（材料加工工程专业论文）基于激光散射的焊接烟雾粒径测量的研究.pdf

中文摘要 光线在均匀介质中是按直线传播的，但当其通过不均匀介质时，会发生散射， 即光线偏离其直线传播方向的现象。光散射是由吸收、衍射、反射、透射与折射 等共同作用的。激光散射法是一种先进的颗粒粒径测量方法。这种方法具有不干 扰、不接触流场和粒子场、测量的粒子尺寸范围宽、光电转换响应时间短、分辨 能力较高的优点。散射方法由于采用激光这种强相干光源，从而得到很大的发展。 在数据处理方面，可采用电子计算机。因此，激光和计算机相结合，成为现代光 学测试方法的特点。 严格的光散射理论是将光波看作电磁波，在一定的物体形状和尺寸所决定的 边界条件下，对颗粒内部和外部区域的m a x w e l l 方程求解。m i e 理论即是在这种 情况下对均匀球体在平面单色光照射下求得的严格解析解。 本文所进行的激光散射测量实验是基于m i e 散射理论进行的。该理论适用 于粒径小于1 0 岫范围的任意颗粒。在m i e 理论的完整公式中，严格地给出了 不同尺度、不同折射率的粒子的散射特性。基于该理论，本文用h e - n e 激光器、 光电倍增管、示波器、光学透镜等建立了一套适于激光散射的实验光路装置。同 时，考虑到m a t l a b 数值计算软件的强大计算功能，将m i e 理论的计算公式进行 m a t l a b 变换，编译出可用于进行m i e 散射计算的m a t l a b 函数。 为了探究焊接电弧空间微粒的粒径及其分布特点，本文从焊接模拟烟雾着 手，利用所构建的激光散射光路装置，进行标准颗粒和焊接模拟烟雾颗粒的激光 散射实际测量。把实验测量到的标准粒子和焊接模拟烟雾的散射信号电压值代入 编好的m a t l a b 程序中，分别计算出相对光强、相对电压值，最终通过一定的反 推变换，得出了焊接模拟烟雾颗粒的粒径值。 本文为进一步实现焊接烟雾中不同粒子的散射检测打下了坚实的基础。同 时，通过测量焊接模拟烟雾微粒，可延伸到实际焊接烟雾，有助于测量分析焊接 烟雾中有害颗粒状物质，对焊接过程特别是改善焊接环境提高焊接质量有着非常 重大的理论和实践意义。 关键词：激光散射、粒径测量、焊接烟雾、数值计算、m a t l a b 程序 a b s t r a c t t h er a yd i s s e m i n a t e sa l o n gt h es t r a i g h tl i n ei nh o m o g e n e o u sm e d i u m h o w e v e r ， w h e ni tp a s s e sh e t e r o g e n e o u sm e d i u m ，t h er a yw i l ls c a t t e r , t h a ti st os a y , i tw i l lo f f s e t f r o mi t ss t r a i g h td i s s e m e n a t i n gd i r e c t i o n l a s e rs c a t t e r i n gi sac o r p o r a t ep r o c e s so f a b s o r p t i o n ，d i f f r a c t i o n ，r e f l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dr e f r a c t i o n t h el a s e rs c a t t e r i n g m e t h o di sa na d v a n c e dm e t h o df o r p a r t i c l es i z i n g t h i st e c h n i q u eh a sm a n y a d v a n t a g e s s u c ha sn e i t h e rd i s t u r b i n gn o rc o n t a c t i n gt h el i q u i df i e l da n dt h ep a r t i c l e f i e l d ，h a v i n gb r o a dd i m e n s i o nr a n g eo fm e a s u r e dp a r t i c l e ，s h o t tr e s p o n s et i m e o f o p t o e l e c t r o n i cc o n v e r s i o na n dl l i g hr e s o l v i n gp o w e r f o rt h eu s eo fl a s e r , w h i c hi sa s t r o n gc o h e r e n tl i g h ts o u r c e ，t h es c a t t e r i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p e dp r o d i g i o u s s l y a n d i nt h ea s p e c