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 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
4 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽 合肥 230009
电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数, 在托卡马克先进运行模式发展, 电流驱动, 约束与输运等方面发挥着重要的作用。 中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱, 包括σ分量与π分量, 水平观测时, σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向, π分量的偏振方向平行于等效电场的方向, 通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。 基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、 时间响应迅速的独特优点, 非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。 光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变, 其折射率会产生周期性的变化, 当偏振光通过时, 出射光的偏振特性将相应产生周期性变化, 再经过偏振片, 形成调制的光强变化。 运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成, 通过检测不同调制频率的调制强度的比值, 从而快速、 精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化, 进而得到等离子体电流密度分布。 详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断, 初步完成了离线测试与标定, 参与中性束电流本文驱动物理实验, 初步获得了等离子体电流密度分布的信息。
光谱诊断 偏振检测 光弹调制器 Spectroscopic diagnostics Polarization detection Photoelastic modulators
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
1 重庆邮电大学光电工程学院, 重庆 400065
2 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
3 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
基于晶体衍射的X射线诊断技术是大型激光装置及同步辐射装置上X射线光谱学诊断、材料分析与结构表征等研究领域中获取关键状态参数的重要技术手段。基于动力学衍射理论的晶体衍射效率计算分析与基于不同面型晶体的谱仪结构设计是X射线晶体谱仪的两大基础研究方向。对X射线动力学衍射理论等经典晶体衍射理论、不同晶体对象衍射计算方法的发展来由和最新进展进行了总结讨论;对不同结构X射线晶体谱仪的衍射聚焦特性、发展及应用进行了讨论;综合阐述X射线晶体谱仪涉及的X射线晶体衍射理论及各种谱仪衍射聚焦特性方面的创新点和进步点以及总体发展态势。
光学学报
2022, 42(11): 1134008
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
华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但缺乏对其机理方面的研究, 利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集, 根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。 在此基础上, 通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号, 对采集的光谱信号进行分析, 标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线, 为了保证计算结果的准确性和可靠性, 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理, 在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线, 利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度, 同时, 根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线, 结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论, 计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。 计算结果表明: 在引弧的不同时刻, 水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点, 在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值, 到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K; 电子数密度在引弧不同时刻也不同, 同样在引弧5和20 ms出现峰值, 在出现峰值点的时刻, 电流同样出现峰值。 电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势, 验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程, 其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。
水下湿法焊接 电弧光谱诊断 引弧 等离子体温度 电子数密度 Underwater wet welding Arc spectroscopy Arc ignition Plasma temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3404
火焰诊断技术是指运用光谱、 图像、 噪声等传感手段, 获得火焰状态的信息, 通过所获取的信息分析火焰的燃烧和气化状态。 发展燃烧过程诊断和优化火焰诊断方法是燃烧工业面临的挑战之一, 燃烧诊断技术的提升可以更好地监测不同燃料的效率、 可靠性和灵活性。 火焰光谱诊断可以确定火焰的位置、 当量比等宏观性质, 也可以探究火焰自身的特征, 如瞬间产生的物质等。 通过光谱诊断的方法可以更加全面地了解燃烧的过程。 由于激光诊断方法具有系统复杂、 环境要求严格等缺点, 基于火焰自发化学发光的检测方法越来越受到人们的重视。 阐述火焰光谱诊断技术的研究进展和发展趋势, 主要介绍了化学发光信号的产生机理, 光谱诊断燃烧中间产物(OH*, CH*和C2*)的化学发光反应机理模型和主要产生路径。 总结了火焰光谱诊断技术在对燃烧中间产物研究中的应用进展, 包括采用化学发光表征热释放速率、 化学发光峰值强度与当量比的关系、 化学发光强度峰值位置对火焰温度峰值位置的表征、 用化学发光图像确定射流火焰的推举高度和基于光谱图像处理的火焰结构表征。 探讨了实际应用中化学发光作为诊断工具在包含额外背景辐射的火焰中受到影响, CH*化学发光的测量被环境中碳烟的黑体辐射遮蔽的问题。 进一步展望了火焰光谱诊断技术在未来的应用前景。 未来光谱诊断的发展将会呈现使用更详细的燃烧机理来提升火焰光谱诊断的准确性、 减小湍流对局部燃烧的影响、 减小不均匀的碳烟对火焰图像准确性造成的影响、 提升摄像机和光谱仪的精度等发展趋势。 化学发光光谱和图像在线测量方法及技术对于推动与燃烧和流动相关领域研究具有重要的科学发展意义和广阔的工程指导意义。
光谱诊断 自由基辐射 化学发光 燃烧中间产物 Spectral diagnostics Radical emission Chemiluminescence Combustion intermediates 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3358
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
