk为Abel变换系数， 与N值有关。
　　从式(4)可求出电弧某截面上光谱发射系数沿径向的分布。在该处理过程中，为了满 足Abel变换的需要，先将采集到的Lλ(y)等距插值成平行等距的Lλ(y)，再进 行Abel变换。Abel变换系数βjk采用误差较小的Barr变换系数。而光谱辐射 强度Ie与光谱辐射亮度Lλ之间有

Ie=Lλdscosθ　　　　　　(5)

式中,ds为辐射源的辐射面元；θ为辐射面元的法线与辐射方向的夹角。
　　因为系统光路是经激光准直的，θ可视为零，即θ=0，则

Ie=Lλds　　　　　　(6)

　　根据以上转换与处理原理，为实现电弧紫外光谱的实时采集和处理，采用C语言设计了 采集和处理软件。利用建立的电弧光谱计算机采集和处理系统，成功地进行了TIG焊电弧紫 外光谱的采集和处理。