1 中国核工业二三建设有限公司, 核工业工程研究设计有限公司, 中核集团高效智能化焊接重点实验室, 北京 101300
2 天津大学材料科学与工程学院, 天津市现代连接技术重点实验室, 天津 300350
3 绍兴市特种设备检测院, 绍兴市特种设备智能检测与评价重点实验室, 浙江 绍兴 312071
针对ER316L不锈钢激光填丝焊过程中因送丝不稳定导致的焊缝质量问题, 提出了基于光致等离子体发射光谱诊断的在线监测方法, 构建了焊缝质量预测模型, 对实现焊接过程自适应控制和激光焊接智能化有重要意义。 为深入研究激光焊中激光与焊材的相互作用机制, 进行了激光自熔焊、 激光填丝焊试验, 同步采集了光致等离子体的光谱信息, 并与TIG焊工艺下的电弧光谱进行了对比分析。 结果表明激光自熔焊时光谱由连续谱和强度较弱的Fe Ⅰ 636.44 nm、 Cr Ⅰ 427.48 nm线谱组成; 激光填丝焊时辐射光强显著增加, 并产生大量Cr Ⅰ谱线; 电弧光谱包含大量的Ar Ⅰ、 Ar Ⅱ谱线及少量的Fe Ⅰ谱线。 根据Boltzmann作图法和Stark展宽法, 求得激光填丝焊时光致等离子体电子温度为5 024.9 K, 电子密度为2.375×1016 cm-3, 满足局部热力学平衡状态。 在此基础上, 深入探究了激光焊接质量与光谱特征参量的内在联系。 结果表明, 谱线强度和电子温度与焊缝质量有很强的相关性。 当成形良好时, Cr Ⅰ谱线强度数值较高, Fe Ⅰ谱线强度较低, 电子温度在小范围内稳态波动; 当产生偏丝缺陷时, Cr Ⅰ谱线强度较低, 而Fe Ⅰ谱线强度较高, 电子温度急剧变化。 以平滑去噪处理后的Cr Ⅰ 529.83 nm谱线强度、 Fe Ⅰ 636.44 nm谱线强度和电子温度为输入, 构建单隐含层神经网络焊缝质量分类模型, 识别成形良好和偏丝缺陷两种状态, 测试10次的平均准确率为88%。 采用t分布随机邻域嵌入算法对光谱数据进行维数约简, 以得到的3维嵌入向量为输入特征, 采用同样的神经网络结构进行焊缝质量模式识别, 平均准确率为97%。 结果表明, 对光谱数据进行降维处理得到的特征包含了线谱和连续谱信息, 比人为选取的特征线谱更能准确表征焊缝质量。
激光填丝焊 光谱诊断 特征提取 机器学习 预测模型 Laser wire filling welding Spectral diagnosis Feature extraction Machine learning Prediction model 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1927
1 宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室, 宁夏 银川 750021
2 华东理工大学洁净煤技术研究所, 上海 200237
碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物, 其对人类健康、 空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。 碳烟生成是一个复杂的物理化学过程, 控制碳烟排放, 需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异, 这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。 近些年, 研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究, 对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。 结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程, 确定碳烟颗粒分子组成、 精细结构、 浓度分布等特征, 也可从碳烟结构变化、 黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。 该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势, 探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。 主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、 生长到颗粒生成、 凝聚, 最后进行颗粒氧化)。 总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状, 包括对碳烟体积分数、 温度和基于图像处理的碳烟结构表征, 反应碳烟前驱体(多环芳烃)、 反应气氛、 温度等对碳烟颗粒物生成的影响。 最后, 对光谱诊断方法在碳烟中的应用进行展望。 未来光谱诊断方法将会呈现对碳烟生成化学反应机理进行更细致准确的研究、 降低不均匀碳烟对火焰图像造成影响、 优化光谱诊断测量方法对火焰中多种气体组分及生成碳烟浓度进行同时采集和实时在线监测等发展趋势。 光谱诊断方法和图像分析在均相燃烧火焰碳烟中的分析将为推动清洁燃烧和为非均相流动领域研究提供思路并具有重要的科学指导意义。
烃类火焰 光谱诊断 碳烟 形成机理 Hydrocarbon flame Spectral diagnosis Soot Formation mechanism
1 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 河北工业大学, 天津 300130
3 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
4 等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地, 中国科学院电工研究所, 北京 100190
