专利名称：电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子束流加工技术领域，特别是一种电子束流品质测试的高速偏摆扫 描控制装置。
背景技术：
对一台电子束焊机，为研究电子枪的理论设计与实际的差异，电子枪供电系统的 稳定度与真空度变化等因素对电子束斑点直径与功率密度分布的影响，以及束斑尺寸与位 置对焊缝成形的影响，需要精确地研究束流的特性，定量地测得电子束焦点的位置、直径及 束流功率密度的分布。但由于焊接用电子束一般功率大、焦点的功率密度高，能熔化任何难 熔材料，电子束流功率在10 15KW条件下可以穿透100 150mm厚度的不锈钢，即使导热 最好的紫铜材料，电子束流功率IOKW也能穿透50 70mm以上，这就给测量带来困难。一般在实际的电子束流焊接加工和束流测试中所测试的电子束流功率都较小。简 单的经验测量法是利用小束流在某一高度试块上调节聚焦电流，通过观察束流斑点直径 (使用光学潜望镜)或光线强弱和飞溅大小(肉眼观测)等来大致判断束流直径和能量分 布。AB法(Arata-Beam Test Method，日本Arata教授发明)测量电子束流的束流直径空 间分布和焦点，是将金属片竖直放置在不同的高度，呈锯齿斜坡状，电子束流沿斜坡扫过， 通过测量电子束流在金属片上熔化宽度的痕迹，测定电子束流在不同工作距离的空间直径 和焦点位置。AB法检测结果误差较大，不能测量大功率电子束流。德国DIABEAM电子束流 能量密度测试系统可以测量较大功率电子束流的束斑直径和电子束流能量密度分布，但是 其系统的扫描波形单一，且无法改变，柔性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量电子束流品质的高速偏摆扫描控制装置，能够防 止电子束流对传感器穿透破坏，而且扫描速度可以调节，并定量地测量电子束束流直径及 束流功率密度的分布。实现本发明目的的技术解决方案为一种电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制 装置，由复杂可编程逻辑器件、串口通信电路、时钟电路、复位电路、电源电路、数模转换电 路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路构成，复杂可编程逻辑器件分别与串口通 信电路、时钟电路、复位电路、电源电路、两路波形发生电路连接，串口通信电路与工控机连 接，两路同步波形发生电路由数模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路 组成，两路功率放大电路与电磁偏转线圈连接；时钟电路经过复杂可编程逻辑器件分频，产 生多种频率的时钟分别用于串口通信、采集卡控制和频率可变的波形发生；工控机经过串 口通信电路控制复杂可编程逻辑器件，在时钟电路的触发下，复杂可编程逻辑器件产生两 路波形的数字量，经过数模转换电路输出模拟波形，低通滤波电路滤除模拟波形中的高次 谐波，滤波后的信号经过光电隔离电路输入功率放大器，放大后的信号驱动电磁偏转线圈 产生磁场使电子束偏转扫描。
本发明与现有技术相比，其显著优点(1)采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)和12 位数模转换芯片，使电子束偏摆扫描的控制精度高，而且数字电路可以极大的提高装置的 抗干扰能力。(2) CPLD外接的晶振频率最大可超过100MHz，在保证波形精度的条件下，配合 高速数模转换芯片和高速集成运放可输出高频控制信号，并且在同一个时钟的控制下，两 路控制波形时序达到了很好的同步。(3)可由用户多次自行编辑所需波形数据下栽到可编 程逻辑器件中，在不改变整个系统硬件连接的情况下，输出用户所需的特殊波形，实现了传 统的函数信号发生器不具有的一些波形的产生。(4)由于偏转扫描线圈是感性负载，负载阻 抗会随输入的频率变换而变化，采用恒流源功率放大器可以使输出电流不受负载的影响， 这样产生的交变磁场与控制信号时序关系准确对应。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是电子束品质测试系统示意图。
