专利名称：平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子测量与控制领域，特别涉及一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置。
背景技术：
等离子体的温度和成分影响金属过渡和金属的溶滴的热输入研究，所以是一个值得优化的过程。光谱法是针对等离子体辐射的一种测量分析方法，其原理是借助光谱仪器将电弧辐射信号分解为光谱信号，再根据光谱强度与电弧等离子体内部温度、粒子浓度、成分的关系等规律来反映电弧内部的物理状态及其过程。文献[I]通过电弧光谱计算电弧的电子温度，将其变化规律与熔池表面信号对应，发现光谱信号能很好对应焊接表面的缺陷特征。文献[2]通过光谱信息分析对TIG焊接过程引弧过程进行了研究。文献[3，4]通过光谱信息的分析得到了 MIG焊接过程的温度场、电子密度和金属浓度空间分布。目前对于电弧测量一种方法是直接将电弧看做点光源，例如文献[1，5]。但是将整个电弧看做一个整体来分析电弧的物理参数，这种方法只能得到光谱宏观的一个参数，无法得到光谱空间和时间域的物理信息，目前仅用于等离子焊接过程质量检测，不能用于计算分析电弧空间和时间物理参数的变化规律。第二种方法是应用带狭缝的光谱仪，这种光谱仪可以获得一个平面的等离子体光谱信息，文献[3，4]就是采用这种光谱仪，但是这种光谱仪价格昂贵，同时一次只能得到一个平面的光谱信息，只能针对电弧的某一状态来进行分析。对于时域光谱的动态信息，尤其对于存在电弧峰值、基质、负电流状态的复杂电弧不能进行细微区分。文献[2]在研究TIG引弧时设计同步触发电路，但是在设计触发电路时采用的是电源电压输出信号作为判断源，电压信号的采集由于是在输出端采样容易引入干扰信号， 同时作者仅仅是对起弧信号同步，但是电弧信号还包括诸如峰值状态、基值状态、负电流等复杂状态作者并未涉及，此外作者没有对空间信息做出分析。在科研分析过程中，我们在分析提取电弧信息时，不仅需要得到电弧光谱的空间信息，而且需要得到电弧在不同供电状态的时域信息，并且需要能够在不同状态之间切换， 同时为了降低整个测量过程的系统误差，我们期望在短时间内能够获取电弧光谱的动态信息，能够实现动态扫描。参考文献
I. Alfaro, S. C. A. , D. de S. Medongaj and M. S. Matos, Emission spectrometry evaluation in arc welding monitoring system. Journal of Materials Processing Technology, 2006. 179(1—3) :p. 2-9—224。2. '壤秀猿，基于光谱诊断的TIG焊引弧过程研究.2007，天津天津大学。3. Zielinskaj S.， et al.， Investigations of GMAV plasma by optical emission spectroscopy. Plasma Sources Science and Technology, 2007. 16:p.832。4. Rouffetj M.，et al. , Spectroscopic investigation of the high-currentphase of a pulsed GMAW process. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010. 43:p. 434003。5.柳刚，{(MIG焊熔滴过渡的电弧光谱信号.pdf)) ·焊接学报，2004. 25。

发明内容
针对目前电弧空间和时间域动态信息扫描提取的要求，本发明提供一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，以保证瞬间提取不同空间位置、不同供电状态和不同时刻的光谱信息。本发明的技术解决方案如下