to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h ee l e c t r o n i cc o m p u t e ri si nc o m m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o no fl a s e ra n dc o m p u t e rb e c o m e st h ec h a r a c t e r i s t i co f m o d e r no p t i c a lt e s t i n gm e t h o d t h es t r i c tl i g h ts c a t t e r i n gt h e o r yt a k e st h el i g h t w a v ea se l e c t r o m a g n e t i cw a v e u n d e rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o nd e c i d e db ys t a t e do b j e c tf i g u r ea n dd i m e n s i o n ，t h i s t h e o r yc a nr e s o l v et h em a x w e l le q u a t i o no fb o t hi n n e ra n do u t e rp a r t i c l ea r e a m i e s c a t t e r i n gt h o e r yi sa s t r i c ta n a l y t i c a ls o l u t i o nt oh o m o g e n e o u ss p h e r ei r r a d i a t e db y t h eh o m o c h r o m o u sr a y j u s tu n d e rt h i sc o n d i t i o n t h el a s e rs c a t t e r i n gm e a s u r i n ge x p e r i m e n t sw e r eb a s e do nm i et h e o r yi nt h i s p a p e r t h et h e o r yi sa v a i l a b l ef o re v e r yp a r t i c l ew h o s ed i m e n s i o ni su n d e r1 0u m i n t h ew h o l em i et h e o r yf o r m u l a s ，t h es c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e sw i t h d i f f e r e n td i m e n s i o n sa n dd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e x e sa r es t r i c t l yg i v e n b a s e do nt h i s t h e o r y , as y s t e mo f l i g h tr o a dd e v i c e ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o rl a s e rs c a t t e r i n gh a p p e n i n g ， w a sb u i l tw i t hh e - n el a s e r , p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，o s c i l l o g r a p ha n dl e n s a n d c o n s i d e r i n gt h es 仃o n gc a l c u l a t i n gf u n c t i o no fm a t l a bn u m e f i c a ic a l c u l a t i o ns o f t w a r e ， t h em i et h e o r yf o r m u l a sw e r et r a n s l a t e di n t om a 廿a bf o r m a n ds o m em a a bf u n c t i o n s w h i c hc a nb e u s e dt op e r f o r mm i ec a l c u l a t i o nw e r ec o m p i l e d i no r d e rt os t u d yt h ed i m e n s i o no ft h ep a r t i c l ei nw e l d i n ga r cs p a c ea sw e l la si t s d i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rs t a r t