本发明涉及辐射测温和等离子体光谱分析，特别是一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置及方法。
背景技术：
1、火花放电是在高电压作用下气体介质被电离击穿而产生的瞬时放电现象。由于其能量集中、安全易控、容易实现等优点，被广泛应用于各种工业和科学领域，如火工品爆炸点火、金属材料表面微加工处理和发动机驱动等各种场景。在分析放电等离子体热力学状态参数时，温度是最重要的参数之一。通过对火花放电等离子体的温度进行研究，有助于深入了解放电过程中的基本物理过程和能量转换机制，这对于提高电火花加工的效率、降低能耗及优化材料加工质量具有重要的实际意义。同时也为火工品的有效点火、金属表面的精细加工等研究提供基础数据。然而，由于火花放电存在体积小、温度梯度大、扰动因素多、持续时间极短以及等离子体化学反应剧烈等多种因素，使得传统的接触式温度测量方法难以适用。因为接触法会干扰或破坏电弧的完整性和热力学状态，导致温度场发生畸变，同时测量数据在时间和空间分辨上存在限制。随着对火花放电研究工作的深入，发现其辐射光谱数据可以有效反映出放电过程中的温度变化。因此，通过采集火花放电辐射光谱来分析放电等离子体的特性已经在国内外得到了广泛的研究。
2、目前，通常使用光学高温计来实现对放电等离子体的温度诊断。该设备主要由光电二极管或倍增管与有限个窄带滤波片(带宽约为10～30nm)耦合而成，通过记录被测目标在各个波长通道下的光谱强度数据来推导温度。但由于只采用了特定带宽的滤波片，每次测量时往往只能在特定的波长通道下进行光强采集，并且仅能在较宽波段内完成对辐射强度的积分求解，因此无法测量到由发射率改变或特征谱线发光而引起的光谱变化，从而给瞬态温度的诊断引入一定的误差。因此，开发一种测量精度更高的高压火花放电等离子体光谱与温度测量技术显得尤为重要。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置及方法，本发明可以测量在不同电极间隙和电压条件下放电等离子体的瞬态光谱和温度随时间的变化。有助于提高电火花加工的效率、降低能耗及优化材料加工质量，为火工品的有效点火、金属表面的精细加工等研究提供基础数据。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，包括扫描光学高温计系统，所述扫描光学高温计系统包括扫描相机、高分辨光谱仪、光学镜头、数字延时发生器、高压脉冲电源和针尖放电装置；所述高分辨光谱仪设于所述扫描相机的狭缝前，所述针尖放电装置的阳极外接高压脉冲电源进行充电，阴极接地；且针尖放电装置发出的光信号经所述光学镜头聚焦至高分辨光谱仪，所述高压脉冲电源用于控制放电的电压和脉宽，通过高压变压器输出高压脉冲，进而驱动脉冲变压器向高压开关提供驱动信号；所述扫描相机将光信号转化为电信号，并提供整个扫描光学高温计系统的超快时间分辨，所述数字延时发生器分别连接扫描相机和高压脉冲电源，实现系统同步触发，确保火花放电过程被有效记录。
3、作为本发明的进一步改进，所述高分辨光谱仪包括输入狭缝、闪耀光栅、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜和第四球面反射镜；所述针尖放电装置发出的光信号经光学镜头聚焦至高分辨光谱仪的所述输入狭缝处，并依次经过所述第一球面反射镜、第二球面反射镜、闪耀光栅、第三球面反射镜和第四球面反射镜后输入至所述扫描相机。
4、作为本发明的进一步改进，所述闪耀光栅用于实现扫描光学高温计系统的谱分辨，且闪耀光栅的规格为1200l p/mm。
5、作为本发明的进一步改进，所述针尖放电装置固定于千分尺上，用于精确调节放电电极间隙，且针尖放电装置放置于三维位移台上，保证采集到不同位置处的放电信息。
6、作为本发明的进一步改进，所述数字延时发生器的型号为dg535数字延时发生器。
7、本发明还提供一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，采用如上所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置实现，所述的方法包括以下步骤：
8、步骤1、利用632.8nm的氦氖激光器进行波长标定，建立火花放电光谱与相机所采集图像像素点之间的对应关系；
9、步骤2、对火花放电等离子体不同电极间隙和电压下的光谱进行探测；
10、步骤3、利用辐射校准光源卤钨灯对测温装置进行辐射强度的标定，将扫描相机所采集的光谱信号强度转化为计算目标物体温度所必需的光谱辐射亮度信息；
11、步骤4、在得到放电等离子体波长及对应光谱辐射亮度信息后，结合普朗克的黑体辐射公式即可拟合得到温度。
12、作为本发明的进一步改进，所述步骤1具体如下：
13、将激光器产生的光信号通过光纤传输至高分辨光谱仪，再由高分辨光谱仪输送至扫描相机的光阴极，通过调节高分辨光谱仪内部的闪耀光栅角度来改变输出狭缝中心波长，使激光可以到达光阴极的不同位置,从而得到波长和ccd水平像素的对应函数关系。
14、作为本发明的进一步改进，所述步骤2具体如下：
15、针尖放电装置的阳极通过外接高压脉冲电源进行充电并控制放电电压，通过1：4高压变压器输出高压脉冲；在0.5mm电极间隙下，对5000v-10000v时的放电等离子体的光谱进行探测，将针尖放电装置的阴极固定于千分尺上，以便在保证高精度要求的前提下根据实验需求自由调整放电间隙，随后在10000v电压条件下，对0.5mm-3mm电极间隙时的放电等离子体的光谱进行探测，由扫描光学高温计系统记录到的放电等离子体光谱强度计数记为ct。
16、作为本发明的进一步改进，所述步骤3具体如下：