图2是电子束流在传感器上表面的扫描路径。
图3是控制信号同步关系示意图。
图4是电子束品质测试的偏摆扫描控制装置电器原理示意图。
图5是电源电路原理图。
图6是时钟电路原理图。
图7是串口通信电路原理图。
图8是复位电路原理图。
图9是可编程逻辑控制电路原理图。
图10是数模转换、滤波和光电隔离电路原理图。
图11是CPLD控制程序流程图。
图12是Ua = 150kV, Ib = 15mA, H = 214mm工况下准瞬态功率密度分布。
图13是Ua = 150kV, Ib = 15mA, H = 214mm工况下准瞬态功率密度分布投影
具体实施例方式本发明高速偏摆扫描控制装置是对电子束流品质，包括束流斑点的直径及束流功 率密度的分布进行测试，位于电子束品质测试系统中，该电子束品质测试系统包括电子束 焊机、工控机8和工控机显示器9，电子束焊机包括聚焦线圈1、偏摆线圈2和真空工作室4， 在测试时，真空工作室4内放置电磁偏转线圈3、能量吸收装置(铜、不锈钢等金属)5、传感 器6，聚焦线圈1、偏摆线圈2、电磁偏转线圈3同轴，电磁偏转线圈3的上表面紧贴真空工作 室4的顶部，电磁偏转线圈3与偏转扫描控制装置7连接，工控机8通过DB-9连接器与偏 转扫描控制装置7连接，工控机8通过屏蔽电缆与传感器6连接。偏转扫描控制装置7通 过PS-2连接器与工控机8中的研华PCI1714采集卡相连，给采集卡提供采样触发信号和采 样时钟。功率放大器放大后的信号通过屏蔽电缆驱动图1中电磁偏转线圈3产生交变的磁 场使电子束偏转扫描。电子束流在电子枪中产生，经过静电聚焦后，再根据使用需要由电子束焊机的聚 焦线圈1和偏摆线圈2控制其聚焦状态和小角度偏摆。电子束穿过聚焦线圈1、偏摆线圈2、电磁偏转线圈3，在偏转扫描控制装置7的控制下，电磁偏转线圈3可以对大功率电子束 流产生大偏摆角度控制和不同平面图形的扫描控制，电子束发生大角度偏转至能量吸收装 置5上，防止电子束直接碰撞到传感器6上而损坏传感器6，等待测试，当偏转扫描控制装置 7接收到工控机8发来的二进制控制代码后执行相应的扫描频率、信号波形、采集卡采样速 率，电子束在传感器6的表面来回扫描，扫描范围边长为l_2cm正方形，扫描方式如图2所
7J\ ο本发明电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置7，由复杂可编程逻辑器件、串 口通信电路、时钟电路、复位电路、电源电路、数模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路 和功率放大电路构成，复杂可编程逻辑器件分别与串口通信电路、时钟电路、复位电路、电 源电路、两路波形发生电路连接，串口通信电路与工控机连接，两路同步波形发生电路由数 模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路组成，两路功率放大电路与电磁 偏转线圈连接；时钟电路经过复杂可编程逻辑器件分频，产生多种频率的时钟分别用于串 口通信、采集卡控制和频率可变的波形发生；工控机经过串口通信电路控制复杂可编程逻 辑器件，在时钟电路的触发下，复杂可编程逻辑器件产生两路波形的数字量，经过数模转换 电路输出模拟波形，低通滤波电路滤除模拟波形中的高次谐波，滤波后的信号经过光电隔 离电路输入功率放大器，放大后的信号驱动电磁偏转线圈产生磁场使电子束偏转扫描，其 具体实现的电路如下。结合图1、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10。图5是电源电路，第一端子Jl 接入士 12V电源，第一开关Sl控制电源接通，第一电容Cl和第十五电容C15对+12V电源 滤波，第二电容C2和第十六电容C16对-12V电源滤波，第一二极管Dl和第二二极管D2指 示电源通断是否正常，第一电阻Rl和第二电阻R2分别限制流过第一二极管Dl和第二二极 管D2的电流大小，第三芯片U3是输出+5V的稳压芯片7805，第二十电容C20和第二十二 电容C22对第三芯片U3的输入端和输出端进行滤波，第二芯片U2是输出-5V的稳压芯片 7905，第十九电容C19和第二十一电容C21对第二芯片U2的输入端和输出端进行滤波，第 一芯片Ul是输出+3. 