5.64 Мб 
Аннотация
В данной технической заметке рассматривается метод визуализации для характеристики динамики сварочной ванны во время процессов сварки с высокой интенсивностью излучения. Для получения высококачественного видео процесса сварки обычно необходимо решить две основные задачи: (1) развертывание системы визуализации, способной фиксировать временную динамику сварки, и (2) подавление интенсивного излучения из зоны сварки для обеспечения четкой видимости сварочной ванны. В этой краткой заметке мы обсуждаем характеристику процесса сварки путем интеграции камеры Phantom VEO-1310, импульсного лазера Firebird мощностью 1 кВт (808 нм) от Oxford Lasers и использования полосового фильтра 810 нм +/- 5 нм.
Введение
Традиционно для визуального наблюдения за процессом сварки, будь то глазом или цифровой камерой, используется нейтральный (ND) фильтр. Цель ND-фильтра — просто ослабить поток излучаемых фотонов (равномерно во всем видимом диапазоне), чтобы снизить уровень сигнала ниже верхней границы динамического диапазона (DR) сенсора и избежать насыщения пикселей. На сегодняшний день DR лучших научных высокоскоростных CMOS-сенсоров составляет около 50–70 дБ, в то время как для надлежащей характеристики сварки в некоторых случаях может потребоваться DR более 140 дБ (10^7:1). Хотя добавление ND-фильтра действительно помогает уменьшить свет от сварки, оно одновременно снижает уровень рассеянного света от окружающих областей (называемых «тенями» или «холодными зонами»). Такой подход обычно приводит к получению изображений с одним ярким пятном, окруженным темным зашумленным фоном, что не подходит для научного анализа.
Чтобы осветлить фон, иногда используют мощные светодиоды для подсветки зоны сварки. Это улучшает результат, но излучение от сварочной ванны по-прежнему приводит к сильному перенасыщению, не позволяя изучить ее динамику. Возможно, по мере развития светодиодных технологий они станут жизнеспособными и в этом сценарии.
Механизм
Устоявшийся метод решения этих проблем заключается в синхронизации высокоскоростной камеры с импульсным лазером (> 400 Вт), управляемым TTL-сигналом, вместе с полосовым фильтром, настроенным на длину волны лазера (808 нм). По сути, эта техника блокирует фотоны, испускаемые при сварке (благодаря узкополосному фильтру), пропуская в камеру только рассеянные фотоны лазерной подсветки для формирования изображения. Неизбежно процесс сварки также создает свет на длине волны лазера, однако его количество относительно рассеянных лазерных фотонов крайне мало. В итоге получается монохромное видео с четкой детализацией процесса.
Конфигурация оборудования
Стенд состоял из монохромной камеры VEO1310 (72 ГБ ОЗУ) с объективом Zeiss Makro 100 мм и набором удлинительных колец (крепление Nikon F). На объектив через переходные кольца (K&F Concept) был установлен полосовой фильтр 810 нм (тестировались полосы +/- 5 нм и +/- 10 нм). Зона сварки освещалась импульсным лазером Oxford Laser (Firebird, 1 кВт, 808 нм) с жидкостным световодом и диффузной оптикой для регулировки размера пятна. Контроллер лазера располагался на лабораторном столе, а лазерная головка — на штативе. Для синхронизации использовался выходной сигнал камеры «strobe» (5В TTL), где задний фронт означает начало экспозиции кадра. Контроллер лазера был настроен на отрицательный фронт для генерации импульса при каждом начале экспозиции. Использовался BNC-кабель 1 м (50 Ом). Длительность импульса и время экспозиции составили 1 мкс. Для оптимизации фазы импульсов использовались программируемые входы/выходы Phantom. Использовалось лазерное пятно диаметром ~1 дюйм для зоны сварки размером ~1/4 дюйма.
К обсуждению
Для понимания сложных методов визуализации лучше всего иллюстрировать их максимально просто. На схеме показан динамический диапазон сенсора по отношению к излучению сварки и рассеянию в сварочной ванне. Слева («Лазер выкл») камера видит только яркое излучение сварки, выходящее за пределы DR сенсора. В центре («Лазер вкл») лазерная подсветка делает окружение видимым, но зона сварки все еще перенасыщена. Справа («Лазер вкл + фильтр») излучение сварки отсекается, а пропущенные фотоны лазера позволяют получить четкие изображения ванны, брызг и окружающих деталей.
Заключение
Интеграция камеры с импульсным лазером и полосовым фильтром является мощной методологией для визуализации сварки. Этот метод применим не только в сварке, но и в баллистике, взрывных работах и других сверхъярких сценариях. Следует отметить, что лазер Firebird относится к IV классу и очень опасен, поэтому необходимо соблюдать меры безопасности.
Помимо лазеров, существуют и другие методы борьбы с яркими событиями: экстремальный динамический диапазон (EDR), режим двойного наклона (DSM), HDR, использование сверхмощных светодиодов и динамическое управление экспозицией.
