基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。     

基于光谱诊断的热源间距对激光-脉冲GMAW复合焊等离子体物理特性影响研究

激光电弧复合焊中,热源间距会影响到等离子体物理特性,进而影响到焊接过程的稳定性及焊接质量。 基于Boltzmann作图法和Stark展宽法研究了不同热源间距下的激光-脉冲GMAW复合焊峰值阶段的温度场和电子密度分布,并结合高速摄影手段分析了热源间距对温度和电子密度的影响规律。 光谱诊断结果表明,随着热源间距的增大,激光等离子体的温度和电子密度都没有明显的变化;电弧温度出现下降,电弧电子密度则呈现先增高后降低的趋势。     

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.     

基于标准温度法的脉冲TIG焊电弧温度场计算与分析

脉冲TIG焊由于其优越的特性而广泛应用于工业中,准确测量电弧温度对分析焊接过程有重要意义。论文基于光谱学理论计算了氩元素的粒子数密度与温度之间的关系曲线,计算了794.8 nm氩原子谱线的发射系数与温度之间的关系曲线,利用高速摄影获得了794.8 nm特征谱的电弧图像,根据Abel变换和标准温度法计算了脉冲TIG焊峰值时刻和基值时刻的电弧温度场分布。     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测...     

基于光谱诊断的脉冲GMAW焊金属蒸汽动态扩散行为研究

理解脉冲GMAW焊电弧物理的动态特性对解释这一焊接方法的内在机理及获取优化控制策略有重要意义,通过在高速摄影前加窄带滤波片的方法研究了脉冲GMAW焊接过程中不同粒子的扩散行为,同时采用光谱仪研究了不同状态下金属与蒸汽保护气氛谱线的强度分布信息,采用气体状态方程、等离子体准中性方程、和Saha方程计算了脉冲GMAW焊接峰值和基值两种不同状态下的金属蒸汽浓度分布。研究结果显示,在峰值时刻,金属蒸汽被约束在电弧中心1 mm左右的范围内,当电流从峰值跳转到基值时刻,金属蒸汽从中心扩散到电弧外围区域,峰值时刻中心金属浓度约为75%,而基值仅为35%左右。     

基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算

电弧等离子体是非均匀等离子体,其内部进行着复杂的能量和质量输运过程,等离子体的温度测量具有重要意义。Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、标准温度法等测温方法更为方便。基于Boltzmann作图法原理,对TIG电弧进行实时的空间扫描,分析了谱线的选取原则,测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。     

氧引入对气体熔池耦合活性TIG焊电弧的影响

气体熔池耦合活性TIG焊接方法是一种新型的活性焊接方法,该方法采用内外两层气体进行TIG焊,内层惰性气体保护熔池金属和钨电极,外层气体引入活性元素O,使焊缝熔深增加,并通过调节内外喷嘴的相对位置,简单方便地调节外层活性气体与熔池表面的耦合度,实现对焊缝成形和焊缝性能的控制。外层气体的引入对焊接电弧有着重要的影响,因此针对气体熔池耦合活性TIG电弧,采用Boltzmann作图法分析了外层气体为O2时不同耦合度下电弧等离子体的温度分布,在此基础上研究了电弧电压和电弧形貌的变化规律。结果表明,与普通TIG电弧对比,气体熔池耦合活性TIG焊时,外层气体引入氧可使电弧略有收缩,电弧中心温度升高,同时电弧电压上升;与内外层气体都为Ar的情况相比,外层采用O2对电弧的收缩作用更明显。当耦合度从0增加到2时,电弧中心温度和电弧电压都略有上升。在气体熔池耦合活性TIG焊中电弧收缩不明显,进行不锈钢焊接时熔深显著增加的主要机理不是电弧收缩。     

基于光谱诊断的多丝熔化极气体保护焊电弧干扰分析

多丝熔化极气体保护焊中,由于电弧间的相互干扰,电弧工作状态不稳定,进而影响焊接过程稳定性和焊接质量。基于Boltzmann作图法测量电子温度场和Stark展宽法研究了多丝工作条件下电弧的电子温度分布和电子密度分布,结合高速摄影获得的定量化结果,给出电弧间干扰的定量化分析。光谱诊断结果表明双丝情况下,当加入电弧工作电流大于原电弧时,原电弧电子温度中心向新加入电弧稳定偏移,而且偏向新电弧一侧电子密度明显增加,而新电弧工作电流等于原电弧时,电弧电子温度和电子密度分布都反映出原电弧工作状态不稳定。三丝情况,由于加入第三根电弧,导致中间电弧电子温度分布变得复杂,而其电子密度分布接近于单丝工作情况。     