e df r o ms i m u l a t e dw e l d i n gf u m e ，u s e dt h e b u i l tl a s e rs c a t t e r i n gl i g h tr o a dd e v i c ea n dp e r f o r m e dp r a c t i c a lm e a s u r e m e n to nt h e l a s e rs c a t t e r i n go fs t a n d a r dp a r t i c l ea n dt h es i m u l a t e dw e l d i n g 如m ep a r t i c l e t h e n ，t h e i i s c a t t e r i n gs i g n a lv o l t a g ev a l u e so ft h es t a n d a r dp a r t i c l ea n dt h es i m u l a t e dw e l d i n g 如m ep a r t i c l eg o tf r o me x p e r i m e n tm e a s u r e m e n tw e r et a k e ni n t ot h ec o m p i l e dm a t l a b f u n c t i o n s ，a n dt h er e l a t i v el i g h ti n t e n s i t ya n dr e l a t i v ev o l t a g ev a l u e sw e r eo b t a i n e d r e s p e c f i v e ly a tl a s t , b yw a yo fs e v e r a le x 扛a p o l a t i o nc o n v e r s i o n ，t h ed i m e n s i o no f s i m u l a t e dw e l d i n gf u m ew a sg a i n e d af i n nf o u n d a t i o nh a sb e e nl a i di nt h i sp a p e rf o rf u r t h e rl a s e rs c a t t e r i n gt e s t i n go n t h ed i f f e r e n tp a r t i c l e si nw e l d i n gf u m e a tt h es a m et i m e ，a c t u a lw e l d i n gf t l l n ec a nb e e x t e n d e dt ob ek n o w nb yw a yo fm e a s u r i n gs i m u l a t e dw e l d i n gf u m ep a r t i c l e s ，w h i c h h e l p st om e a s u r ea n da n a l y z et h e d e l e t e r i o u sg r a n u l a rp a r t i c l e si nw e l d i n gc l i m e ， e s p e c i a l l yt oi m p r o v ew e l d i n gc o n d i t i o na n d t oe n h a n c ew e l d i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：l a s e rs c a ：t t e r i n g 、p a r t i c l es i z i n g 、w e l d i n gf n l n e 、n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 、 m a t l a b i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：藩吒亏海 签字日期： 洳旷年，月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：簿号嗲 导师签名：誓柱 签字日期：河年 ，月 ，j 日签字目期：b 时年，月，2 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电弧是所有电弧焊接方法的能源，它并不是一般的燃烧现象。实质上，电弧 是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程，或者说是一种气体 放电现象。借助这种特殊的气体放电过程，将电能转换为焊接过程所需的热能、 机械能和光能。焊接时主要利用其热能和机械能来达到连接金属的目的。 1 2 焊接电弧研究的现状 电弧作为热源应用于材料的连接已有一百多年的历史。从二战到上世纪的 6 0 年代中期，包括激光、电子束在内的大部分常用焊接方法都已问世。同时亦 激发了人们对其机理的探索和认识。