3V的稳压芯片LM1117，第八电容C8和第十七电容C17对第一芯片Ul 的输入端滤波，第十电容ClO和第十八电容C18对第一芯片Ul的输出端滤波。图6是时钟 电路，第一电阻Rl限制第一有源晶振Yl输入第五芯片U5中的电流大小。图7是串口通信 电路，串口通信的物理接口选用RS-232，其连接器是第二端子J2，即DB-9，RS-232标准规定 逻辑1的电平为-15V -3V，逻辑0的电平为+3V +15V，第五芯片U5的I/O输入输出电 压为0 3. 3V，所以必须加第四芯片U4进行电平转换，其中第三电容C3、第四4电容C4、第 五电容C5、第六电容C6和第七电容C7是第四芯片U4的外围电容。图8是复位电路，当第 二开关S2被按下时，复位I/O输入零电位，第五芯片TO内部电路被复位到初始状态。图9 是可编程逻辑控制电路，其中U5A、U5B和U5C分�？楸硎玖说谖逍酒琔5的组成，器件型号 为ALTERA公司的EPM570T100C5N，第一插座JPl用于CPLD的JTAG模式编程，向器件下载设 计文件来实现系统的逻辑功能。图10是两路同步波形其中一路的电路图，该电路实现了数 模转换、滤波、光电隔离的功能，第六芯片U6是12位数模转换芯片DAC7541，第六芯片TO输 入端与CPLD的I/O连接，接收并行的12位数字信号，第六芯片TO以电流形式输出，因此接 入第十二芯片U12A和U12B，在U12B的输出端将变化的电流转换成峰值士5V的电压波形， 第二十二电阻R22和第二十五C25组成一阶低通滤波器，滤除电输出信号中的高次谐波，滤波后的信号要经过光电隔离才能输入功率放大器，这样可以保护前级电路不受功率放大器 高压大电流的影响。第十芯片UlO和第十一芯片Ul 1是高线性度光电耦合器件HCNR201，由 于第四二极管D4和第五二极管D5的作用，当经过第二十二电阻R22的信号为正时，第五二 极管D5导通，第四二极管D4截止，第七芯片U7成开环状态，第十芯片UlO工作，第十一芯 片Ull关断，当经过第二十二电阻R22的信号为负时，则正好相反。第二十四电容C24和第 二十六电容C26为反馈电容，用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信 号，降低电路的输出噪声。第八芯片U8、第十七电阻R17和第二十七电容C27把光耦输出的 电流信号转换成电压信号以供后级电路使用，并增强负载驱动能力，降低输出阻抗。第三二 极管D3、第六二极管D6与第七二极管D7、第八二极管D8的作用是分别为第十芯片UlO和 第十一芯片Ull的发光二极管提供导通电压，减小信号的交越失真。信号经过光电转换后 输入功率放大器，其主要技术指标①工作方式恒流方式，②输入阻抗> IOK Ω，③输入 信号幅值彡5Vp，④输出电流彡5Ap，⑤输出电压彡50Vp，⑥频率响应0_10ΚΗζ 士 ldb， ⑦失真度< 0. 5%，⑧相移2°，⑨零点漂移最大士20mv，⑩零输入噪声< 15mVpp。将 所有的电路组装起来，使用铝合金为整个偏摆扫描装置的外壳，最后装置如图1中偏摆扫 描控制装置7所示。 测试前先将对CPLD进行编程和配置，CPLD上电后执行过程如图11所示，其中x_ out和y_out分别为输入数模转换芯片的12位数字量。测试开始时将电子束流预先偏转 到能量吸收装置 5 上，CPLD 输出 x_out = 000000000000，y_out = 000000000000，在工控 机显示器9上位机软件中选择好参数发送到偏转扫描控制装置7，第五芯片U5从预先偏转 状态接收到偏转信号等于1且检测到时钟上升沿时，开始产生两路同步波形的数字量，采 集卡触发信号等于1，采样时钟启动使采集卡采样。