電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置的製作方法
2023-04-27 15:23:56
專利名稱：電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子束流加工技術領域，特別是一種電子束流品質測試的高速偏擺掃 描控制裝置。
背景技術：
對一臺電子束焊機，為研究電子槍的理論設計與實際的差異，電子槍供電系統的 穩定度與真空度變化等因素對電子束斑點直徑與功率密度分布的影響，以及束斑尺寸與位 置對焊縫成形的影響，需要精確地研究束流的特性，定量地測得電子束焦點的位置、直徑及 束流功率密度的分布。但由於焊接用電子束一般功率大、焦點的功率密度高，能熔化任何難 熔材料，電子束流功率在10 15KW條件下可以穿透100 150mm厚度的不鏽鋼，即使導熱 最好的紫銅材料，電子束流功率IOKW也能穿透50 70mm以上，這就給測量帶來困難。一般在實際的電子束流焊接加工和束流測試中所測試的電子束流功率都較小。簡 單的經驗測量法是利用小束流在某一高度試塊上調節聚焦電流，通過觀察束流斑點直徑 (使用光學潛望鏡)或光線強弱和飛濺大小(肉眼觀測)等來大致判斷束流直徑和能量分 布。AB法(Arata-Beam Test Method，日本Arata教授發明)測量電子束流的束流直徑空 間分布和焦點，是將金屬片豎直放置在不同的高度，呈鋸齒斜坡狀，電子束流沿斜坡掃過， 通過測量電子束流在金屬片上熔化寬度的痕跡，測定電子束流在不同工作距離的空間直徑 和焦點位置。AB法檢測結果誤差較大，不能測量大功率電子束流。德國DIABEAM電子束流 能量密度測試系統可以測量較大功率電子束流的束斑直徑和電子束流能量密度分布，但是 其系統的掃描波形單一，且無法改變，柔性低。
發明內容
本發明的目的在於提供一種測量電子束流品質的高速偏擺掃描控制裝置，能夠防 止電子束流對傳感器穿透破壞，而且掃描速度可以調節，並定量地測量電子束束流直徑及 束流功率密度的分布。實現本發明目的的技術解決方案為一種電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制 裝置，由複雜可編程邏輯器件、串口通信電路、時鐘電路、復位電路、電源電路、數模轉換電 路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路構成，複雜可編程邏輯器件分別與串口通 信電路、時鐘電路、復位電路、電源電路、兩路波形發生電路連接，串口通信電路與工控機連 接，兩路同步波形發生電路由數模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路 組成，兩路功率放大電路與電磁偏轉線圈連接；時鐘電路經過複雜可編程邏輯器件分頻，產 生多種頻率的時鐘分別用於串口通信、採集卡控制和頻率可變的波形發生；工控機經過串 口通信電路控制複雜可編程邏輯器件，在時鐘電路的觸發下，複雜可編程邏輯器件產生兩 路波形的數字量，經過數模轉換電路輸出模擬波形，低通濾波電路濾除模擬波形中的高次 諧波，濾波後的信號經過光電隔離電路輸入功率放大器，放大後的信號驅動電磁偏轉線圈 產生磁場使電子束偏轉掃描。
本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)採用複雜可編程邏輯器件(CPLD)和12 位數模轉換晶片，使電子束偏擺掃描的控制精度高，而且數字電路可以極大的提高裝置的 抗幹擾能力。(2) CPLD外接的晶振頻率最大可超過100MHz，在保證波形精度的條件下，配合 高速數模轉換晶片和高速集成運放可輸出高頻控制信號，並且在同一個時鐘的控制下，兩 路控制波形時序達到了很好的同步。(3)可由用戶多次自行編輯所需波形數據下栽到可編 程邏輯器件中，在不改變整個系統硬體連接的情況下，輸出用戶所需的特殊波形，實現了傳 統的函數信號發生器不具有的一些波形的產生。(4)由於偏轉掃描線圈是感性負載，負載阻 抗會隨輸入的頻率變換而變化，採用恆流源功率放大器可以使輸出電流不受負載的影響， 這樣產生的交變磁場與控制信號時序關係準確對應。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1是電子束品質測試系統示意圖。