一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，特点在于其构成包括电弧输出电源、 电弧电流采集传感器、光谱仪、二维移动平台、运动控制板卡、光谱仪硬件触发电路、步进电机驱动器和计算机，上述部件的连接关系如下
所述的电弧输出电源的一端与放电电极相连，另一端经所述的电弧电流采集传感器与所述的放电电极相对的物体相连，该电弧电流采集传感器的输出端接所述的光谱仪硬件触发电路的第一输入端，该光谱仪硬件触发电路的第二输入端接所述的运动控制板卡，该光谱仪硬件触发电路的输出端与所述的光谱仪输入端相连，该光谱仪的光纤探头固定在所述的二维移动平台上，该光谱仪的输出端接所述的计算机的输入端，所述的运动控制板卡经所述的步进电机驱动器与所述的二维移动平台的Z向运动电机和Y向运动电机相连。所述的电弧输出电源输出电弧电流信号经所述的电弧电流采集传感器转换为 (T4V电压信号输出至所述的光谱仪硬件触发电路第一输入端；
所述的运动控制板卡向所述的步进电机驱动器输出驱动信号，驱动所述的Z向步进电机和Y向步进电机的步进运动，带动所述的二维移动平台及其光谱仪的光纤探头在YZ 二维平面内运动扫描，所述的运动控制板卡向所述的光谱仪硬件触发电路第二输入端输入光纤探头的运动状态脉冲信号。所述的光谱仪硬件触发电路对所述的电弧电流采集传感器的电压信号进行判断和识别电弧电流状态，与来自所述的运动控制板卡的光谱仪的光纤探头的运动状态脉冲信号经过逻辑与运算后，向所述的光谱仪输入触发脉冲信号，同步触发所述的光谱仪的光纤探头实现平面动态电弧光谱的采集。电弧光谱采集过程中运动电机带动光纤探头工作在连续的运动或停止状态，保证Y向步进电机和Z向步进电机带动光纤探头连续扫描一个电弧平面，并在停止状态时所述的光谱仪采集对应位置和对应状态的电弧光谱信号并输入给所述的计算机。所述的光谱仪硬件触发电路包括电压放大电路、电压比较电路、单稳电路、选择开关电路、或门电路和与门电路；
来自所述的电弧电流采集传感器的电压信号经过所述的电压放大电路发大到-15疒+15V范围，经过所述的电压比较电路分为峰值状态、基值状态和负状态，该三种状态经过所述的单稳电路输出三种状态的单稳脉冲，所述的选择开关电路将该三种状态通断给所述的或门电路，该或门电路输出的电弧电流状态信号与所述的运动控制卡输出的光纤探头的运动状态脉冲信号，经所述的与门电路输出触发脉冲信号给所述的光谱仪。所述的二维移动平台包括Z向运动导轨，Z向步进电机，Y向运动导轨，Y向步进电机和光纤探头固定架；所述的Y向步进电机通过第一滚轴丝杠与Y向运动导轨相连，所述的 Z向运动导轨固定在Y向运动导轨之上，所述的Z向步进电机通过第二滚轴丝杠与Z向运动导轨相连；所述的光纤探头固定架与所述的Z向运动导轨相连。在所述的Y向步进电机处于运动状态时所述的运动控制板卡输出低电平，在所述的Y向步进电机处于停止状态时该运动控制板卡输出高电平，用于触发光谱仪。
与现有技术相比，本发明的有益效果是利用电弧电流采集传感器获取电弧供电状态， 利用步进电机带动光谱仪光纤探头进行空间扫描，利用逻辑判断电路实现光谱仪的硬件触发，保证无论在电弧为峰值状态(EP)、基值状态(EB)、还是负电流状态(EN)，光谱仪硬件触发电路都能够自动发出的触发脉冲信号，在电机停止时得到该位置对应的光谱信息，从而保证在整个电弧平面内能够实时动态的获取二维光谱信息，达到瞬间提取不同空间位置、 不同供电状态和不同时刻的光谱信息的目的。


图I是本发明平面动态电弧光谱同步实时扫描装置的结构示意图。图2是光谱仪硬件触发脉冲信号逻辑时序图。 图3是光谱仪硬件触发电路框图。
具体实施例方式为了进一步详细地介绍本发明，下面结合附图和实施例进行详细的说明。请先参阅图1，图I是本发明平面动态电弧光谱同步实时扫描装置的结构示意图， 如图所示，一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，其构成包括电弧输出电源I、电弧电流采集传感器2、光谱仪3、二维移动平台4、运动控制板卡5、光谱仪硬件触发电路6、步进电机驱动器7和计算机8，上述部件的连接关系如下
