基于光電信息檢測(cè)的激光等離子體波動(dòng)性分析

1、基于光電信息檢測(cè)的激光等離子體波動(dòng)性分卅指導(dǎo)教師：楊立軍項(xiàng)目組成員：張志豪、王騰一、項(xiàng)目選題的背景激光焊以其熱輸入小、變形小等優(yōu)點(diǎn)倍受關(guān)注。等離子體的產(chǎn)生是激光焊過程中重要的物理現(xiàn)象，其與激光的相互作用對(duì)焊接過程有 直接影響，該等離子體也稱激光等離子體，其中包含了溫度、密度等 大量反映激光焊過程的信息，對(duì)激光等離子體的研究具有重要的實(shí)際 意義。激光等離子體的研究方法有多種，其中光譜診斷法為眾多研究 人員所采用，是較為成熟的方法。但是，光譜診斷無論是寬頻譜還是 窄頻譜都是頻域檢測(cè)，而非時(shí)域檢測(cè)，即使進(jìn)行連續(xù)光譜檢測(cè)，由于 光譜數(shù)據(jù)判讀與處理時(shí)間的限制等原因也不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)

2、焊接過程中激光等離子體的聲、光信號(hào)研究較多，而對(duì)電信號(hào)的研究相對(duì)較少。在等離子體電信號(hào)檢測(cè)的方 法和手段中以langmuir探針應(yīng)用最廣，這是一種有源探針，適合穩(wěn) 態(tài)等離子體的檢測(cè)。但激光焊等離子體具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，波動(dòng)頻率 較高，這就需要一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)等離子體波動(dòng)特征的檢測(cè)方法。二、項(xiàng)目組成員分工項(xiàng)目組指導(dǎo)老師為楊立軍老師，主要成員有張志豪和王騰。三、創(chuàng)新點(diǎn)目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)焊接過程中激光等離子體的聲、光信號(hào) 研究較多，而對(duì)電信號(hào)的研究相對(duì)較少。本課題采用無源電探針探測(cè) 方法，采用無源探針和所建立的光電同步檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行同步光電檢 測(cè)。利用無源電探針實(shí)時(shí)檢測(cè)具有波動(dòng)性的激光等離子體電信

3、號(hào)，依 據(jù)等離子鞘層理論計(jì)算等離子體溫度，可以連續(xù)實(shí)時(shí)反映等離子體內(nèi) 溫度的變化，又可以做為時(shí)間參照，在此基礎(chǔ)上研究空間光譜檢測(cè)豐 富的信息內(nèi)容，同步的光譜探測(cè)診斷結(jié)果同時(shí)作為驗(yàn)證的依據(jù)。本項(xiàng)目的主要意義在于：提供一種比較準(zhǔn)確使用的研究等離子體 的方法。四、項(xiàng)目實(shí)施的進(jìn)展情況及取得的創(chuàng)新成果本項(xiàng)目采用光電同步采集系統(tǒng)對(duì)激光焊接光致等離子體進(jìn)行研 究，利用無源電探針和光纖式光譜儀探測(cè)光致等離子體，利用等離子 鞘層理論分析電信號(hào)，并運(yùn)用相對(duì)光強(qiáng)法計(jì)算出光致等離子體的電子 溫度，比較同步光電信號(hào)分析結(jié)果。將不涂覆表面物質(zhì)以及表面分別涂覆kf、tio2三種情況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)影響結(jié)果準(zhǔn)確性 的

4、因素進(jìn)行研究。放大電豁tt.k £ h t圖1同步采集系統(tǒng)示意圖fig. 1 schematic representation of the experimental setup激光焊接光電同步采集系統(tǒng)如圖1所示，光譜儀附有數(shù)字式i/o 接口，可以提供外觸發(fā)功能，此功能對(duì)實(shí)現(xiàn)多信號(hào)同步采集提供了基 礎(chǔ)。光譜儀外部觸發(fā)采樣的觸發(fā)方式為ttl脈沖上升沿觸發(fā)，光譜儀 每接收到一次外部觸發(fā)信號(hào)即采集一幅光譜圖。電探針信號(hào)經(jīng)過放大 后輸入到采集卡，計(jì)算機(jī)發(fā)出同步觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)光譜儀采集光譜數(shù) 據(jù)。以同步脈沖序列作為時(shí)間基準(zhǔn)，所采集的電信號(hào)和光譜信號(hào)被計(jì) 算機(jī)存貯用于結(jié)果分析。采集到的電信號(hào)經(jīng)過