每次检测到时钟上升沿时，x_out = x_ out士63，电子束流随波形数字量x_out的增加从能量吸收装置5上迅速偏转到传感器6 上，当 x_out = 111111111111 或 x_out = 000000000000 时，y_out = y_out+63,直至 y_out =111111111111时扫描过程结束且电子束回到初始状态。电子束流在传感器表面往返扫 描时，传感器6接收微弱电流信号并经过其内部电路转化放大成电压信号，电压信号经过 屏蔽电缆被工控机8中的采集卡采集。采集到的信号存储在工控机8内，经过软件三维重构 显示在工控机显示器9上，得到的测试结果如图12和图13所示。在电子束加速电压Ua = 150kV，电子束电流Ib = 15mA，偏转线圈到工作平面的距离H = 214mm条件下对ZD150-15A 型电子束焊机的电子束束流进行测试，其中图12为束流的三维准瞬态功率密度分布图，图 形显示电子束的功率密度近似高斯分布，图13为图12分布数据在XY平面上的投影，在一 定H下束流的直径dx%由(χ = 10 90)束流功率处的等值线确定，如80%处X方向束 流直径 d8(l%= 0. 82mm。
权利要求
一种电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置，其特征在于由复杂可编程逻辑器件、串口通信电路、时钟电路、复位电路、电源电路、数模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路构成，复杂可编程逻辑器件分别与串口通信电路、时钟电路、复位电路、电源电路、两路波形发生电路连接，串口通信电路与工控机连接，两路同步波形发生电路由数模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路组成，两路功率放大电路与电磁偏转线圈连接；时钟电路经过复杂可编程逻辑器件分频，产生多种频率的时钟分别用于串口通信、采集卡控制和频率可变的波形发生；工控机经过串口通信电路控制复杂可编程逻辑器件，在时钟电路的触发下，复杂可编程逻辑器件产生两路波形的数字量，经过数模转换电路输出模拟波形，低通滤波电路滤除模拟波形中的高次谐波，滤波后的信号经过光电隔离电路输入功率放大器，放大后的信号驱动电磁偏转线圈产生磁场使电子束偏转扫描。
2.根据权利要求1所述的电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置，其特征在于实 现的具体电路为电源电路的第一端子Jl接入士 12V电源，第一开关Sl控制电源接通，第 一电容Cl和第十五电容C15对+12V电源滤波，第二电容C2和第十六电容C16对-12V电 源滤波，第一二极管Dl和第二二极管D2指示电源通断是否正常，第一电阻Rl和第二电阻 R2分别限制流过第一二极管Dl和第二二极管D2的电流大�。谌酒琔3是输出+5V的稳 压芯片7805，第二十电容C20和第二十二电容C22对第三芯片U3的输入端和输出端进行滤 波，第二芯片U2是输出-5V的稳压芯片7905，第十九电容C19和第二i^一电容C21对第二 芯片U2的输入端和输出端进行滤波，第一芯片Ul是输出+3. 3V的稳压芯片LM1117，第八电 容C8和第十七电容C17对第一芯片Ul的输入端滤波，第十电容ClO和第十八电容C18对第 一芯片Ul的输出端滤波，士5V和3. 3V电源分别对第六芯片U6、第四芯片U4、第五芯片U5 和时钟电路提供电压；时钟电路的第一电阻Rl限制第一有源晶振Yl输入第五芯片TO中的 电流大小，串口通信电路的物理接口选用RS-232，其连接器是第二端子J2，即DB-9，RS-232 标准规定逻辑1的电平为-15V -3V，逻辑0的电平为+3V +15V，第五芯片U5的I/O输 入输出电压为0 3. 3V，所以必须加第四芯片U4进行电平转换，其中第三电容C3、第四4 电容C4、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7是第四芯片U4的外围电容；复位电路中， 当第二开关S2被按下时，复位I/O输入零电位，第五芯片U5内部电路被复位到初始状态； 复杂可编程逻辑器件中的U5A、U5B和U5C分�？