基于金刚石氮-空位色心的温度传感

在各种物理量中,温度是最直观和最普遍的量.温度的剧烈变化通常意味着物体的物理性质出现波动,因此在各个领域中温度往往是重要的指标.随着科学技术的发展,许多领域研究和应用的尺度越来越小,然而在小于10μm的空间尺度内还没有通用的温度测量方法.除了空间分辨率的要求,传感器在测量过程中不应该对被测对象有巨大影响,金刚石氮-空位(nitrogen vacancy, NV)色心是一种稳定的发光缺陷,通过对其能谱和电子自旋量子态的测量,可以获得其附近温度、电磁场等物理量的信息.由于金刚石的化学特性稳定和热导率高,可以进行纳米尺度的非破坏性测量.它对细胞无毒,也可以用于生命领域的研究.此外,根据金刚石的特性, NV色心可以与光纤、扫描显微镜等技术结合,实现不同场景中的温度测量.本文将介绍金刚石NV色心的温度特性、测温原理及其在相关领域的应用.     

光谱体层析技术诊断三维等离子体场

提出一种光谱体层析图像重建新算法.通过计算机数值模拟, 考察了该算法对非对称单峰发射系数场分布的重建效果,并与传统的三维重建算法进行比对.结果表明,该算法具有收敛快,重建准确度高的特点,仅用两个方向的投影数据就能高准确度地重建单峰三维发射系数场分布.作为一个应用实例, 结合谱线相对强度测量方法重建了自由电弧等离子体的三维温度场分布.     

The Study on the Arc Plasma Temperature Measurement by Optical Emission Spectroscopy with Fiber Optical Transmission

Abstract

A method for transmitting radiation of the arc plasma with multimode fused quartz fiber onto the spectrograph has been studied. The plot of the Boltzmann function in emission spectral analysis is used for measuring temperature of the arc plasma. The measured temperature of the arc plasma is 5946.6K from least square linear regression of ln[λI/(gA)] and E_i for a number of the emission line intensities of the excited copper atom. Its regression coefficient and measured precision are ?0.97% and 1.7%, respectively. The advantages of the method of the diagnostic temperature for the arc plasma are absolute measurements of the temperature, remote sensing, precision and suitable for mal-environment, such as high temperature, toxic, explosion, strong magnetic or/and electrical fields.

In addition, we have discussed the effect of the spectroscopic constants, such as transition probability, A , the statistical weight of the upper level, g , and the energy of the upper level, E_i , of copper lines on calculating temperature with a plot of the Boltzmann function in detail. The results show that the accurate measurement of the temperature for the arc plasma is obtained only when the spectroscopic constants are selected correctly.     

脉冲微放电发射光谱用于合金样品元素分析

利用大气压脉冲微放电剥蚀源对铝合金进行光谱分析。该针板结构微放电装置具有价格低廉、操作便捷、分析快速等特点。脉冲放电能瞬间注入极大的放电能量,不致使样品融化,进而保证放电的稳定性。在几微秒的时间内,对钨针电极施加近-4 000 V的高压,电极间迅速形成放电通道,针尖和样品之间形成高达20 A的电流,造成对样品的剥蚀,并对被剥蚀的粒子进行激发。单次放电脉冲注入能量约为8.5 mJ,能量以电流的形式传递于放电电极。剥蚀形貌图表明放电微等离子体局域在电极间隙,针尖轴向上的能量传递和电流密度远高于离轴区域。为了深入研究剥蚀机制和物理性质,对等离子体源的电学特性进行了讨论。通过精确的时序拍摄技术观测了等离子体的演化过程,从ICCD相机的快速成像结果可以看到等离子体源寿命与脉冲高压放电源的脉宽相当,发光强度与放电电流变化趋势相吻合。与光谱分析装置相连接,脉冲微放电剥蚀源可有效激发合金样品中的铝、镁、锰、铜等元素原子谱线。对放电过程等离子体光谱特性进行考察,利用玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算等离子体电子温度和电子数密度,分别得到过程中等离子体电子激发温度约6 700 K,等离子体电子数密度约1017 cm-3量级,并验证了放电处于局域热平衡状态。探究其定量分析性能,结果表明该脉冲微放电等离子体直接作为一种光谱分析源可实现对铝合金样品快速定量分析。     

