專利名稱：一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電弧測試技術領域，具體涉及一種測量電弧壓力分布和電流 密度分布的裝置及測量方法。
背景技術：
電弧，是兩個電極之間的一個氣體導電體。根據高速攝影儀和SEM掃描電 鏡等方法觀測電極表面上的燒蝕凹坑，表明電弧是呈圓形?？紤]到電弧緩慢 勻速地從左往右運動，電弧受外界的影響很小，對于均勻受壓的電弧，可以 認為其橫截面是近似圓形。
電弧壓力決定著熔池的表面形狀，電弧電流密度的分布直接決定了電弧熱 流密度的分布，電弧熱流密度的分布描述了電弧熱傳輸給焊件的方式，因此 電弧壓力的分布和電弧電流密度的分布影響著熔池的幾何形狀、焊縫成形、 焊接接頭的冷卻特性，最終決定著焊接接頭的質量。準確地描述電弧壓力分 布和電弧電流密度分布，不僅對于深入了解電弧物理的本質具有重要的理論 意義，而且對于控制焊接質量具有重要的實際意義。
電弧壓力分布和電弧電流密度分布是人們關注的焦點，也是電弧研究的 難點。比如對電弧的電流密度分布邊界條件是根據實驗測試結果而設置的， 因此通過實驗測試電弧電流密度分布能為電弧仿真研究提供必要的可靠依 據。以往的研究主要是研究宏觀的電弧壓力、電流密度的測量，而對于微觀 電弧壓力、電流密度分布的研究不多，并且沒有既能測量微觀電弧壓力分布 又能測量電弧電流密度分布的裝置，因此尋找一種合理的測量方法和發(fā)明一 種方便實用的測量裝置具有重要的現實意義。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能同時測量微觀電弧壓力分布和電弧電流密 度分布的裝置及測量方法，該測量方法和數據處理簡單，具有較高的精度和 可信度。
為了實現以上目的，本發(fā)明采取了如下技術方案
一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置包括電機l、定位框6、固
定在定位框6上的導軌2、安裝在定位框6上并與電機1相連的絲杠3、安裝 在導軌2上的滑動件4、安裝在滑動件4下端的焊槍位置調整機構5、設置在 定位框下方的平臺面19、固定在平臺面19和定位框6之間起到支撐定位框作 用的支撐柱20、放置在平臺面上的容器12、放置在容器12內的陽極板和稱 重傳感器、以及左電流傳感器8、左示波器7、右電流傳感器21、右示波器 22、左AD轉換模塊IO、右AD轉換模塊17、左計算機9和右計算機18。其中 滑動件4連接在絲杠3上，滑動件4在絲杠3的帶動下能夠沿著導軌2滑動。 所述的陽極板包括位于同一平面內的左陽極板11和右陽極板16，在左陽極板 11和右陽極板16之間設置有絕緣材料，在左陽極板11和容器12之間設置有 左稱重傳感器24，在右陽極板16與容器12之間設置有右稱重傳感器26。左 稱重傳感器24通過左AD轉換模塊10與左計算機9相連，右稱重傳感器通過 右AD轉換模塊17與左計算機18相連。在容器12內設置有冷卻液25，左陽 極板11和右陽極板16都浸泡在冷卻液25中，左陽極板11與左電流傳感器8 相連，左電流傳感器8與左示波器7相連；右陽極板接16與右電流傳感器21 相連，右電流傳感器21與右示波器22相連；焊槍安裝在焊槍位置調整機構5 的下端。在左陽極板11和右陽極板16上開有相同大小的槽，在槽內塞入密度小 于所述冷卻液密度的輕質塊23。
所述的左電流傳感器8與右電流傳感器21是相同型號的電流傳感器；所 述的左示波器7與右示波器22是相同型號的示波器；所述的左AD轉換模塊 10與右AD轉換模塊17是相同型號的AD轉換模塊；所述的左稱重傳感器24 與右稱重傳感器26是相同型號的稱重傳感器。
所述的絕緣材料的厚度為50微米 150微米。
本發(fā)明裝置的測量方法
1) 電機1帶動絲杠3緩慢勻速轉動，使焊槍13在導軌2上緩慢勻速地 從左向右沿垂直絕緣材料14的方向運動，焊槍13與陽極板之間的電弧15隨 焊槍也緩慢勻速地從左向右沿垂直絕緣材料14的方向運動，受外界影響小、 受壓均勻的電弧其橫截面呈圓形，在陽極板上表面的電弧橫截面區(qū)域記為電
弧圓域。