5、降噪處理還原成光致等 離子體的原始電信號(hào)。為保證焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，采用相同的參數(shù) 進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與分析，得到可信的同步數(shù)據(jù)。首先，我們進(jìn)行了電信號(hào)的分析，主要理論依據(jù)為等離子體鞘層理論.等離子體鞘層理論認(rèn)為當(dāng)物體表面正離子與電子流密度相等 時(shí)，物體表面的負(fù)電位數(shù)值不再改變，即形成了等離子體“鞘層”。 等離子“鞘層”建立之后，離子流密度與電子流密度相等。根據(jù)以往 的研究，物體表面的負(fù)電位可以表示為：ew"（學(xué)）in （旦）（1）4e mc式中，ew為電位，k為boltzmann常數(shù)，t為絕對(duì)溫度，mi為離子質(zhì) 量，me為電子質(zhì)量。因此電信號(hào)可以用來計(jì)算等離子體內(nèi)電

6、子溫度。spectrum 2spectrum 1 1 spectrum 3 3 4j 25 o圖2是在上述條件下電探針采集到的等離子體電信號(hào)。從圖中可 以看出，探針采集到的電壓信號(hào)均為負(fù)值，鞘層電壓最低值為-1.09v, 平均值約為-0. 75o電信號(hào)有明顯波動(dòng)。然后，我們進(jìn)行了電信號(hào)與光譜信號(hào)的對(duì)比分析。為驗(yàn)證由電探針探測(cè)電信號(hào)的計(jì)算結(jié)果，本研究通過同步光譜信號(hào)計(jì)算電子溫度與 電信號(hào)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。在光譜診斷中利用相對(duì)光強(qiáng)法計(jì)算等離子體溫度。選取兩條相同元素的不同譜線，可得兩條譜線的強(qiáng)度比為:g|a&2 exp(_e|_e2)i2 g2a2xj f kt其中，gl、g2為兩能態(tài)的統(tǒng)

7、計(jì)權(quán)重，al、a2分別為兩能態(tài)的躍遷幾率，久1、久2為波長(zhǎng)，el、e2為激發(fā)電位，k為boltzmann常數(shù)，t為絕對(duì)溫度。對(duì)(2)式兩邊取對(duì)數(shù)并整理可得到相對(duì)光強(qiáng)法計(jì)算公式:0.6247( e|-e?)lg( g.a,/g2a2)-lg( x./x2)-lg( i./i2)g 2 2 g goog65605550454035 (s b)420425430435wavelength (nm)圖3 q235激光焊特征譜段標(biāo)定圖3所示為光致等離子體在波長(zhǎng)范圍420-435nm的譜線強(qiáng)度一波 長(zhǎng)圖，圖中對(duì)不同波長(zhǎng)的譜線進(jìn)行了標(biāo)定。選擇兩條fel譜線 (429. 09mn, 430. 49nm)進(jìn)行計(jì)

8、算，計(jì)算所采用的光譜學(xué)參數(shù)如表1所 不o表1選定的fel譜線光譜學(xué)參數(shù)入(nm)ms'1)e(cm")gref429.0938300046137.17nist430.4930600047008.3711nist將表1中數(shù)據(jù)與同步檢測(cè)的相應(yīng)光強(qiáng)值帶入式(3),可求得不同 時(shí)刻的電子溫度。以同步脈沖序列為時(shí)間參照，將對(duì)應(yīng)時(shí)刻由光譜診 斷得到的電子溫度與公式(1)計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。光誥計(jì)算結(jié)果 光誥計(jì)并結(jié)果擬合 電信號(hào)汁算結(jié)果o&5 0.70 0.75 -0.80 -0.85 0.90 0 95 -1.00 -1.05voltage (v)圖4電信號(hào)計(jì)算結(jié)果與