圖2是電子束流在傳感器上表面的掃描路徑。
圖3是控制信號同步關係示意圖。
圖4是電子束品質測試的偏擺掃描控制裝置電器原理示意圖。
圖5是電源電路原理圖。
圖6是時鐘電路原理圖。
圖7是串口通信電路原理圖。
圖8是復位電路原理圖。
圖9是可編程邏輯控制電路原理圖。
圖10是數模轉換、濾波和光電隔離電路原理圖。
圖11是CPLD控制程序流程圖。
圖12是Ua = 150kV, Ib = 15mA, H = 214mm工況下準瞬態功率密度分布。
圖13是Ua = 150kV, Ib = 15mA, H = 214mm工況下準瞬態功率密度分布投影
具體實施例方式本發明高速偏擺掃描控制裝置是對電子束流品質，包括束流斑點的直徑及束流功 率密度的分布進行測試，位於電子束品質測試系統中，該電子束品質測試系統包括電子束 焊機、工控機8和工控機顯示器9，電子束焊機包括聚焦線圈1、偏擺線圈2和真空工作室4， 在測試時，真空工作室4內放置電磁偏轉線圈3、能量吸收裝置(銅、不鏽鋼等金屬)5、傳感 器6，聚焦線圈1、偏擺線圈2、電磁偏轉線圈3同軸，電磁偏轉線圈3的上表面緊貼真空工作 室4的頂部，電磁偏轉線圈3與偏轉掃描控制裝置7連接，工控機8通過DB-9連接器與偏 轉掃描控制裝置7連接，工控機8通過屏蔽電纜與傳感器6連接。偏轉掃描控制裝置7通 過PS-2連接器與工控機8中的研華PCI1714採集卡相連，給採集卡提供採樣觸發信號和採 樣時鐘。功率放大器放大後的信號通過屏蔽電纜驅動圖1中電磁偏轉線圈3產生交變的磁 場使電子束偏轉掃描。電子束流在電子槍中產生，經過靜電聚焦後，再根據使用需要由電子束焊機的聚 焦線圈1和偏擺線圈2控制其聚焦狀態和小角度偏擺。電子束穿過聚焦線圈1、偏擺線圈2、電磁偏轉線圈3，在偏轉掃描控制裝置7的控制下，電磁偏轉線圈3可以對大功率電子束 流產生大偏擺角度控制和不同平面圖形的掃描控制，電子束髮生大角度偏轉至能量吸收裝 置5上，防止電子束直接碰撞到傳感器6上而損壞傳感器6，等待測試，當偏轉掃描控制裝置 7接收到工控機8發來的二進位控制代碼後執行相應的掃描頻率、信號波形、採集卡採樣速 率，電子束在傳感器6的表面來回掃描，掃描範圍邊長為l_2cm正方形，掃描方式如圖2所
7J\ ο本發明電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置7，由複雜可編程邏輯器件、串 口通信電路、時鐘電路、復位電路、電源電路、數模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路 和功率放大電路構成，複雜可編程邏輯器件分別與串口通信電路、時鐘電路、復位電路、電 源電路、兩路波形發生電路連接，串口通信電路與工控機連接，兩路同步波形發生電路由數 模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路組成，兩路功率放大電路與電磁 偏轉線圈連接；時鐘電路經過複雜可編程邏輯器件分頻，產生多種頻率的時鐘分別用於串 口通信、採集卡控制和頻率可變的波形發生；工控機經過串口通信電路控制複雜可編程邏 輯器件，在時鐘電路的觸發下，複雜可編程邏輯器件產生兩路波形的數字量，經過數模轉換 電路輸出模擬波形，低通濾波電路濾除模擬波形中的高次諧波，濾波後的信號經過光電隔 離電路輸入功率放大器，放大後的信號驅動電磁偏轉線圈產生磁場使電子束偏轉掃描，其 具體實現的電路如下。結合圖1、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10。