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非轴对称电弧瞬时温度场测量方法研究

李元锋  
【摘要】:标准温度法是电弧等离子体重要的光谱测温理论。伴随高速视觉技术的发展,研究人员基于标准温度法测温原理将先进的高速摄像与窄带滤光片相结合,通过一张相机采集的特征谱图像就可计算电弧全场温度。这种方法因具有良好的时、空分辨率而被广泛应用于焊接电弧温度测量,然而目前大部分研究都是基于位置固定的静态电弧,对焊接过程中的动态电弧进行自适应瞬时温度测量目前还不易实现,需要对传统的测量方法在两个方面进行改进。一方面是测量系统能够实现对非轴对称电弧等离子体的测量,焊接过程中的动态电弧或者是新型的多电极非轴对称电弧,其形态已经脱离了柱对称分布,传统的标准温度法测温技术已经无法测量;另一方面能够自动实现图像亮度向温度信息的自适应转换,因为谱线的发射系数与温度的对应关系不是线性变化的,传统的标准温度法只能通过人为假设电弧高温区位置来计算电弧温度。本文也针对这两方面展开研究,并提出一种非轴对称电弧瞬时温度场测量方法。为实现焊接电弧的自适应测温,基于标准温度法提出了一套基于双特征谱线的电弧温度自动测量理论,融合外层低温区域的ArI谱线发射系数场和弧柱高温区域的ArII特征谱线发射系数场,用达到ArI谱线标准温度的位置处的ArII谱线发射系数来判断高温区,继而用ArI谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别拟合电弧温度。并根据这种温度计算方法设计了一种双特征谱图像采集模块,通过同步触发装置使两台CMOS相机通过不同窄带滤光片同时采集电弧的两条谱线信息。以150A电流下的TIG电弧为测量目标,通过分析实验数据,证明了双特征谱线标准温度法和双特征谱图像采集模块的可行性。测量非轴对称电弧需要采集多个方位角下的投影信息,再重建成三维的非轴对称发射系数场,由相机直接记录的灰度图像是电弧内部发射系数场在拍摄方向上的投影。其中电弧发射系数场3D重建是重要的测量步骤,因此本文基于CT重建技术对非轴对称电弧重建展开研究,开发了一套迭代重建算法程序,根据相关的电弧等离子体边界特征和内部发射系数分布特征,在算法的迭代过程中加入修正条件,在投影数据稀疏和噪声能量高的情况下重建发射系数场。然后用模拟重建的方式,对所提出的重建算法进行了验证,并且研究了精准重建电弧所需要的最少投影角度数量。为采集多个方位角下的电弧投影信息,本文建立了一种基于反射镜的多角度图像采集模块,利用反射镜将不同角度的投影同时汇聚在同一平面位置处,在低成本条件下实现了多角度投影的采集,并且保证了测量的精度。然后将多角度图像采集模块与双特征谱图像采集模块整合,使得ArI和ArII谱线的在不同角度的投影同时被两台相机记录在两幅不同灰度图像中。最后基于测量系统,利用Matlab软件实现了一整套电弧温度计算流程,包括图像滤波,背景降噪,投影分割提取,三维发射系数场重建和电弧温度计算,整个计算过程通过软件自行完成,进一步完善了所提出的非轴对称电弧瞬时温度场测量方法。实验中对80、120A和150A电流下的直流TIG电弧进行了测量。ArII谱线光面积约为ArI谱线的2/3,另外ArII谱线的谱线的发射系数受温度影响变化较为剧烈。随着焊接电流的增加,电弧内部最高温度上升,电弧温度场也逐渐向外扩展。同时实验也证明了本文所提出的的测量方法有效解决了温度自适应计算和非轴对称电弧测量两方面问题,为实现电弧温度在线测量提供了一套完整的解决方案。


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