自1 9 6 2 年由i i w 组织的第一次“焊接电弧 物理研讨会”以来，对这一领域的研究和努力就一直没有停止。其中代表性的著 作有j f l a n c a s t e r 的“1 1 1 ep h y s i c so f w e l d i n g ”【2 j ，安藤弘平、长谷川光雄合著的 “焊接电弧现象”等 3 1 。后者在叙述一般电弧物理现象的基础上叙述了比较复杂 的焊接电弧现象，如短路现象、电弧( 机械) 力、飞溅和弧坑的形成以及手工电 弧、m i g 、c 0 2 和埋弧焊的熔滴过渡现象，介绍了熔滴喷射机构以及低气压或高 气压下的电弧现象，介绍了电弧和母材的熔化现象等等重要问题。同时，i i w 所 属的2 1 2 研究组的会议文献中，不断汇集了各国研究者在焊接电弧领域的最新 工作成果。这些研究成果对于弧焊技术的应用与推广起到了不可低估的启发和指 导作用。 弧焊工艺与设备从交、直流到脉冲、变极性的发展，均以对焊接电弧物理的 认识为基础，而实现了其极大的改进和完善，至今仍作为工业界的主要焊接方法。 然而，与一般气体放电的电弧现象相比，焊接电弧过程的一个基本特征是具有显 著的“电极效应”即电极既是产热机构，又可作为焊接的填充材料或熔池金 属；同时，构成电弧气氛的不仅是保护气体的组分，而且还包括电极材料产生的 金属蒸气。 大气中的电弧现象往往伴随着超高温的问题，很难通过实际测定来进行研 究。尤其是焊接电弧问题，影响因素多而且现象本身也比较复杂。因此，尽管国 内外研究人员已经发表了许多有关焊接电弧的研究文献，但其中不少问题，由于 第一章绪论 1 1 引言 第一童绪论 电弧是所有电弧焊接方法的能源，它并不是一般的燃烧现象。实质上，电弧 是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程。或者说是一种气体 放电现象。借助这种特殊的气体放电过程，将电能转换为焊接过程所需的热能、 机械能和光能。焊接时主要利用其热能和机械能来达到连接金属的目的。 1 2 焊接电弧研究的现状 电弧作为热源应用于材料的连接已有百多年的历史。从二战到上世纪的 6 0 年代中期，包括激光、电子束在内的大部分常用焊接方法部已问世i lj 。同时亦 激发了人们对其机理的探索和认识。自1 9 6 2 年由i i w 组织的第一次“焊接电弧 物理研讨会”以来，对这一领域的研究和努力就一直没有停止。其中代表性的著 作有l e l a n c a s t e r 的“t h ep h y s i t so f w e l d i n g ”f 2 1 ，安藤弘平、长谷川光雄合著的 “焊接电弧现象”等 3 1 。后者在叙述一般电弧物理现象的基础上叙述了比较复杂 的焊接电弧现象，如短路现象、电弧( 机械) 力、飞溅和弧坑的形成以及手工电 弧、m i g 、c 0 2 和埋弧焊的熔滴过渡现象，介绍了熔滴喷射机构以及低气压或高 气压下的电弧现象，介绍了电弧和母材的熔化现象等等重要问题。同时，r l w 所 属的2 1 2 研究组的会议文献中，不断汇集了各国研究者在焊接电弧领域的最新 工作成果。这些研究成果对于弧焊技术的应用与推广起到了不可低估的启发和指 导作用。 弧焊工艺与设备从交、直流到脉冲、变极性的发展，均以对焊接电弧物理的 认识为基础，而实现了其极大的改进和完善，至今仍作为工业界的主要焊接方法。 然而与一般气体放电的电弧现象相比，焊接电弧过程的一个基本特征是具有显 著的“电极效应”即电极既是产热机构，又可作为焊接的填充材料或熔池金 属；同时，构成电弧气氛的不仅是保护气体的组分，而且还包括电极材料产生的 金属蒸气。 大气中的电弧现象往往伴随着超高温的问题，很难通过实际测定来进行研 究。尤其是焊接电弧问题，影响因素多而且现象本身也比较复杂。因此，尽管国 内外研究人员己经发表了许多有关焊接屯弧的研究文献，但其中不少问题，由于 内外研究人员已经发表了许多有关焊接电弧的研究文献，但其中不少问题，由于 第一章绪论 后来所发现的新的实验事实而动摇了它们原有的理论依据，也有一些论点不到几 年就被推翻。也就是说，尽管电弧焊接在工业中已得到了十分广泛的应用，但对 于焊接电弧物理过程及其机理的认识至今仍是相当有限的，尚存许多不明之点， 这正是目前研究焊接电弧的现状。 随着计算机、自动化、电力电子、人工智能控制等新技术的迅速发展，传统 的焊接加工正经历着由基于经验的工艺向制造科学技术的变革。为了满足工业界 对焊接制造提出的“优质”、“高效”、“低耗”的迫切需求，基于现代控制理论和 新型电力电子器件的弧焊设备及其相应的新工艺、新方法不断推出。在理论和认 识的指导方面，具有代表性成果有潘际銮院士的专著“现代弧焊控制”1 4 1 。该书 对弧焊电源的性能分析与控制方法作出了精辟的论述；进行了以q h a r c 为代 表的创新性实践，采用阶梯形、多折线形等外特性来控制焊接过程；对“弧一源” 系统的认识提供了科学的思想方法。与此同时，亦促使焊接电弧物理研究在新的 层次上观测和认识焊接电弧现象与其物理本质之间的关系【5 j 。 作为“弧一源”系统设计重要认识基础之一的电弧伏安特性，以往已有大量 的实验研究和分析结果1 2 j 。一个普遍的认识是：焊接电弧的伏安关系具有在小 电流范围内( 一般指电流在l 5 0 a 的焊接电弧) 的下降特征和在大电流下的平 坦上升特征。