一种改进的不对称等离子体光谱分析方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的不对称等离子体光谱分析方法，本方案考虑了双原子解离过程修正部分标准温度法曲线结果，在双原子气体计算中精度更高；采用辐射强度计算代替发射系数，减少了重建发射系数分布模型的过程，计算更简便，避免了重建模型误差导致的计算偏差，同时扩大了该方法的适用范围，不受到逆变换方法的限制；将两个相对发射系数曲线交点转变为相对发射系数比值来确定等离子体成分，弥补辐射强度代替发射系数造成的误差。同时可外延至等离子体中心相对发射系数大于1时的浓度计算。子体中心相对发射系数大于1时的浓度计算。子体中心相对发射系数大于1时的浓度计算。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的不对称等离子体光谱分析方法


[0001]本专利技术涉及一种改进的不对称等离子体光谱分析方法，属于材料加工工程


技术介绍

[0002]焊接用等离子体为高温等离子体，较高的温度限制了大部分常用的接触式检测方法。同时在等离子体内部，各种粒子之间的相互作用，质量和能量的运输过程非常复杂，使得对其检测更为困难。但是电弧焊、激光焊的广泛应用必然要求对等离子体的物理过程有较深入的理解。经过大量研究者的研究，目前等离子体检测的理论和手段也日益成熟。其中，标准温度法(Fowler
‑
Milne method)可用于等离子体内的温度和成分测量。澳大利亚的Murphy对标准温度法进行了拓展，使其应用于多组分电弧等离子体温度和浓度的测量，并利用该方法测量了氩氮电弧。但标准温度法的应用需要首先获得相对发射系数，而相对发射系数对电弧强度进行Abel逆变换得到，假设等离子体中的发射系数在径向上均匀分布，将某一方向测量的辐射强度即发射系数积分变换得到理论上的发射系数分布曲线。该方法的限制在于：1.受到图像采集系统的限制，若图像过曝则图像中心区域强度达到顶峰不再增加，会导致计算出的最大发射系数点向电弧外侧移动，逆变换得到的发射系数曲线存在较大误差，因此得到的某点的发射系数值也就有所偏差。2.TIG电弧为假设对称形态，实际并不能完全对称，甚至等离子体为完全不对称的结构，无法采用简单的变换获得发射系数曲线，也就限制了标准温度法应用于除垂直方向的电弧焊接以外的焊接方法。3.由于等离子体是不断变化的，因此相对发射系数比值也具有一定的误差，并不能解决当电弧中心相对发射系数之和超过1时的异常情况。
[0003]目前，许多学者致力于研究光谱分析方法的自动化及适应性改进。如专利CN201811119604.2提出了一种计算脉冲TIG焊接轴对称等离子体电弧温度的方法，主要用于自动化计算获得的光谱结果，但也限制于轴对称等离子体。北京工业大学的学者(《非轴对称电弧瞬时温度场测量方法研究》)采用CT重建算法优化了由电弧图像变换为发射系数分布的精度，将其应用于非轴对称电弧的测量；日本大阪大学的学者(Study on temperature measurement of two
‑
electrode TIG arc plasma)采用6台高速相机对电弧的各个角度进行观察，认为通过不同角度的图像进行重建可获得较为准确的倾斜电弧温度场。但以上方法存在实施过程复杂、成本较高、图像不同步等问题，因此难以用于快速、简便的测量等离子体内成分分布趋势。另外，对于采用电弧图像进行建模的方式，更适合不含有干扰成分的焊接材料，这样获得的等离子体成分分布更有规律，且不会受到相机采集精度的限制，由于较小的浓度差异在电弧图像上难以分辨，对于三维重建结果的准确性会造成一定的影响。
[0004]基于此，本专利技术提出了一种改进的不对称等离子体光谱分析方法，用以对不对称的等离子体(倾斜的电弧焊、激光
‑
电弧复合焊接等)内混合成分的区域分布进行测量。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的技术问题，本专利技术的目的是：针对不对称等离子体难以应用标准温度法进行测量的问题，而提供一种改进的分析方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案是这样实现的：一种改进的不对称等离子体光谱分析方法，包含以下步骤：
[0007]①