楸硎玖说谖逍酒琔5的组成，U5A是U5的 主要I/O接口，提供给外部电路高低电平信号，U5B和第一插座JPl用于CPLD的JTAG模式 编程，向器件下载设计文件来实现系统的逻辑功能；U5C是U5的电源接入端子，U5A的I/O 与两路同步波形电路连接，实现了数模转换、滤波、光电隔离的功能，第六芯片U6是12位数 模转换芯片DAC7541，第六芯片U6输入端与CPLD的I/O连接，接收并行的12位数字信号， 第六芯片U6以电流形式输出，因此接入第十二芯片U12A和U12B，在U12B的输出端将变化 的电流转换成峰值士 5V的电压波形，第二十二电阻R22和第二十五C25组成一阶低通滤波 器，滤除电输出信号中的高次谐波，滤波后的信号要经过光电隔离才能输入功率放大器，第 十芯片UlO和第十一芯片Ull是高线性度光电耦合器件HCNR201，由于第四二极管D4和第 五二极管D5的作用，当经过第二十二电阻R22的信号为正时，第五二极管D5导通，第四二 极管D4截止，第七芯片U7成开环状态，第十芯片UlO工作，第十一芯片Ul 1关断，当经过第 二十二电阻R22的信号为负时，则正好相反；第二十四电容C24和第二十六电容C26为反馈电容，用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪 声；第八芯片U8、第十七电阻R17和第二十七电容C27把光耦输出的电流信号转换成电压 信号以供后级电路使用，并增强负载驱动能力，降低输出阻抗；第三二极管D3、第六二极管 D6与第七二极管D7、第八二极管D8的作用是分别为第十芯片UlO和第十一芯片Ull的发 光二极管提供导通电压，减小信号的交越失真。
3.根据权利要求1所述的电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置，其特征 在于测试开始时将电子束流预先偏转到能量吸收装置[5]上，CPLD输出X_out = 000000000000,y_out = 000000000000，在工控机显示器[9]上位机软件中选择好参数发送 到偏转扫描控制装置[7]，第五芯片U5从预先偏转状态接收到偏转信号等于1且检测到时 钟上升沿时，开始产生两路同步波形的数字量，采集卡触发信号等于1，采样时钟启动使采 集卡采样；每次检测到时钟上升沿时，x_out = x_out士63，电子束流随波形数字量1_0此的 增加从能量吸收装置[5]上迅速偏转到传感器[6]上，当x_out = 111111111111或1_0肚 =000000000000 时，y_out = y_out+63，直至 y_out = 111111111111 时扫描过程结束且电 子束回到初始状态。
全文摘要
本发明涉及一种电子束流品质测试的高速偏摆扫描控制装置，复杂可编程逻辑器件分别与串口通信等电路连接，串口通信电路与工控机连接，两路同步波形发生电路由数模转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路和功率放大电路组成，两路功率放大电路与电磁偏转线圈连接；时钟电路经过复杂可编程逻辑器件分频，产生多种频率的时钟分别用于串口通信、采集卡控制和频率可变的波形发生；工控机经过串口通信电路控制复杂可编程逻辑器件，在时钟电路的触发下，复杂可编程逻辑器件产生两路波形的数字量，放大后的信号驱动电磁偏转线圈产生磁场使电子束偏转扫描。本发明使电子束偏摆扫描的控制精度高，而且数字电路可以极大的提高装置的抗干扰能力。
文档编号G01B7/12GK101966620SQ20101026382
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者付鹏飞, 冯曰海, 周琦, 左从进, 彭勇, 毛智勇, 王亚军, 王克鸿, 郭光耀, 顾民乐 申请人:南京理工大学
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