对于后者( 大电流条件下的电弧过程) 其热平衡状态接近于或能够 满足m a x w e l l b o l t z m a n n 分布，在此状态下，电子、离子和中性气体的温度是相 同的，可用s a h a 方程【j 坐i ：堡型嬖旦兰c x p ( 二坐)公式( 1 1 ) n o h 船 描述其电离状态。式中h 是普朗克常量，r 是三种粒子的共同热动力学温度，r 是原子的电离电位。该关系表明了电子、离子和中性粒子密度( 挖o ) 之间的关系。 对于前者( 小电流条件下的电弧过程) ，由于在非平衡热力学理论上的困难， 对其状态和机理的认识必需通过物理实验来获取。同时由于在诊断方法和技术手 段上的局限性，使小电流条件下焊接电弧状态及其由下降特征向上升特征的转变 的过渡过程等现象，在概念与机理的描述仍是十分粗糙的和有限的。其中，有两 个唯象学关系对以往的研究具有定的代表性：一是a y r t o n 公式1 6 j ；另是 n o t t i n g h a m 方程j 。 1 9 0 2 年，m r s h e r t h a a y r t o n 夫人发表了】个大气压下空气碳电弧电压一电流 关系。图1 1 给出了不同电弧长度下的电压一电流特性曲线【6 j 。由图可见，在低电 流时，数据单调减小几乎成双曲线的特性；而在高电流时，则转变为所谓的“咝 声”电弧，这是由运行在大气时的噪声而得名的。据此，她提出了现以a y r t o n 命名的公式1 6 j ： 第一章绪论 亿= c l + c 2 l 4 - 与型( v ) 公式( 1 _ 2 ) 其中c l c 4 是常数，上是弧长，是总的电弧电流。该公式建立了小电流条件下 电弧电压、电弧电流和弧长的关系。 长l 图l la y r t o r 报告的一个大气压空气中的碳电弧以不同电极间距的电压- 电流特性 ( 图中左边的负阻抗特性和在较高电流时的模式转换) 稍晚些时候，n o t t i n g h a m 7 1 的研究发现：对恒定长度的大气电弧，电压- 电流 关系能用现已知名的n o t t i n g h a m 方程式来描述： l 柏导( v ) 公式( 1 3 ) 该方程对常压下弧长恒定的电压电流关系作了描述。对于在大气压下的碳电弧， 在各种气体中的常数n 列于表1 1 中。对于气体和电极材料的不同组合， n o t t i n g h a m 方程中的指数h 是阳极材料蒸发温度的线性函数8 1 ， 5 io 趔 錾os o 少 步 c i c 靴。 妙 z f ，o o2 0 0 03 ，0 0 04 - 0 0 05 0 0 0 蒸发温度n 依 图1 - 2n o t t i n g h a m 关系式的指数”与阳极材料蒸发温度的函数关系9 1 皓 巧 w 皓 辐 吣 惦 吣 邛 之b 幽脚甚世 第一章绪论 胛= 2 6 2 x 1 0 。4 正公式( 1 4 ) 其中兀以k 为单位。该效应可如图1 。2 所示，对于碳阳极的指数”= 1 0 ，这与 a y r t o n 方程公式( 1 - 2 ) 一致。现在还没有完全弄清楚指数h 有图1 2 中所示的 直线关系，也不知道为什么阳极的蒸发温度是决定性参量，而不是直观上预料的 应与发射电子的阴极的某些性质有关。s u i t s 稍晚些时候指出，这个关系式对某 些电弧并不成立【1 0 1 。 公式( 1 2 ) 、公式( 1 3 ) 这两个经验公式至今仍是用于分析和理解小电流 条件下焊接电弧现象的一个依据。 表l _ 1 在大气压强下，各种气体中的碳电极，轳向电场公式 n o t t i n g h a m 方程式中的指数月和m 的值 然而，由于在这一电流区间的电弧状态对于熔化极或非熔化极焊接过程的特 殊重要性，例如，引弧和再燃弧，交流电弧( 包括交流方波、变极性等) 的电流 过零现象，微束等离子弧的稳定性，镀层薄钢板的熔焊工艺问题、金属蒸气或活 性元素在该电弧条件下的行为和作用等。因此，以往的经验性认识对当前应用与 发展中的一些重要机理问题已难以给出指导性的解释，直接影响现有弧焊技术的 进一步改进和提高。 从焊接电弧物理研究的任务及其发展的角度，需要为精确的现代控制方法提 供关于控制对象的精确的物理行为和特征。近年来，基于先进测试仪器和分析方 法的出现以及用新的诊断技术获得的研究成果【l 卜1 5 】，使得在新的层次上深入认识 焊接电弧成为可能。从而能够实现关于焊接电弧组成成分尺寸粒径及浓度分布、 小电流非热平衡电弧物理行为及性质的认识进展和知识补充。 1 3 颗粒的粒度及其测量 颗粒状物质的最基本几何性能是粒度，它表示了颗粒的大小。对单一的球状 颗粒，它的直径大小能被精确的测定，而对通常碰到的非球形颗粒，精确的测定 它的粒径则是困难的。事实上，粒径是测量方向与测量方法的函数。为表征颗粒 的大小，通常采用当量粒度。所谓颗粒的当量粒度是指颗粒在某方面与同质的球 体有相同特性的球体直径。相同颗粒，在不同条件下用不同方法测量、其粒度的 结果是不同的。所以需要选择颗粒在过程中最有代表性的粒度的测量方法。表 4 第一章绪论 1 2 是颗粒粒度测量的般方法。由这些方法制成的粒度分析仪器有数百种。 