化学气体毒剂杀伤快、 易扩散、 难处置, 一旦使用或泄露将对****和社会稳定造成巨大威胁, 因此有必要发展一种可以现场实时检测化学毒害气体的方法。 目前, 传统气体检测方法主要包括红外吸收光谱、 气相色谱/质谱、 离子迁移谱和各种气体传感器等, 但其便携性、 灵敏度、 广谱性难以兼得, 无法完全满足现场检测需求。 基于发射光谱(OES)响应快、 灵敏度高、 广谱性好、 可重复性强的独特优势, 提出了一种大气压低温等离子体发射光谱检测技术。 分别以纳秒高压脉冲、 直流自脉冲和微波作为等离子体激励源, 使用毒性较小的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为沙林模拟剂进行发射光谱检测; 以乙醇作为环境有机干扰物, 对乙醇与DMMP光谱进行了主成分分析; 并探究了放电脉冲频率与特征光谱强度的关系。 结果表明, 三种激励源产生的等离子体都可辨别出DMMP特征光谱: P原子特征谱线波长为213.82和215.09 nm, PO基团谱带波长为253.67和255.6 nm。 光谱识别度方面, 使用微波激励源时DMMP特征光谱最为明显, 而使用纳秒脉冲与直流自脉冲激励源时光谱连续本底强烈。 方法适用性方面, 微波等离子体无电极污染、 但需要氩气维持, 可作为建立毒害气体发射光谱数据库的手段; 而纳秒脉冲与直流自脉冲激励源可在常压空气环境中直接检测。 三种激励形式下等离子体区域都存在气体加热效应, 微波等离子体气体温度最高(约1 300 K), 而纳秒脉冲和直流自脉冲放电气体温度相近(分别约为980和880 K)。 研究发现, 提升脉冲重复频率可以显著增加DMMP特征光谱强度, 其与脉冲频率在1~40 kHz内呈线性关系(相关系数大于0.98)。 所提出的大气压等离子体发射光谱检测方法具有响应快、 操作简单等优点, 可扩展性强、 具有小型化潜力, 为毒害气体快速检测装备研发提供了技术参考。
大气压等离子体 光谱诊断 气体检测 Atmospheric pressure plasma Spectral diagnosis Gas detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1728
1 北京理工大学 物理学院，北京 100081
2 重庆大学 电气工程学院，重庆 400044
开展了J量级系统储能下电脉冲参数对水中火花放电特性影响研究。驱动源采用参数可调的固态重频纳秒脉冲电源，放电负载为水中针-板结构（间距1 mm），在低重频条件（约5 Hz）下进行实验。通过调节放电参数、拍摄高速阴影图像、光谱诊断以及声信号测量，研究水中脉冲放电的物理特性，得到不同放电参数下放电演化规律及其对声学、光谱特性影响。实验发现：在J量级储能下，放电通道连通两极后，回路电流在几百ns内快速上升至10 A左右，随后缓慢下降，持续50～60 μs。发现预设脉宽对放电影响较大，短脉宽条件下放电会被电源固态开关强制截断出现反向放电，而长脉宽条件下放电通道在后期变得不稳定甚至熄弧中断，出现气泡中二次放电现象。辐射光谱揭示了更多等离子体信息，推断通道电子密度在1018 cm−3量级，随着脉宽增加，特征谱线强度增加，表明活性粒子数密度增加，但粒子种类不变。短脉冲（＜150 μs）作用下产生的脉冲声波的特征宽度在110～150 μs，而当脉宽继续增大，声波脉宽并不继续增加而是保持不变，保持在150 μs左右。研究结果对水中小能量火花放电的机理研究有一定参考价值，为水声学、液相等离子体等领域的应用提供思路。
水中放电 等离子体 图像诊断 光谱诊断 声波与冲击波 discharge in water plasma image diagnosis spectral diagnosis sound and shock waves 强激光与粒子束
2022, 34(9): 095006
Author Affiliations
Abstract
1 School of Resources and Environment, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
2 Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai Engineering Research Center of Space Engine, Shanghai 201112, China
In this paper, a new optical analysis method for plasma characterization is proposed. Plasma characteristics are obtained directly by measuring the plasma luminous color, rather than the complex spectral diagnosis method, which is difficult to obtain at high speed. By using the light transmittance curve of the human cornea, the RGB coordinates are calculated from the measured plasma spectrum data. Plasma characteristics are diagnosed using the Boltzmann plot method and the Stark broadening method. The corresponding relationship of the electron temperature, electron density data points, and luminous color is established and analyzed. Our research results indicate that this optical analysis method is feasible and promising for fast plasma characterization.