17、将已知光谱辐射亮度数据的校准光源卤钨灯置于针尖放电装置处，保证标定光路和放电实验光路需完全一致，相关参数设置相同，由相机记录到的校准光源一定曝光时间内的光谱强度计数为cs；而已知记录到的放电等离子体在单个像素上的输出为ct＝ttηt∫λl(λ)tφ(λ)tdλ，校准光源在单个像素上的输出为cs＝tsηs∫λl(λ)sφ(λ)sdλ，其中下标t和s分别表示火花放电等离子体和辐射校准光源，l(λ)为光谱辐射亮度，t为测温系统所记录的有效发光持续时间，c为扫描相机所记录的光谱强度计数，η表示与发光面积、收集立体角、测温系统增益和相机狭缝宽度相关的影响因子，φ(λ)为系统的光谱响应；当相机单个像素所历经的波长范围很小时可如下近似：当标定光路和火花放电实验光路完全一致，且系统的状态配置，即扫描相机的增益、狭缝宽度等因素都保持相同的情况下，此时光学传递函数相同，即φ(λ)t＝φ(λ)s，ηt＝ηs；将扫描光学高温计系统探测到的放电等离子体光谱强度计数ct与校准光源光谱强度计数cs相除，即可得到放电等离子体光谱辐射亮度为其中，tt为放电等离子体在单个像素记录到的有效发光持续时间，ts为辐射校准光源的有效光学记录时间，即为相机在线性工作区域探测时的曝光时间，l(λ)s为已知的校准光源的辐射亮度信息，因此即可计算出对应的放电等离子体光谱辐射亮度。
18、作为本发明的进一步改进，所述步骤4具体如下：
19、根据普朗克的黑体辐射公式得到温度的计算公式为其中l为放电等离子体光谱辐射亮度，λ为波长，c为真空中光速，h是普朗克常数，k为玻耳兹曼常数，ε为光谱发射率；在得到放电等离子体在各波长下对应的光谱辐射亮度后，经普朗克的黑体辐射公式拟合即可得到其在不同电压和电极间隙条件下温度随时间的变化。
20、本发明的有益效果是：
21、(1)采用非接触式测温方法实现对火花放电等离子体的温度诊断，不会干扰或破坏电弧的完整性和热力学状态，并提供了更高的测温精度和响应速度；
22、(2)选用扫描相机作为整个系统的光电探测装置，极大地提升了系统的时间分辨。同时还具备优秀的空间分辨能力，可有效辨识微小的电极间隙，从而实现更准确的温度探测；
23、(3)利用高分辨光谱仪作为分光系统，并由内部光栅提供整个系统的谱分辨，相较于传统的单通道或多通道光学高温计的诊断方法，其探测光谱的范围及谱分辨的能力都大大提高，增加了数据的可靠性，提高了温度的精确度；
24、(4)实现了对不同电极间隙和电压下火花放电等离子体瞬态光谱和温度的探测，有助于深入了解放电过程中的基本物理过程和能量转换机制，这对于提高电火花加工的效率、降低能耗及优化材料加工质量具有重要的实际意义。同时也为火工品的有效点火、金属表面的精细加工等研究提供基础数据。
1.一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，其特征在于，包括扫描光学高温计系统，所述扫描光学高温计系统包括扫描相机、高分辨光谱仪、光学镜头、数字延时发生器、高压脉冲电源和针尖放电装置；所述高分辨光谱仪设于所述扫描相机的狭缝前，所述针尖放电装置的阳极外接高压脉冲电源进行充电，阴极接地；且针尖放电装置发出的光信号经所述光学镜头聚焦至高分辨光谱仪，所述高压脉冲电源用于控制放电的电压和脉宽，通过高压变压器输出高压脉冲，进而驱动脉冲变压器向高压开关提供驱动信号；所述扫描相机将光信号转化为电信号，并提供整个扫描光学高温计系统的超快时间分辨，所述数字延时发生器分别连接扫描相机和高压脉冲电源，实现系统同步触发，确保火花放电过程被有效记录。
2.根据权利要求1所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，其特征在于，所述高分辨光谱仪包括输入狭缝、闪耀光栅、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜和第四球面反射镜；所述针尖放电装置发出的光信号经光学镜头聚焦至高分辨光谱仪的所述输入狭缝处，并依次经过所述第一球面反射镜、第二球面反射镜、闪耀光栅、第三球面反射镜和第四球面反射镜后输入至所述扫描相机。
3.根据权利要求2所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，其特征在于，所述闪耀光栅用于实现扫描光学高温计系统的谱分辨，且闪耀光栅的规格为1200l p/mm。
4.根据权利要求1或3所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，其特征在于，所述针尖放电装置固定于千分尺上，用于精确调节放电电极间隙，且针尖放电装置放置于三维位移台上，保证采集到不同位置处的放电信息。
5.根据权利要求1所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置，其特征在于，所述数字延时发生器的型号为dg535数字延时发生器。
6.一种高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量装置实现，所述的方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
8.根据权利要求7所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
9.根据权利要求8所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
10.根据权利要求9所述的高压火花放电等离子体光谱与温度测量方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