圖5是電源電路，第一端子Jl 接入士 12V電源，第一開關Sl控制電源接通，第一電容Cl和第十五電容C15對+12V電源 濾波，第二電容C2和第十六電容C16對-12V電源濾波，第一二極體Dl和第二二極體D2指 示電源通斷是否正常，第一電阻Rl和第二電阻R2分別限制流過第一二極體Dl和第二二極 管D2的電流大小，第三晶片U3是輸出+5V的穩壓晶片7805，第二十電容C20和第二十二 電容C22對第三晶片U3的輸入端和輸出端進行濾波，第二晶片U2是輸出-5V的穩壓晶片 7905，第十九電容C19和第二十一電容C21對第二晶片U2的輸入端和輸出端進行濾波，第 一晶片Ul是輸出+3. 3V的穩壓晶片LM1117，第八電容C8和第十七電容C17對第一晶片Ul 的輸入端濾波，第十電容ClO和第十八電容C18對第一晶片Ul的輸出端濾波。圖6是時鐘 電路，第一電阻Rl限制第一有源晶振Yl輸入第五晶片U5中的電流大小。圖7是串口通信 電路，串口通信的物理接口選用RS-232，其連接器是第二端子J2，即DB-9，RS-232標準規定 邏輯1的電平為-15V -3V，邏輯0的電平為+3V +15V，第五晶片U5的I/O輸入輸出電 壓為0 3. 3V，所以必須加第四晶片U4進行電平轉換，其中第三電容C3、第四4電容C4、第 五電容C5、第六電容C6和第七電容C7是第四晶片U4的外圍電容。圖8是復位電路，當第 二開關S2被按下時，復位I/O輸入零電位，第五晶片TO內部電路被復位到初始狀態。圖9 是可編程邏輯控制電路，其中U5A、U5B和U5C分模塊表示了第五晶片U5的組成，器件型號 為ALTERA公司的EPM570T100C5N，第一插座JPl用於CPLD的JTAG模式編程，向器件下載設 計文件來實現系統的邏輯功能。圖10是兩路同步波形其中一路的電路圖，該電路實現了數 模轉換、濾波、光電隔離的功能，第六晶片U6是12位數模轉換晶片DAC7541，第六晶片TO輸 入端與CPLD的I/O連接，接收並行的12位數位訊號，第六晶片TO以電流形式輸出，因此接 入第十二晶片U12A和U12B，在U12B的輸出端將變化的電流轉換成峰值士5V的電壓波形， 第二十二電阻R22和第二十五C25組成一階低通濾波器，濾除電輸出信號中的高次諧波，濾波後的信號要經過光電隔離才能輸入功率放大器，這樣可以保護前級電路不受功率放大器 高壓大電流的影響。第十晶片UlO和第十一晶片Ul 1是高線性度光電耦合器件HCNR201，由 於第四二極體D4和第五二極體D5的作用，當經過第二十二電阻R22的信號為正時，第五二 極管D5導通，第四二極體D4截止，第七晶片U7成開環狀態，第十晶片UlO工作，第十一芯 片Ull關斷，當經過第二十二電阻R22的信號為負時，則正好相反。第二十四電容C24和第 二十六電容C26為反饋電容，用於提高電路的穩定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信 號，降低電路的輸出噪聲。第八晶片U8、第十七電阻R17和第二十七電容C27把光耦輸出的 電流信號轉換成電壓信號以供後級電路使用，並增強負載驅動能力，降低輸出阻抗。第三二 極管D3、第六二極體D6與第七二極體D7、第八二極體D8的作用是分別為第十晶片UlO和 第十一晶片Ull的發光二極體提供導通電壓，減小信號的交越失真。信號經過光電轉換後 輸入功率放大器，其主要技術指標①工作方式恆流方式，②輸入阻抗> IOK Ω，③輸入 信號幅值彡5Vp，④輸出電流彡5Ap，⑤輸出電壓彡50Vp，⑥頻率響應0_10ΚΗζ 士 ldb， ⑦失真度< 0. 5%，⑧相移2°，⑨零點漂移最大士20mv，⑩零輸入噪聲< 15mVpp。將 所有的電路組裝起來，使用鋁合金為整個偏擺掃描裝置的外殼，最後裝置如圖1中偏擺掃 描控制裝置7所示。 測試前先將對CPLD進行編程和配置，CPLD上電後執行過程如圖11所示，其中x_ out和y_out分別為輸入數模轉換晶片的12位數字量。測試開始時將電子束流預先偏轉 到能量吸收裝置 5 上，CPLD 輸出 x_out = 000000000000，y_out = 000000000000，在工控 機顯示器9上位機軟體中選擇好參數發送到偏轉掃描控制裝置7，第五晶片U5從預先偏轉 狀態接收到偏轉信號等於1且檢測到時鐘上升沿時，開始產生兩路同步波形的數字量，採 集卡觸發信號等於1，採樣時鐘啟動使採集卡採樣。