optical analysis method plasma characteristics spectral diagnosis high-speed miniaturized actuator Chinese Optics Letters
2022, 20(7): 073001
1 天津大学材料科学与工程学院, 天津 300350
2 天津大学天津市现代连接技术重点实验室, 天津 300350
对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。 利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片, 对高速摄像图片进行分析, 发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象, 导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式, 在脉冲峰值电流较小的50/100 A电流参数下, 出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。 熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布, 利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。 利用点阵法测量得到各点光谱数据, 根据Boltzmann图法计算各点温度, 将各点温度拟合得到完整电弧温度场, 结果表明, 焊丝从钨极轴线前(左)侧送入, 吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用, 电弧前侧温度低于电弧后(右)侧, 电弧前侧尺寸稍小于后侧; 随着熔敷层数增加, 降低峰值电流, 电弧收缩, 高温区面积相对减小, 低温区面积相对增大。 电弧最高温度区域出现在钨极下方1~2 mm的范围, 大约为13 000~15 000 K, 脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。 在脉冲基值电流时期, 由于电流小, 电弧面积相比于峰值时期要小得多, 焊丝与电弧相互作用减弱, 电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。 选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6 nm谱线对其分布点进行标记, 拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况, 结果表明, 电流越小, 药粉运动高度越低, 在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上, 在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下 Na元素均偏电弧后侧分布, 说明焊丝自电弧前侧送入熔池后, 在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象, 而是进入熔池进行冶金反应。 接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题, 电弧较为稳定, 避免药粉喷发损伤钨极, 熔敷过程稳定进行。
药芯焊丝 脉冲TIG增材制造 光谱诊断 高速摄像 电弧特性 Flux-cored wire Pulsed TIG additive manufacturing Spectral diagnosis High speed imaging Arc characteristic 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2397
1 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁 大连 116023
2 大连民族大学机电信息工程学院, 辽宁 大连 116605
3 沈阳航空航天大学航空航天工程学院, 辽宁 沈阳 110136
由于具有工作气压高、 放电均匀等特点, 大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。 电极结构是电离特性的主要影响因素之一, 因此, 通过电极结构优化来改善电离特性, 对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。 为改善大气压介质阻挡放电的电离特性, 产生高活性、 高均匀性的低温等离子体, 基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断; 在一个标准大气压、 放电频率11.4 kHz、 放电峰值电压5.4～13.4 kV条件下进行了氩气电离试验; 采用原子发射光谱法(AES) 对氩等离子体谱线的激发、 分光进行了检测分析; 研究了螺纹电极、 齿状电极、 圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。 结果表明, 齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著, 电子平均能量利用率低, 电子激励温度弱于圆柱电极; 圆柱电极放电强度较弱, 但易形成大面积均匀性等离子体; 大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加, 这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给, 而是取决于电极结构、 气体组份、 气体压强; 增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量, 经整合电子激励温度可达3 500 K, 符合典型的低温等离子体特征。
大气压 介质阻挡放电 电极结构 光谱诊断 电子激励温度 Atmospheric pressure Dielectric barrier discharge Electrode structure Spectral diagnosis Electron excitation temperature
1 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室, 上海 200240
2 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海 200240
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。
多丝GMAW 光谱分析 电子温度 电子密度 Multi-wire GMAW Spectral diagnosis Electron temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2018, 38(7): 1993
在空气和氩气的混合气体介质阻挡放电中, 得到了白眼斑图, 其晶胞是由一个封闭六边形包围一个亮点所组成。 观察发现, 该斑图单个晶胞上中心点、 六边形顶点及六边形边上呈现出三种不同的亮暗状态。 该工作利用光谱方法, 分别对白眼斑图单个晶胞以上三处的振动温度进行了测量, 并研究了它们随氩气含量的变化。 振动温度是根据氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算的。 结果表明: 白眼斑图中的中心点、 六边形的顶点以及六边形边上中点的振动温度依次升高, 且均随氩气含量的增加而减小。
介质阻挡放电 白眼斑图 振动温度 光谱诊断 Dielectric barrier discharge White-eye pattern Vibrational temperature Spectral diagnosis 光谱学与光谱分析
2012, 32(10): 2620
1 河北大学物理科学与技术学院,河北 保定 071002
2 河北大学体育教研部,河北 保定 071002
分别采用Holtsmark,Neutral Point,Nearest-Neighbor和Mayer模型微场分布函数对Stark线型进行了研究,进而得到相应微场函数下的Stark加宽和频移,研究了4种不同的微场分布函数对Stark加宽和频移的影响。研究结果表明,在电子加宽参数不变时,4种微场分布函数对Stark加宽和频移的影响随离子加宽参数的增加而增加;在离子加宽参数不变时,4种微场分布函数对Stark加宽和频移的影响随电子加宽参数的增加而增加;特别是,当离子加宽参数较大时,Mayer模型微场分布函数对Stark加宽和频移的影响异常明显。这说明,微场分布函数对谱线的加宽和频移的影响在离子与离子碰撞剧烈的等离子体环境中尤其显著,在这样的等离子体环境中,进行等离子体诊断时,选择合适的微场分布函数非常重要。结果对等离子体诊断有一定参考价值。
光谱学 Stark加宽 微场分布函数 光谱诊断 Spectroscopy Stark Broadening Microfield distribution function Spectral diagnosis 光谱学与光谱分析
2009, 29(12): 3208