表1 - 2 颗粒粒度测定的常用方法6 1 1 筛分 筛分是应用最广泛的粒度分析方法。它有干筛和湿筛两种操作。在许多实际 应用中，2 0 0 目以下的物料采用湿筛，2 0 0 目以上的物料采用干筛。因为细物料 的表面能与颗粒间的静电力容易使物料团聚，湿筛时，液体能打散团聚颗粒，也 能疏通被堵塞的筛孔。通常用“目”来表示筛孔的大小，“目”指每英寸长度内 具有编织丝的数量。 筛分是一个随机过程，影响颗粒通过筛孔的主要因素有： 颗粒的特性 加到筛上颗粒的数量 筛子振动的方式 筛表面的几何形状与编织方法 颗粒进入筛孔的角度 颗粒在筛上振动的时间 通过筛孔的颗粒与它的形状有很大关系。一般来说，过筛颗粒的横截面积不 得大于筛孔的面积，但对于长度为筛孔宽度的八倍的长条形颗粒，筛分时仍能顺 第一章绪论 利通过筛予。 2 显微镜和图像分析 显微镜是唯一可以直接观测单个颗粒形状和粒度的方法。 光学显微镜的测量范围为0 8 9 m 至1 5 0 9 i n ，电子显微镜的测量范围为 o 0 0 1 9 m 至5 9 m 。 显微镜测量的颗粒粒度为f e r e t 粒径、m a r t i n 粒径、周边粒径和面积粒径。 f e r e t 粒径f 是指与颗粒投影面两边相切的两平行线之间的距离。 m a r t i n 粒径m 是指将颗粒投影面分成两相等面积的弦长。 f e r e t 粒径与m a r t i n 粒径随测量方向变化而变化，所以在测定过程中通常保 持测量方向不变。 周边粒径是指与颗粒投影面有相同周边长度的圆的直径。 面积粒径比是指与颗粒投影面有相同面积的圆的直径。 显微镜的测量过程有手动、半自动和全自动三种形式，测量仪器也很多。 随着计算机技术的发展，发展了许多小型的图像分析仪，提高了分析的精度， 同时微机有灵活方便的程序做数据处理和统计计算，从而使设备具有快速和重复 性好的特点。目前，图像分析仪正向小型实时方向发展。 3 重力沉降和离心沉降 由沉降方法测量颗粒的粒度为斯托克斯( s t o k e s ) 粒度。 斯托克斯粒度是指颗粒与同质的球体有相同沉降速度的球体直径。其粒度用 盔表示。斯托克斯假设要求颗粒沉降时的雷诺数r 。小于或等于0 2 。为此，般 要求重力沉降测量仪测量的最大粒度不大于7 5 1 m a 。另一方面，细微粒在重力作 用下沉降时，由于存在布朗运动和热对流等，所以仪器测量细颗粒的粒度一般应 大于2 岫。应用颗粒在离心力场沉降的仪器，因为颗粒受到离- i x , 力的作用，仪器 测量的最小推荐粒度为0 0 5 9 i n 。 应用沉降法分析颗粒粒度的仪器的数量比任何其它方法的仪器的数量都多。 根据沉降原理，仪器可分为重力沉降和离心沉降两大类；根据计算方法重力沉降 和离心沉降各可分为增量法、累计法和双层法等。 4 电阻变化法 电阻变化法用于迅速测定电解液里颗粒或液滴的粒度。测量时，悬浮液里的 颗粒随液体流经两边具有电极的小孔。当颗粒通过小孔时，它取代了小孔中液体 的位置，使两电极之间的电阻产生变化，从而引起一个电压脉冲。脉冲振幅的大 小正比于颗粒的体积。从一系列的脉冲可计算出颗粒的数目和粒度分布。 5 光的散射与衍射 当光束照射到气体或液体里的细颗粒时，光将向各个方向散射，并在颗粒背 6 第一章绪论 后产生瞬间阴影。照射光有部分被颗粒吸收，部分产生衍射。光的散射和衍射与 颗粒的粒度有一定关系。激光粒度分析仪利用激光照射适当分散颗粒所产生衍射 与散射现象，衍射原理仪器用一个特殊制作的大规模集成电路探测器，从颗粒衍 射环中取出衍射光能讯息：散射原理仪器用安装在一定角度的光电倍增管或光电 二极管取出散射光能讯息。光子粒度分析仪利用细颗粒布朗运动与散射光的相关 性及较大散射光接收角度，测定的下限可达0 0 0 3 1 t m 。 激光测粒仪具有分析速度快、操作简单方便、测量范围广等特点，近年来得 到很大发展。 6 表面积法 设颗粒的外表面积为s ，体积为n 则表面积体积平均粒度的计算公式 如下： 、， d 。，= 兰公式( 1 - 5 ) 。 s 如果知道颗粒的密度p 。和比表面积a ，那么颗粒的平均粒度如下式： d 。= l公式( 1 - 6 ) “ 肛a 颗粒的外表面积不包括孔的面积，当应用吸附法、压汞法测定比表面积时， 颗粒的孔面积将增大外表面积，使颗粒的平均粒度变小。基于这个原因，应用上 述方法测量颗粒比表面积来计算颗粒的平均粒度只适用于无孔颗粒。 7 。混杂方法 颗粒粒度的测量除上述几种常用方法外，还有射线衰减、超声波衰减、全 息照像、气流分级、x 射线低角度散射、x 射线叠加等测定方法。这些方法这里 统称为混杂方法。 综上所述，测量粒子的方法很多 1 6 j 7 】。由于要测量的粒子群特征参数很多， 粒子数量大且尺寸分布宽，具体的实验和工作条件又很不相同，故很难说哪一种 方法是最完善的。只能根据要求和具体情况进行选择。例如在粉末工艺或测定大 气中的污染物颗粒时，常采用取样的办法，对颗粒试样进行粒子尺寸分布等测量。 如何通过取样测量得到粒子群全体的特征。是个重要问题。很多实际情况是不宜 采用取样办法的。例如流场中的粒子群，不但要测量其尺寸分布，而且还要测量 其空间分布、速度等等。应该采取不于扰流场及粒子场的办法，直接测量运动中 的粒子群特征。在不干扰测量对象的办法中，用得最广泛的是光学散射方法。