2) 作用在左陽極板上電弧力的采集由左稱重傳感器24、左AD轉換模塊 10、左計算機9來實現，并從左計算機上讀取電弧力值，記為巧(x);
作用在右陽極板上電弧力的釆集由右稱重傳感器26、右AD轉換模塊17、 右計算機18來實現，并從右計算機上讀取電弧力值，記為F(x);
作用在左陽極板上的電弧電流通過左電流傳感器8、由左示波器7采集得 到，并從左示波器7上讀取電弧電流值，記為/,(;c);
作用在右陽極板上的電弧電流通過右電流傳感器21、由右示波器22采集 得到，并從右示波器22上讀取電弧電流值，記為/(;c)。
3) 當電弧垂直通過絕緣材料14時，作用在左、右陽極板上的電弧力值i^)、F("和流過左、右陽極板的電弧電流值/^)、、)都隨著焊槍相對于絕緣材料位
置發(fā)生變化而變化，并從變化趨勢得出電弧15從開始到右陽極板16左側面
至剛好完全進入右陽極板所需的時間A^絲杠的轉速等于電機的轉速，由絲 杠的轉速和導程得出電弧的運動速度F為
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60 上式中-
;^為絲杠的導程；
n為電機的轉速； 因此，電弧半徑&為
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上式中F為電弧的運動速度；
&為電弧從開始到右陽極板左側面至剛好完全進入右陽極板所需時 間；
4)根據電弧力值建立電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布P(p)的
數學模型，根據電流值建立電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布 J(p)的數學模型。右陽極板所受的電弧力值/^)即為電弧圓域在右陽極板上的 投影面積對電弧壓力的積分，流過右陽極板的電流值仏)即為電弧圓域在右
陽極板上的投影面積對電流密度J(W的積分，如圖4所示，其表達式分別為
<formula>formula see original document page 9</formula>
上式中-
X為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與右陽極板左側面的足巨離，0《I《i m;
^為電弧半徑；
為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布； J(,)為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布； p為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離；
同理，對于左陽極板所受的電弧力值i^)即為電弧圓域在左陽極板上的投 影面積對電弧壓力i^的積分，流過左陽極板的電流值/("即為電弧圓域在左陽 極板上的投影面積對電流密度/(w的積分，如圖5所示，其表達式分別為-
^ w =尸醒-2 arccos(f.p . Jp (5)
附
= /匿—2 arccos( f) fm ./7.力 (6)
附
上式中
Z為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與左陽極板右側面的距離， 0 "
^為電弧半徑；
P(w為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布；
/(^為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布；
P為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離；
F_為左計算機所得的電弧力最大值；
乙》為左計算機所得的電弧電流最大值；
5)求解方程(3) (4)或(5) (6)，得到電弧半圓域壓力&)和電弧半 圓域電流密度力p)，從而作出電弧半圓域壓力分布曲線和電弧半圓域電流密度 分布曲線；根據圓的對稱性，以圓直徑為對稱軸，作出電弧整個圓域壓力分 布曲線和電弧整個圓域電流密度分布曲線，如圖8，圖9所示。