每次檢測到時鐘上升沿時，x_out = x_ out士63，電子束流隨波形數字量x_out的增加從能量吸收裝置5上迅速偏轉到傳感器6 上，當 x_out = 111111111111 或 x_out = 000000000000 時，y_out = y_out+63,直至 y_out =111111111111時掃描過程結束且電子束回到初始狀態。電子束流在傳感器表面往返掃 描時，傳感器6接收微弱電流信號並經過其內部電路轉化放大成電壓信號，電壓信號經過 屏蔽電纜被工控機8中的採集卡採集。採集到的信號存儲在工控機8內，經過軟體三維重構 顯示在工控機顯示器9上，得到的測試結果如圖12和圖13所示。在電子束加速電壓Ua = 150kV，電子束電流Ib = 15mA，偏轉線圈到工作平面的距離H = 214mm條件下對ZD150-15A 型電子束焊機的電子束束流進行測試，其中圖12為束流的三維準瞬態功率密度分布圖，圖 形顯示電子束的功率密度近似高斯分布，圖13為圖12分布數據在XY平面上的投影，在一 定H下束流的直徑dx%由(χ = 10 90)束流功率處的等值線確定，如80%處X方向束 流直徑 d8(l%= 0. 82mm。
權利要求
一種電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置，其特徵在於由複雜可編程邏輯器件、串口通信電路、時鐘電路、復位電路、電源電路、數模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路構成，複雜可編程邏輯器件分別與串口通信電路、時鐘電路、復位電路、電源電路、兩路波形發生電路連接，串口通信電路與工控機連接，兩路同步波形發生電路由數模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路組成，兩路功率放大電路與電磁偏轉線圈連接；時鐘電路經過複雜可編程邏輯器件分頻，產生多種頻率的時鐘分別用於串口通信、採集卡控制和頻率可變的波形發生；工控機經過串口通信電路控制複雜可編程邏輯器件，在時鐘電路的觸發下，複雜可編程邏輯器件產生兩路波形的數字量，經過數模轉換電路輸出模擬波形，低通濾波電路濾除模擬波形中的高次諧波，濾波後的信號經過光電隔離電路輸入功率放大器，放大後的信號驅動電磁偏轉線圈產生磁場使電子束偏轉掃描。
2.根據權利要求1所述的電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置，其特徵在於實 現的具體電路為電源電路的第一端子Jl接入士 12V電源，第一開關Sl控制電源接通，第 一電容Cl和第十五電容C15對+12V電源濾波，第二電容C2和第十六電容C16對-12V電 源濾波，第一二極體Dl和第二二極體D2指示電源通斷是否正常，第一電阻Rl和第二電阻 R2分別限制流過第一二極體Dl和第二二極體D2的電流大小，第三晶片U3是輸出+5V的穩 壓晶片7805，第二十電容C20和第二十二電容C22對第三晶片U3的輸入端和輸出端進行濾 波，第二晶片U2是輸出-5V的穩壓晶片7905，第十九電容C19和第二i^一電容C21對第二 晶片U2的輸入端和輸出端進行濾波，第一晶片Ul是輸出+3. 3V的穩壓晶片LM1117，第八電 容C8和第十七電容C17對第一晶片Ul的輸入端濾波，第十電容ClO和第十八電容C18對第 一晶片Ul的輸出端濾波，士5V和3. 3V電源分別對第六晶片U6、第四晶片U4、第五晶片U5 和時鐘電路提供電壓；時鐘電路的第一電阻Rl限制第一有源晶振Yl輸入第五晶片TO中的 電流大小，串口通信電路的物理接口選用RS-232，其連接器是第二端子J2，即DB-9，RS-232 標準規定邏輯1的電平為-15V -3V，邏輯0的電平為+3V +15V，第五晶片U5的I/O輸 入輸出電壓為0 3. 