采用不含测量元素的材料进行焊接，在焊接等离子体两侧进行光谱测量和图像采集位置校准后，使用待测材料、待测混合保护气体、标定用的纯保护气进行焊接和测量，获得所需的光谱和等离子体图像；
[0008]②
对等离子体谱线进行提取，选取可用于分析的特征谱线，计算其发射系数曲线和对应的温度
‑
浓度曲线；对于双原子气体，加入Guldberg
‑
Wagge解离方程进行修正；计算不同相对发射系数比值下的浓度结果，获得相对发射系数比值
‑
浓度曲线；
[0009]③
在对应位置计算待测混合保护气体下的电弧辐射强度与纯保护气下的电弧辐射强度之比，即相对辐射强度，再计算二者比值；使用相对辐射强度比值替代相对发射系数比值代入相对发射系数比值
‑
浓度曲线，获得浓度结果。
[0010]优选的，所述的步骤
①
中，待测混合保护气体是由多种保护气体混合而成，标定用的纯保护气是待测混合保护气体中的一种气体。
[0011]优选的，所述的步骤
②
中，双原子气体为氮气N2；
[0012]Guldberg
‑
Wagge解离方程如下：
[0013][0014]式中，Z
N
(T)为氮原子在温度T下的配分函数，由原子光谱数据库获得；
[0015]为氮分子在温度T下的配分函数，由原子光谱数据库获得；
[0016]N
N
为氮原子子粒子数密度；
[0017]为氮分子粒子数密度；
[0018]m
N
为氮原子质量(2.325
×
10
‑
26
kg)；
[0019]为氮分子质量；
[0020]h为普朗克常数(6.62607015
×
10
‑
34
J
·
s或4.1356676969
×
10
‑
15
eV
·
s)；
[0021]k为玻尔兹曼常数(1.380649
×
10
‑
23
J/K)；
[0022]E
d
为氮气分子分解能(9.760eV)；
[0023]T为等离子体温度。
[0024]由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：
[0025]①
考虑了双原子解离过程修正部分标准温度法曲线结果，在双原子气体计算中精度更高。
[0026]②
采用辐射强度计算代替发射系数，减少了重建发射系数分布模型的过程，计算更简便，避免了重建模型误差导致的计算偏差，同时扩大了该方法的适用范围，不受到逆变换方法的限制。
[0027]③
将两个相对发射系数曲线交点转变为相对发射系数比值来确定等离子体成分，
弥补辐射强度代替发射系数造成的误差。同时可外延至等离子体中心相对发射系数大于1时的浓度计算。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对本专利技术实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本专利技术实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
[0029]附图1为本专利技术所述的相对发射系数比值与等效氮气浓度曲线图；
[0030]附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进的不对称等离子体光谱分析方法，其特征在于，包含以下步骤：
①
采用不含测量元素的材料进行焊接，在焊接等离子体两侧进行光谱测量和图像采集位置校准后，使用待测材料、待测混合保护气体、标定用的纯保护气进行焊接和测量，获得所需的光谱和等离子体图像；
②
对等离子体谱线进行提取，选取可用于分析的特征谱线，计算其发射系数曲线和对应的温度
‑
浓度曲线；对于双原子气体，加入Guldberg
‑
Wagge解离方程进行修正；计算不同相对发射系数比值下的浓度结果，获得相对发射系数比值
‑
浓度曲线；
③
在对应位置计算待测混合保护气体下的电弧辐射强度与纯保护气下的电弧辐射强度之比，即相对辐射强度，再计算二者比值；使用相对辐射强度比值替代相对发射系数比值代入相对发射系数比值
‑
浓度曲线，获得浓度结果。2.根据权利要求1所述的改进的不对称等离子体光谱分析方法，其特征在于：所述的步骤
①
中，待测混合保护气体是由多种保护气体混合而成，标定用的纯保护气是待测混合保护气体中的一种气体。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎炳蔚，雷正龙，李国新，于大全，张敏，张浩悦，
申请(专利权)人：昆山宝锦激光拼焊有限公司，
类型：发明
国别省市：