本發(fā)明實現了對微觀電弧壓力分布與電弧電流密度分布的同時測量，并且 裝置制作簡單，測試步驟簡潔、無繁瑣的數據處理，具有較高精度和可信度。
10
圖1是本發(fā)明通過絕緣材料時測試電弧壓力分布和電弧電流密度分布方法原
理圖
圖2是本發(fā)明裝置的A-A剖視圖
圖3是本發(fā)明電弧圓弧截面通過絕緣材料時的模型
圖4是本發(fā)明通過絕緣材料時隨X的變化，右陽極板上電弧力值與電弧壓力 分布及電弧電流值與電弧電流密度分布的關系圖
圖5是本發(fā)明通過絕緣材料時隨Z的變化，左陽極板上電弧力值與電弧壓力
分布及電弧電流值與電弧電流密度分布的關系圖
圖6是本發(fā)明通過絕緣材料時電弧力值隨Z變化而變化的趨勢圖
圖7是本發(fā)明通過絕緣材料時電弧電流值隨Z變化而變化的趨勢圖
圖8是電弧壓力分布隨X變化的趨勢圖
圖9是電弧電流密度分布隨義變化的趨勢圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體操作過程做詳細的說明
如圖l、圖2所示，本發(fā)明裝置包括電機l，導軌2，絲杠3,焊槍位
置調整機構5，左陽極板ll、右陽極板16，冷卻裝置(包括容器12、冷卻液 25)，測量電弧力系統(包括左稱重傳感器24、右稱重傳感器26、輕質塊23、 左AD轉換模塊10、右AD轉換模塊17、左計算機9、右計算機18)，測量電 流系統(包括左電流傳感器8、右電流傳感器21、左示波器7、右示波器22)。 該陽極是由位于同一平面內的左陽極板11和右陽極板16組成，中間用50微 米 150微米厚的絕緣材料14完全隔開。兩陽極板都浸泡在冷卻液25中，同 時開有相同大小的槽，塞入密度小于冷卻液密度的輕質塊23，兩陽極板底部 都與稱重傳感器接觸。左陽極板接有左電流傳感器8，左電流傳感器8與左示 波器7相連；右陽極板接有右電流傳感器21，右電流傳感器21與右示波器 22相連。定位框6通過支撐柱20作用在平臺面19上，絲杠3安裝在定位框 6上，電機1與絲杠3連接，焊槍15通過焊槍位置調整機構5、滑動件4連 接到絲杠3上。
所述的左電流傳感器8與右電流傳感器21是相同型號的電流傳感器；所述的左示波器7與右示波器22是相同型號的示波器；所述的左AD轉換模塊 10與右AD轉換模塊17是相同型號的AD轉換模塊；所述的左稱重傳感器24 與右稱重傳感器26是相同型號的稱重傳感器。絕緣材料的厚度為50微米 150微米。為防止陽極板因溫度過高而受損，稱重傳感器受壓太大而壓壞及提 高實驗的精度，采用特制冷卻裝置。 本發(fā)明裝置的測量方法-
1) 電機l帶動絲杠3勻速轉動，使焊槍13在導軌2上勻速地從左向右 沿垂直絕緣材料14的方向運動，焊槍13與陽極板之間的電弧15隨焊槍也勻 速地從左向右沿垂直絕緣材料14的方向運動；受外界影響小、受壓均勻的電
弧其橫截面呈圓形，沿陽極板上表面方向的電弧橫截面區(qū)域記為電弧圓域。
2) 作用在左陽極板上電弧力的采集由左稱重傳感器24、左AD轉換模塊 10、左計算機9來實現，并從左計算機上讀取電弧力值，記為《W;
作用在右陽極板上電弧力的釆集由右稱重傳感器26、右AD轉換模塊17、 右計算機18來實現，并從右計算機上讀取電弧力值，記為F(x);
作用在左陽極板上的電弧電流通過左電流傳感器8、由左示波器7采集得 到，并從左示波器7上讀取電弧電流值，記為A(x);
作用在右陽極板上的電弧電流通過右電流傳感器21、由右示波器22采集 得到，并從右示波器22上讀取電弧電流值，記為/(;c);
巧(x)、 A(x)與i^c)、 /(x)中的變量都是用的x，實際上兩者之間相差陽極 板間的狹小距離，鑒于該距離微小，附圖中不便于反映出來，所以在附圖中 不加以區(qū)分，統一用x表示，為了便于表述附圖，當電弧圓域中心位于右陽極 板時x取為它的相反數，即為負值，當電弧圓域中心位于左陽極板時x取其本 來的值，即還是正{直，如圖6、圖7所示。
3) 當電弧垂直通過絕緣材料14時，作用在左、右陽極板上的電弧力值 4)、 i^)和流過左、右陽極板的電弧電流值/1(;0、；)都隨著焊槍相對于絕緣 材料位置發(fā)生變化而變化，并從變化趨勢得出電弧15從開始到右陽極板16 左側面至剛好完全進入右陽極板所需的時間A"絲杠的轉速等于電機的轉速， 由絲杠的轉速和導程得出電弧的運動速度F為上式中