射 线吸收方法也是一种不干扰场的测量手段之一，但这种方法没有得到广泛使用。 放射性带来的问题，是工作不方便，更重要的是，粒子对射线的吸收系数与粒子 浓度以及粒子尺寸之间的关系比较复杂，而且与粒子的物质性质有关。 第一章绪论 光学散射方法之所以用的最广泛，除了不干扰、不接触流场和粒子场外，还 具有测量的粒子尺寸范围宽，光电转换响应时间短，分辨能力较高的优点。光学 散射方法由于采用激光这种强相干光源，从而得到很大的发展。在数据处理方面， 可采用电子计算机。因此，激光和计算机相结合，成为现代光学测试方法的特点。 1 4 本文的研究内容、研究方法及意义 1 4 1 研究内容 本课题是国家自然科学基金项目“焊接电弧物理的若干理论问题及其应用的 研究”的一个子课题，以现代等离子体物理学在诊断技术上的最新进展为基础， 借鉴并应用于对焊接电弧等离子体的热物理性质的研究，主要进行： 1 建立起具有高时、空分辨率的基于激光散射效应的诊断系统，实现对标 准颗粒、焊接烟雾的精确观测和分析，综合运用激光、计算机、信息获取与处理 等多个新技术。 2 分析所测物理量的基本特征，对比不同粒度测量方法，给出微粒激光散 射条件下各微粒基本物理量的理论计算公式以及计算模型，并编译出可运行数值 计算程序。 3 建立起不同粒度的物理量之间理论计算的桥梁，由标准颗粒的散射信号 计算出对应条件下焊接模拟烟雾的物理参数值；进而可用来推算焊接电弧等离子 体物理量的相应值。 1 4 2 研究方法 本文拟采用高时空分辨率的观测技术和诊断方法，以物理模拟实验为研究的 主要手段。为了获得关于任一空间的微粒粒度以及它们的温度等信息，用h e n e 激光源聚焦于所测点，用光电倍增管测量激光作用下各微粒的散射信息，进而用 示波器采集进行分析。通过对散射信号的分析计算，可得到所测场中微粒物理参 数的定量结果，得出任意粒子的粒度值；这些结果可用于焊接电弧物理过程的细 节观测j 亦可满足对脉冲或变极性等快速变化电弧的诊断要求。进而从微观到宏 观为焊接电弧物理参量的可靠测量提供保证。 1 4 3 意义 焊接烟雾中存在着不同粒径的各种粒子，可分为宏观的和微观的，也可分为 气态、液态和固态的。本文主要研究的是具有特定尺度的固态颗粒的粒径问题， 第一章绪论 拟采用的是激光散射测量方法。尽管激光照射到不同尺度的粒子时所发生的散射 是不一样的，但是基于一定的散射理论来测量一定的焊接烟雾粒子，就具有非常 明显的代表性。 由于所选择的散射理论是有代表性、延续性的理论，同时各种散射理论之间 有着密切的相互联系，因此就不仅可以从技术上也可以从概念上找出不同状态粒 子的共性，即均可应用激光散射技术来测量粒径，区别仅仅在于适用的散射理论 有所不同以及测量的粒径值有所不同。这一点将在后面第三章中介绍到。这样本 文就建立了由单一状态粒子的测量延伸到不同尺度、多种状态的粒子激光散射法 测量的桥梁，也就起到了举一反三的作用，为进一步实现焊接烟雾中不同粒子的 散射检测打下基础。 同时，本文实验所用的焊接模拟烟雾微粒粒径与焊接烟雾微粒粒径处于同一 范围内，因此研究一定粒径范围的模拟烟雾，作为观测和分析焊接电弧的理论基 础和实验基础，就可以推断出焊接烟雾相对应的物理特性，为进一步实现焊接烟 雾中不同粒子的散射检测打下基础，并有助于测量分析焊接烟雾中有害颗粒状物 质，对焊接过程特别是改善焊接环境提高焊接质量有着非常重大的理论和实践意 义。 第二章光的散射规律 第二章光散射规律 在粒度测量的方法中，光散射法是比较新的一大类，近三十年来发展很快。 其中一类是测量散射光，另一类是测量因散射和吸收而产生在入射方向上光强的 衰减，这一现象称为消光【1 8 。 2 1 光的散射和吸收、消光 2 1 1 散射现象 根据麦克斯威尔( m a x w e l l ) 的电磁理论，光是一种电磁波。光束的特性可 以用两个振动矢量，即电振动矢量e 和磁振动矢量日来描述。电矢量e 和磁矢 量日彼此互相垂直，且都垂直于波的传播方向z ，三者呈右手螺旋关系，如图 幽2 - 1 电磁波 2 1 所示。其中电矢量是决定光效应产生的主要因素，因此又称光矢量。 光波的频率极高，约在1 0 1 5h z 的数量级，其光矢量相应地也变化极其迅速。 如果光矢量的所有这些振动在垂直于传播方向的平面内不是局限在一个方向上， 而是具有一切的可能方向，则称为自然光。如果光波的光矢量的方向始终不变， 被限制在某一特定方向上，只是它的大小随相位而变，这种光称为线偏振光。如 果光矢量的大小不变，而它的方向绕波的传播方向均匀地转动，光矢量的末端在 垂直于光的传播方向平面内的轨迹是一个圆或椭圆，这称为圆或椭圆偏振光。 光线在均匀介质中通过时按直线方向传播。但实际介质总非绝对均匀。例如 大气中存在分子密度的起伏，而且往往含有微尘或微小液滴。又如溶胶或悬浮液 含有微小的固体颗粒。光束通过这类不均匀介质时，除了透过以及会发生吸收外， 入射光的一部分偏离其原来方向，而投射到其它方向，这种现象称为光的散射。 0 第二章光的散射规律 光散射是由吸收、衍射、反射、透射与折射等共同作用的。 这种现象的本质是光波的电磁场与介质分子相互作用的结果。从物理光学来 看，组成物质的分子和原子在作为电磁波的光的作用下产生了极化，并以与入射 光相同的频率作强迫振动，形成振动的偶极子，朝各个方向发出次波。