3V，所以必須加第四晶片U4進行電平轉換，其中第三電容C3、第四4 電容C4、第五電容C5、第六電容C6和第七電容C7是第四晶片U4的外圍電容；復位電路中， 當第二開關S2被按下時，復位I/O輸入零電位，第五晶片U5內部電路被復位到初始狀態； 複雜可編程邏輯器件中的U5A、U5B和U5C分模塊表示了第五晶片U5的組成，U5A是U5的 主要I/O接口，提供給外部電路高低電平信號，U5B和第一插座JPl用於CPLD的JTAG模式 編程，向器件下載設計文件來實現系統的邏輯功能；U5C是U5的電源接入端子，U5A的I/O 與兩路同步波形電路連接，實現了數模轉換、濾波、光電隔離的功能，第六晶片U6是12位數 模轉換晶片DAC7541，第六晶片U6輸入端與CPLD的I/O連接，接收並行的12位數位訊號， 第六晶片U6以電流形式輸出，因此接入第十二晶片U12A和U12B，在U12B的輸出端將變化 的電流轉換成峰值士 5V的電壓波形，第二十二電阻R22和第二十五C25組成一階低通濾波 器，濾除電輸出信號中的高次諧波，濾波後的信號要經過光電隔離才能輸入功率放大器，第 十晶片UlO和第十一晶片Ull是高線性度光電耦合器件HCNR201，由於第四二極體D4和第 五二極體D5的作用，當經過第二十二電阻R22的信號為正時，第五二極體D5導通，第四二 極管D4截止，第七晶片U7成開環狀態，第十晶片UlO工作，第十一晶片Ul 1關斷，當經過第 二十二電阻R22的信號為負時，則正好相反；第二十四電容C24和第二十六電容C26為反饋電容，用於提高電路的穩定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號，降低電路的輸出噪 聲；第八晶片U8、第十七電阻R17和第二十七電容C27把光耦輸出的電流信號轉換成電壓 信號以供後級電路使用，並增強負載驅動能力，降低輸出阻抗；第三二極體D3、第六二極體 D6與第七二極體D7、第八二極體D8的作用是分別為第十晶片UlO和第十一晶片Ull的發 光二極體提供導通電壓，減小信號的交越失真。
3.根據權利要求1所述的電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置，其特徵 在於測試開始時將電子束流預先偏轉到能量吸收裝置[5]上，CPLD輸出X_out = 000000000000,y_out = 000000000000，在工控機顯示器[9]上位機軟體中選擇好參數發送 到偏轉掃描控制裝置[7]，第五晶片U5從預先偏轉狀態接收到偏轉信號等於1且檢測到時 鐘上升沿時，開始產生兩路同步波形的數字量，採集卡觸發信號等於1，採樣時鐘啟動使採 集卡採樣；每次檢測到時鐘上升沿時，x_out = x_out士63，電子束流隨波形數字量1_0此的 增加從能量吸收裝置[5]上迅速偏轉到傳感器[6]上，當x_out = 111111111111或1_0肚 =000000000000 時，y_out = y_out+63，直至 y_out = 111111111111 時掃描過程結束且電 子束回到初始狀態。
全文摘要
本發明涉及一種電子束流品質測試的高速偏擺掃描控制裝置，複雜可編程邏輯器件分別與串口通信等電路連接，串口通信電路與工控機連接，兩路同步波形發生電路由數模轉換電路、低通濾波電路、光電隔離電路和功率放大電路組成，兩路功率放大電路與電磁偏轉線圈連接；時鐘電路經過複雜可編程邏輯器件分頻，產生多種頻率的時鐘分別用於串口通信、採集卡控制和頻率可變的波形發生；工控機經過串口通信電路控制複雜可編程邏輯器件，在時鐘電路的觸發下，複雜可編程邏輯器件產生兩路波形的數字量，放大後的信號驅動電磁偏轉線圈產生磁場使電子束偏轉掃描。本發明使電子束偏擺掃描的控制精度高，而且數字電路可以極大的提高裝置的抗幹擾能力。
文檔編號G01B7/12GK101966620SQ20101026382
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者付鵬飛, 馮曰海, 周琦, 左從進, 彭勇, 毛智勇, 王亞軍, 王克鴻, 郭光耀, 顧民樂 申請人:南京理工大學