^為絲杠的導程； "為電機的轉速；
因此，電弧半徑i^為
<formula>formula see original document page 13</formula>上式中r為電弧的運動速度；
^為電弧從開始到右陽極板左側面至剛好完全進入右陽極板所需時 間；
4)根據電弧力值建立電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布i^的 數學模型，根據電流值建立電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布 力p)的數學模型。右陽極板所受的電弧力值4)即為電弧圓域在右陽極板上的 投影面積對電弧壓力/^的積分，流過右陽極板的電流值/(^即為電弧圓域在右 陽極板上的投影面積對電流密度J(w的積分，如圖4所示，其表達式分別為
<formula>formula see original document page 13</formula>
上式中
X為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與右陽極板左側面的 距離，0Sl《i 附；
^為電弧半徑；
P(w為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布；
/^為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布；
P為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離；同理，對于左陽極板所受的電弧力值i^)即為電弧圓域在左陽極板上的投 影面積對電弧壓力&)的積分，流過左陽極板的電流值、)即為電弧圓域在左陽 極板上的投影面積對電流密度力W的積分，如圖5所示，其表達式分別為-
A (JC) = F顏—2 arccos(f. J
P (5)
A(x) 二 Lax 一 2犯ccos( f J
^ 乂山 (P)廣 (6)
附
上式中
x為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與左陽極板右側面的距離，
^為電弧半徑；
為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布； J(^為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布； p為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離；
《nM為左計算機所得的電弧力最大值，如圖6所示； /_為左計算機所得的電弧電流最大值，如圖7所示；
5)求解方程(3) (4)或(5) (6),得到電弧半圓域壓力&)和電弧半 圓域電流密度/(p)，從而作出電弧半圓域壓力分布曲線和電弧半圓域電流密度 分布曲線；根據圓的對稱性，以圓直徑為對稱軸，作出電弧整個圓域壓力分 布曲線和電弧整個圓域電流密度分布曲線，如圖8，圖9所示。
較好的跑弧面表面質量有利于獲得好的測量結果，因此在實驗前應對跑弧 面進行必要的處理，去除表面氧化物等，再作正式實驗；用于隔離
左、右陽極板的絕緣材料越薄對測量結果影響越小，同時絕緣材料緊貼
于左陽極的同時應與右陽極板有微小的間隔，以免影響兩陽極板各自所
受電弧力的測量；稱重傳感器的量程不大，為了防止因陽極板太重而壓
壞稱重傳感器，因此兩陽極板都開有相同大小的槽，塞入密度小于冷卻液密度的輕質塊以抵消陽極板的部分重量；為了防止實驗時對冷卻液液 面產生波動，對電弧力的測量產生影響，在容器上加上罩；對兩極板的 電弧力值、電弧電流值都多次測量，進行對照分析，提高實驗的準確性; 本實驗所選的電機，絲杠，導軌要求精度高，使電機能夠緩慢勻速帶動 絲杠轉動的同時使焊槍在導軌上緩慢勻速地運動，從而使電弧也隨之緩 慢勻速地運動，電弧運動速度越緩慢勻速，電弧受到外界的影響就越小， 電弧橫截面形態(tài)越接近圓形；當電弧從左向右越過絕緣材料時，流過左、 右陽極板的電弧力值，電弧電流值都發(fā)生變化，即作用在左陽極板上的 電弧力值、電流值下降，作用在右陽極板上的電弧力值、電弧電流值上 升，當電弧完全到達右陽極板表面時，左陽極板電弧力值、電弧電流值 都為零，右陽極板電弧力值、電弧電流值都達到最大，如附圖6， 7所示。 電弧力值，電流值的變化趨勢中包含著由上述模型指出的電弧壓力、電 弧電流密度分布的信息。