9、光譜診斷結(jié)果比較式(1)所反映的電子溫度與電位的關(guān)系如圖4虛線所示。由式(1) 可知k、e、me均為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量值ew 定時(shí)電子溫度t的計(jì)算結(jié)果 只與離子質(zhì)量mi有關(guān)。q235激光焊等離子體測(cè)量點(diǎn)處正離子以fe 離子為主，電探針?biāo)谖恢玫入x子體正離子幾乎全部為fe離子，即 可以認(rèn)為mi=mife, mife為fe離子質(zhì)量。將光譜計(jì)算得到的電子溫 度進(jìn)行擬合得到圖4所示實(shí)線，可以看出擬合結(jié)果幾乎與電信號(hào)計(jì)算 結(jié)果重合，在所測(cè)溫度范圍內(nèi)誤差不超過1.5%,說明了上述計(jì)算方 法是可行的。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證光電信息的相關(guān)性，以及mi對(duì)電信號(hào)計(jì) 算結(jié)果的影響，本研究借鑒了活性激光焊的方法，在試件表面分

10、別涂覆kf和ti02,并在相同條件下進(jìn)行激光焊光電同步采集實(shí)驗(yàn)。8time ($)ao£qqq.1-1 (>a)6$o>(>(a)涂覆kf(b)涂覆tio2圖5涂覆kf和ti02后的電信號(hào)圖5為表面涂覆kf和ti02之后電探針采集到的電信號(hào)。與圖2相比表面涂覆kf和ti02之后電信號(hào)均有降低(絕對(duì)值增大)，波動(dòng)頻率上升，其中涂覆kf組波動(dòng)頻率大幅度上升。402404405406(nsscnoo25000涂覆tio2500004000030000200001000030000涂覆kf403(ne) scnoo(9pgo$ c2000015000100001500010

11、00025000(nsscnoo405404403024406wavelength (nm)圖6涂覆kf和tio?之后光譜對(duì)比從圖6中可以看出，涂覆kf和ti02后，在相應(yīng)的激發(fā)譜線中，分別監(jiān)測(cè)到了少量ki譜線和t訂譜線，說明探測(cè)點(diǎn)處混有除fe離子之外的其他正離子。公式(1)仍采用mife進(jìn)行計(jì)算，得到圖7結(jié)果。光譜計(jì)休結(jié)果 光譜計(jì)算結(jié)果擬合 血信號(hào)計(jì)嫁結(jié)果光譜計(jì)算結(jié)果 光譜計(jì)兌結(jié)果擬合 電信號(hào)計(jì)冤結(jié)果2500 4一i-_i_一i-_i_一i_280)-1一".一|_|_|_|一一|_»0607-0.8-0.9-1.0-1.10700750800 85090095voltage (v)voltage (v)(a)涂覆kf(b)涂覆tio2圖7涂覆kf和tio2z后電信號(hào)計(jì)算結(jié)果與光譜診斷結(jié)果比較從圖7中可以看到，表面涂覆kf和ti02后，電子溫度較之前明 顯提髙，而且圖7(a)中，電子溫度較為集中，尤其在3400k-3800k 溫度區(qū)間分布密集，這與圖(5)電信號(hào)反映出的規(guī)律是一致的。但是 由電信號(hào)計(jì)算得到的等離子體溫度與光譜計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了一定偏差， 一致性下降。其中表面涂覆kf后電信號(hào)計(jì)算結(jié)果在測(cè)量溫度范圍內(nèi) 最大誤差約為5. 3%,涂覆ti02后電信號(hào)計(jì)算結(jié)果在測(cè)量溫度范最大誤差約為2. 5%o 實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：(1) 所建立的光電同步采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了激光