Emission Intensity Enhancement of DC Arc Plasma Induced by External Oscillating Magnetic Field

Direct current (dc) arc plasma with continuous aerosol supply was coupled with an external oscillatingmagnetic field of a few tens of mT and a frequency of up to 1 kHz. Such configuration was used to alter the plasma‐related radiative properties. The magnetic field was oriented perpendicularly to the electric field in the plasma and forced the arc column to oscillate as a whole with respect to the surrounding atmosphere. The magnitude of the appliedmagnetic.eld controls the amplitude of the oscillatory motion. Several parameters that can contribute to the radiative properties of the plasma were investigated (arc current, composition of aerosol introduced into the plasma, amplitude and frequency of the magnetic field applied). Spectral emission from different zones of the plasma column was measured by optical emission spectroscopy (OES). In comparison to steady‐state plasma, the applied magnetic field induces an intensity enhancement of emission of the most analytes considered. The intensity enhancement is strongly affected by the amplitude and frequency of plasma column oscillations, i.e. by plasma column velocity. Also, intensity enhancement depends on the plasma zone observed. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

大气压空气滑动弧等离子体发射光谱诊断

为了解Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响,在放电频率f=10 kHz、空气流量q_Air=15 L·min^-1、 1 atm下进行了Ar体积流量q_Ar对空气-Ar滑动弧放电的影响试验研究,重点分析了不同q_Ar及调压器电压U_调下空气等离子体的活性粒子种类、电子密度及振动温度。结果表明,滑动弧等离子体区的主要活性粒子为OH、 N₂的第二正带系、 Hα、 O原子、 ArⅠ及ArⅡ原子,其中O原子及ArⅠ、 ArⅡ原子的相对光谱强度明显较强;随着q_Ar的增大,O(777.4 nm)的相对光谱强度先缓慢增长、再快速增大到极大值、随后缓慢减小并趋于稳定,O(777.4 nm)的相对光谱强度在1 580～6 650 a.u.之间变化;随U_调增大,O(777.4 nm)的相对光谱强度增大,且电压对其影响受q_Ar的影响：在高q_Ar(4～6 L·min^-1)工况下,O(...     

Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry in the Vacuum Ultraviolet Region

Abstract

Inductively coupled plasma optical emission spectrometry has been applied for trace metal determination in a myriad of sample types. However, the detection of nonmetals is a challenge. For example, the high excitation energies associated with most nonmetals is a barrier for populating the excited state of these elements. Even in the presence of sufficient excitation energy, the principal resonance lines for nonmetals usually lie in the vacuum ultraviolet region, where atmospheric species like oxygen and water vapor absorb the radiation. Several nonmetals (nitrogen, oxygen, and carbon) are also present in the atmosphere, so contamination or background emission signals can hinder quantification. A common approach to solving these problems is to increase throughput by purging the optical path with an inert gas. In addition, unnecessary mirrors or lenses are eliminated when possible. This review provides a survey of the applications of inductively coupled plasma optical emission spectrometry in the vacuum ultraviolet region, with particular emphasis on the detection of sulfur, phosphorus, iodine, and carbon. The alternative of employing nonresonance lines for these elements in the near-infrared region is discussed briefly as well.     

Multicomponent Thermal Plasma of Arc Discharges

This paper deals with investigations of thermal electric arc plasma in complex gas - metal vapour mixtures. Experimental techniques in the diagnostic were widely discussed. The study of non-steady-state discharges was performed with an appropriate temporal and spatial resolution. Spectroscopy investigations of plasma parameters in some modes of discharge operation were carried out. Spatial profiles of temperatures and electron densities were obtained. Plasma composition was calculated in an assumption of the local thermodynamic equilibrium. The influence of some mechanisms on plasma condition was analysed.