對于激光等離子體的信號檢測的意義

由于高功率的激光加工過程中產(chǎn)生的激光等離子體包含著能量運輸、質(zhì)量遷移和溫度輻射等各種現(xiàn)象，限制了很多常規(guī)測量方法的使用，因此對于激光等離子體的信號檢測一直是激光加工領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。為了檢測激光等離子體的電信號，眾多學(xué)者開發(fā)出了不同的方法，比如鉬板開孔法、間隙測量法、靜電探針法等。前兩種方法由于測試范圍和加工方式過于局限，不適合用來檢測同軸送粉激光3D打印過程中產(chǎn)生的等離子體。靜電探針測量法，也稱作朗繆爾探針測量法，是將一個極細的由多層絕緣層構(gòu)成金屬絲的一端伸入等離子體，另一端接入探測器的檢測方法。該方法可以得到等離子體的電子溫度和電子密度等參數(shù)。眾多學(xué)者采用該方法檢測激光等離子體的電信號并進行了不同方式的改造。學(xué)者Bi[和學(xué)者Martin分別使用了直徑2.0mm的鎢棒和直徑1.6mm的鎢棒作為探針伸入激光等離子體得到了等離子體的電信號。也有學(xué)者使用了U型銅管和噴嘴本身當(dāng)作探針。

根據(jù)等離子體鞘層理論，探針的形式既可以是激光噴嘴也可以是鎢棒，結(jié)合上述學(xué)者的研究，分情況采取不同的方式來測量激光等離子體電信號：當(dāng)噴嘴與工件之間距離較遠時，利用一個直徑2.2mm的鎢棒作探針，實現(xiàn)對等離子體信號的采集；當(dāng)噴嘴與工件之間距離較近時，利用噴嘴作探針，實現(xiàn)對等離子體信號的采集。

同軸送粉激光3D打印過程產(chǎn)生的等離子體電荷信號檢測系統(tǒng)由探針、噴嘴、采集卡、計算機等部分組成。激光等離子體電荷信號產(chǎn)生之后，由導(dǎo)線傳遞至采集卡，在采集卡中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳入計算機進行分析。實驗采用的數(shù)據(jù)采集卡是由阿爾泰科技生產(chǎn)的USB5936數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器可以達到12位精度和25k·s-1采樣頻率，滿足采集激光等離子體信號的要求。

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