權利要求
1、一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置，其特征在于包括電機(1)、定位框(6)、固定在定位框(6)上的導軌(2)、安裝在定位框(6)上并與電機(1)相連的絲杠(3)、安裝在導軌(2)上的滑動件(4)、安裝在滑動件(4)下端的焊槍位置調整機構(5)、設置在定位框下方的平臺面(19)、固定在平臺面(19)和定位框(6)之間起到支撐定位框作用的支撐柱(20)、放置在平臺面上的容器(12)、放置在容器(12)內的陽極板和稱重傳感器、以及左電流傳感器(8)、左示波器(7)、右電流傳感器(21)、右示波器(22)、左AD轉換模塊(10)、右AD轉換模塊(17)、左計算機(9)和右計算機(18)；其中滑動件(4)連接在絲杠(3)上，滑動件(4)在絲杠(3)的帶動下能夠沿著導軌(2)滑動；所述的陽極板包括左陽極板(11)和右陽極板(16)，在左陽極板(11)和右陽極板(16)之間設置有絕緣材料(14)，在左陽極板(11)和容器(12)之間設置有左稱重傳感器(24)，在右陽極板(16)與容器(12)之間設置有右稱重傳感器(26)，左稱重傳感器(24)通過左AD轉換模塊(10)與左計算機(9)相連，右稱重傳感器(26)通過右AD轉換模塊(17)與右計算機(18)相連；在容器(12)內設置有冷卻液(25)，左陽極板(11)和右陽極板(16)都浸泡在冷卻液(25)中，左陽極板(11)與左電流傳感器(8)相連，左電流傳感器(8)與左示波器(7)相連；右陽極板接(16)與右電流傳感器(21)相連，右電流傳感器(21)與右示波器(22)相連；焊槍安裝在焊槍位置調整機構(5)的下端。
2、 根據權利要求l所述的一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置，其 特征在于在左陽極板(11)和右陽極板(16)上開有相同大小的槽，在槽 內塞入密度小于所述冷卻液密度的輕質塊(23)。
3、 根據權利要求l所述的一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置，其 特征在于所述的左電流傳感器(8)與右電流傳感器(21)是相同型號的電 流傳感器；所述的左示波器(7)與右示波器(22)是相同型號的示波器；所 述的左AD轉換模塊(10)與右AD轉換模塊(17)是相同型號的AD轉換模塊; 所述的左稱重傳感器(24)與右稱重傳感器(26)是相同型號的稱重傳感器。
4、 根據權利要求l所述的一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置，其 特征在于所述的絕緣材料的厚度為50微米 15Q微米。
5、使用權利要求1所述的測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置對電弧壓 力分布和電流密度分布進行測量的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)電機(1)帶動絲杠(3)勻速轉動，使焊槍(13)在導軌(2)上勻速地從左向右沿垂直絕緣材料(14)的方向運動，焊槍(13)與陽極板之間的電弧(15)隨焊槍也勻速地從左向右沿垂直絕緣材料(14)的方向運動；沿陽極板上表面的電弧區(qū)域記為電弧圓域；2) 作用在左陽極板上電弧力的采集由左稱重傳感器(24)、左AD轉換模 塊(10)、左計算機(9)來實現，并從左計算機上讀取電弧力值，記為《(x);作用在右陽極板上電弧力的采集由右稱重傳感器(26)、右AD轉換模塊 (17)、右計算機(18)來實現，并從右計算機上讀取電弧力值，記為F(x);作用在左陽極板上的電弧電流通過左電流傳感器(8)、由左示波器(7) 采集得到，并從左示波器(7)上讀取電弧電流值，記為/,(;c);作用在右陽極板上的電弧電流通過右電流傳感器(21)、由右示波器(22) 采集得到，并從右示波器(22)上讀取電弧電流值，記為/(x);3) 當電弧垂直通過絕緣材料(14)時，作用在左、右陽極板上的電弧力 值巧("、^)和流過左、右陽極板的電弧電流值/1(;0、、)都隨著焊槍相對于絕 緣材料位置發(fā)生變化而變化，并從變化趨勢得出電弧(15)從開始到右陽極 板(16)左側面至剛好完全進入右陽極板所需的時間Ar;絲杠的轉速等于電 機的轉速，由絲杠的轉速和導程得出電弧的運動速度r為60上式中-/^為絲杠的導程； "為電機的轉速；因此，電弧半徑&為上式中r為電弧的運動速度;Af為電弧從開始到右陽極板左側面至剛好完全進入右陽極板所需時 間；4)右陽極板所受的電弧力值7^即為電弧圓域在右陽極板上的投影面積 對電弧壓力4)的積分，流過右陽極板的電流值/("即為電弧圓域在右陽極板上 的投影面積對電流密度J(p)的積分，其表達式分別為<formula>formula see original document page 4</formula> 附上式中-義為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與右陽極板左側面的距離，^為電弧半徑；4)為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布； 力p)為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布； P為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離；同理，對于左陽極板所受的電弧力值i^)即為電弧圓域在左陽極板上的投 影面積對電弧壓力/^的積分，流過左陽極板的電流值/(,)即為電弧圓域在左陽 極板上的投影面積對電流密度J(w的積分，其表達式分別為<formula>formula see original document page 4</formula>(5)附 附上式中I為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域中心與左陽極板右側面的距離，i^為電弧半徑；/^為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域壓力分布； ^)為電弧垂直通過絕緣材料時電弧圓域電流密度分布； p為電弧圓域范圍內的任意點離圓心的距離； Fmax為左計算機所得的電弧力最大值； /max為左計算機所得的電弧電流最大值；5)求解方程(3) (4)或(5) (6)，得到電弧半圓域壓力i^)和電弧半 圓域電流密度J(w，從而作出電弧半圓域壓力分布曲線和電弧半圓域電流密度 分布曲線；根據圓的對稱性，以圓直徑為對稱軸，作出電弧整個圓域壓力分 布曲線和電弧整個圓域電流密度分布曲線。
全文摘要
本發(fā)明是一種測量電弧壓力分布和電流密度分布的裝置及測量方法，屬于電弧測試技術領域。本裝置包括電機、定位框、固定在定位框上的導軌、安裝在導軌上的滑動件、安裝在滑動件下端的焊槍位置調整機構、設置在定位框下方的平臺面、放置在平臺面上的容器、放置在容器內的陽極板和稱重傳感器。測量時，電機帶動絲杠轉動，進而帶動焊槍在導軌上沿垂直絕緣材料方向運動。采集作用在兩陽極板上的電弧力和電弧電流值，然后建立電弧力值與電弧圓域壓力分布、電弧電流值與電弧圓域電流密度分布的數學模型，然后求解，再作出電弧圓域壓力分布和圓域電流密度分布曲線。本發(fā)明實現了對微觀電弧壓力分布與電弧電流密度分布的同時測量，并且裝置制作簡單，測試步驟簡潔。
文檔編號G01R19/08GK101564786SQ20091008620
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者洋 于, 白韶軍, 陳樹君, 陶東波 申請人:北京工業(yè)大學