当介质有 微小不均匀区，例如有颗粒时，其光学均匀性就会被破坏。在入射光作用下，不 均匀区之间成为强度差别较大的次波源，而且对空间各点有不可忽略的光程差。 这时，除了按直线传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在，这就是散射 光。在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光纤只能在折射方向上 传播，而在其他方向上则相互抵消，所以没有散射光出现【l 9 1 。 测定粒度的消光法是测量当光束通过含有颗粒群的介质后，在入射方向上光 强的衰减。这个衰减既是由于颗粒对光的散射，也会由于颗粒对光的吸收。若不 考虑可能的选择性吸收，绝缘体物质对可见光的一般吸收非常微弱。如果散射体 是电导率不等于零的金属，光波在其中传播时，在电磁场作用下会产生感应电流， 使部分光能耗散转变为热能。这种散射体对光表现为具有强烈的一般吸收作 用。l i m a 厚的金属膜的透射光只占入射光的1 以下。吸收程度一般还与入射辐 射的波长有关，但在可见光范围变化不大。 散射体对光伴有吸收时，可将其对于介质的折射率用一复数m 表示： m = m l + 咖2公式( 2 1 ) 其中 砰+ 磋= 占= 2 c r c s 和是介质的介电常数和电导率，九是光在真空中的波长，c 是光速。复数折射 率的实部m l 等于光在介质中的传播速度与真空中的传播速度之比，与普通折射 率的意义相同。它的虚部m 2 ，反映了光因吸收作用而产生的电磁波衰减。这样 的处理就把在散射体中光的吸收归并到复数折射率的概念中。若颗粒的电导率 删，则m 2 = o 。和仃这两个参数都与九有关，在低频下接近其静态值。 物质在一定介质中的折射率m 的数值可参阅有关文献。相对于真空或空气， 当l = 5 9 0 n m 时，水的m = 1 3 3 ，有机液体的m 大多为1 5 0 左右：铁的m = 1 5 1 1 6 3 i 。 相对于水，当炉6 0 0 n t o 时，金的m = o 2 8 2 2 2 i 。 散射现象的理论处理很复杂。以下讨论只限于不相关的单散射。在这种情况 下，由n 个颗粒作为散射中心的集合体的散射强度是单个颗粒散射强度的n 倍。 所谓不相关散射是指均匀介质中所含有的微小颗粒间的距离足够大，以至于 一个颗粒的散射不因其他颗粒的存在而受影响。在这种情况下，可以不管其他的 颗粒的存在而研究一个颗粒的散射。严格来讲，被不同粒子从同一入射光中在相 同方向上散射的散射光仍具有一定相位关系，是相干的，但是由于小粒子的微小 第二章光的散射规律 位移或散射角度极微小变化可全然改变其相位差，大量无规则杂乱分布的颗粒散 射的净效应是各个颗粒散射的光强相加而不管相位差，犹如不同颗粒的散射光是 不相干的。k e r k e r l 2 0 提出，当颗粒之间的距离大于颗粒直径3 倍以上时，就可以 形成不相关散射，工程中所遇到的大多数实际问题都可以作为不相关散射来处 理。例如，即使浓度很大的雾，各个水珠之间的距离仍然是水珠直径的2 0 倍左 右。 所谓单散射是指每一个散射颗粒都暴露于原始光线中，对原始的入射光进行 散射。反之，有部分颗粒并不暴露于原始光线中，它们对其他颗粒的散射光再次 进行散射，使原始光线通过介质时产生多次散射。当这种作用比较强时，就称为 复散射。与相关散射一样，复散射在数学处理上也是很复杂的。有关实验指出， 光束通过样品后，由于消光使光强变为 i = l o e 一“ 式中而为入射光强，f 为介质的浊度，后述公式( 2 1 3 ) 将给出其表达式，为光 束通过样品的距离。t 与，两者的乘积称为样品的光学厚度。当光学厚度较小， 即r l o 3 时，复散射将起 主要作用；当o 1 r l 0 , 3 时，单散射与复散射并存。因此，为了保证是不相关 的单散射，介质中散射颗粒的浓度及光线通过介质的光学厚度必须加以控制。简 单地说，单散射也要求颗粒间的距离足够大。 连同吸收的散射规律除了与复数折射率m 有关外，还与散射体颗粒的线度 尺寸相对于入射光波长的比值有关。以下的讨论只限于直径为d 的球形散射体 的简单情况，设通过球中心的截面积即对于任何方向的投影面积为q = i r d 2 4 。引 入一个无量纲的尺寸参数 一n 口= 兰兰公式( 2 2 ) a 其中九是光在颗粒周围介质中的波长。 2 1 2 颗粒的散射截面、吸收截面和消光截面 定义：散射截面 吸收截面 消光截面 公式( 2 3 ) 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 - 5 ) 式中i o 是入射光强度，q 。、g 、q 分别是单位时间内一个颗粒所全部散射的、吸 垦厶 墨厶 旦凡 三 三 三 2 q q 第二章光的敞射规律 收的、因散射和吸收所移去的光能量。消光截面是这样的一个截面积，投射在它 上面的入射光能量恰等于颗粒通过散射和吸收从入射光移去的光能量，这样通过 该截面后在入射方向上光强就会衰减。散射截丽和吸收截面也有类似的意义。这 三个截面一般并不等于颗粒真实的几何避光截面积口。 2 1 3 散射系数、吸收系数和消光系数 定义：散射系数 吸收系数 消