所述的电弧输出电源I的一端与放电电极相连，另一端经所述的电弧电流采集传感器 2与所述的放电电极相对的物体相连，该电弧电流采集传感器2的输出端接所述的光谱仪硬件触发电路6的第一输入端，该光谱仪硬件触发电路6的第二输入端接所述的运动控制板卡5，该光谱仪硬件触发电路6的输出端与所述的光谱仪3输入端相连，该光谱仪3的光纤探头固定在所述的二维移动平台4上，该光谱仪3的输出端接所述的计算机8的输入端， 所述的运动控制板卡5经所述的步进电机驱动器7与所述的二维移动平台4的Z向运动电机和Y向运动电机相连。所述的电弧输出电源I输出电弧电流信号经所述的电弧电流采集传感器2转换为 (T4V电压信号输出至所述的光谱仪硬件触发电路6第一输入端。所述的运动控制板卡5向所述的步进电机驱动器7输出驱动信号，驱动所述的Z 向步进电机和Y向步进电机步进运动，带动所述的二维移动平台4及其光谱仪3的光纤探头在YZ 二维平面内运动扫描，所述的运动控制板卡5向所述的光谱仪硬件触发电路6第二输入端输入光纤探头的运动状态脉冲信号。所述的光谱仪硬件触发电路6对所述的电弧电流采集传感器2的电压信号进行判断和识别电弧电流状态，与来自所述的运动控制板卡5的光谱仪3的光纤探头的运动状态脉冲信号经过逻辑与运算后，向所述的光谱仪3输入触发脉冲信号，同步触发所述的光谱仪3的光纤探头实现平面动态电弧光谱的采集；电弧光谱采集过程中运动电机带动光纤探头工作在连续的运动停止状态，保证电机连续扫描一个电弧平面，并在停止状态时所述的光谱仪3采集对应位置和对应状态的电弧光谱信号并输入给所述的计算机8。图2是光谱仪硬件触发脉冲信号逻辑时序图，如图所示，系统的逻辑时序为，电弧电流采集传感器2得到的电压信号经过电压比较器电路得到相应的峰值状态、基值状态和负电流状态，三种状态脉冲可以通过一个逻辑或运算形成电流脉冲状态信号。在二维移动平台4上的Y向步进电机处于停止状态时，运动控制板卡5向光谱仪硬件触发电路6第二输入端输入光纤探头运动状态信号的高电平信号，该高电平脉冲信号与所述的电流状态脉冲信号经过一个逻辑与运算后，向光谱仪3输入触发脉冲高信号。在Y向步进电机处于运动状态时，运动控制板卡5向光谱仪硬件触发电路6第二输入端输入光纤探头运动状态信号的低电平信号，该低电平脉冲信号与所述的电流状态脉冲信号经过一个逻辑与运算后，向光谱仪3输入触发脉冲低信号。图3是光谱仪硬件触发电路框图，如图所示，光谱仪硬件触发电路6，包括电压放大电路61、电压比较电路62、单稳电路63、选择开关电路64、或门电路65、与门电路66。其原理为来自电流传感器2的电压信号经过电压放大电路61放大到_15V、15V 范围，经过电压比较电路62分为峰值状态、基值状态、负状态，三种状态经过单稳电路63输出三种状态的单稳脉冲，选择开关电路64将三种状态通断给或门电路65，或门电路65的输出与运动控制卡5输出的运动状态脉冲信号经与门电路66最终输出触发脉冲信号。以上所举仅以方便说明本发明，在不脱离本发明的创新精神范畴内，任何熟知此技术的技术人员所做的任何变相的修饰与变形，仍属于本发明的保护范畴。
权利要求
1.一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，特征在于其构成包括电弧输出电源(I)、电弧电流采集传感器(2)、光谱仪(3)、二维移动平台(4)、运动控制板卡(5)、光谱仪硬件触发电路(6)、步进电机驱动器(7)和计算机(8)，上述部件的连接关系如下所述的电弧输出电源(I)的一端与放电电极相连，另一端经所述的电弧电流采集传感器(2)与所述的放电电极相对的物体相连，该电弧电流采集传感器(2)的输出端接所述的光谱仪硬件触发电路(6)的第一输入端，该光谱仪硬件触发电路(6)的第二输入端接所述的运动控制板卡(5)，该光谱仪硬件触发电路(6)的输出端与所述的光谱仪(3)输入端相连，该光谱仪(3)的光纤探头固定在所述的二维移动平台(4)上，该光谱仪(3)的输出端接所述的计算机(8)的输入端，所述的运动控制板卡(5)经所述的步进电机驱动器(7)与所述的二维移动平台(4)的Z向运动电机和Y向运动电机相连；所述的电弧输出电源(I)输出电弧电流信号经所述的电弧电流采集传感器(2)转换为 (T4V电压信号输出至所述的光谱仪硬件触发电路(6)第一输入端；所述的运动控制板卡(5)向所述的步进电机驱动器(7)输出驱动信号，驱动所述的Z向步进电机和Y向步进电机步进运动，带动所述的二维移动平台(4)及其光谱仪(3)的光纤探头在YZ 二维平面内运动扫描，所述的运动控制板卡(5)向所述的光谱仪硬件触发电路(6) 第二输入端输入光纤探头的运动状态脉冲信号；所述的光谱仪硬件触发电路(6)对所述的电弧电流采集传感器(2)的电电压信号进行判断和识别电弧电流状态，与来自所述的运动控制板卡(5)的光谱仪(3)的光纤探头的运动状态脉冲信号经过逻辑与运算后，向所述的光谱仪(3)输入触发脉冲信号，同步触发所述的光谱仪(3)的光纤探头实现平面动态电弧光谱的采集；保证电机连续扫描一个电弧平面，并在停止状态时所述的光谱仪(3)采集对应位置和对应状态的电弧光谱信号并输入给所述的计算机(8)。
2.根据权利要求I所述的平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，其特征在于，所述的光谱仪硬件触发电路(6)包括电压放大电路(61)、电压比较电路(62)、单稳电路(63)、 选择开关电路(64 )、或门电路(65 )和与门电路(66 );来自所述的电弧电流采集传感器(2)的电压信号经过所述的电压放大电路(61)放大到-15疒+15V范围，经过所述的电压比较电路(62)分为峰值状态、基值状态和负状态，该三种状态经过所述的单稳电路(63)输出三种状态的单稳脉冲，所述的选择开关电路(64)将该三种状态通断给所述的或门电路(65)，该或门电路(65)输出的电弧电流状态脉冲信号与所述的运动控制卡(5)输出的光纤探头的运动状态脉冲信号，经所述的与门电路(66)输出触发脉冲信号给所述的光谱仪(3)。
3.根据权利要求I所述的平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，其特征在于，所述的二维移动平台(4)包括Z向运动导轨,Z向步进电机,Y向运动导轨，Y向步进电机和光纤探头固定架；所述的Y向步进电机通过第一滚轴丝杠与Y向运动导轨相连，所述的Z向运动导轨固定在Y向运动导轨之上，所述的Z向步进电机通过第二滚轴丝杠与Z向运动导轨相连；所述的光纤探头固定架与所述的Z向运动导轨相连。
4.根据权利要求3所述的平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，其特征在于，在所述的Y向步进电机处于运动状态时所述的运动控制板卡(5)输出低电平，在所述的Y向步进电机处于停止状态时该运动控制板卡(5 )输出高电平。
全文摘要
本发明公开了一种平面动态电弧光谱同步实时扫描采集装置，包括电弧输出电源、电弧电流采集传感器、光谱仪、二维移动平台、运动控制板卡、光谱仪硬件触发电路、步进电机驱动器和计算机；电弧输出电源输出电流经电弧电流采集传感器输出到光谱仪硬件触发电路，运动控制板卡输出步进电机的驱动信号带动固定在二维移动平台上的光纤探头在二维平面移动，同时在运行过程中运动控制板卡向硬件触发电路输入运动或停止状态脉冲信号，硬件触发电路通过对电流进行识别判断与状态选择，输出触发脉冲信号。本发明实现了面动态电弧光谱同步实时扫描采集，保证电机连续扫描一个电弧平面，并在停止状态光谱仪采集对应位置和对应状态电弧光谱信号。
文档编号G01J3/28GK102607700SQ20121005640
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者华学明, 张旺, 李芳 , 潘成刚, 袁磊 申请人:上海交通大学