[發明專利]一種電子束能量密度分布定量測量數值處理方法

在審

• 申請號: 201410714065.2
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN104360374A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 沈春龍;彭勇;周琦;王克鴻
• 申請（專利權）人: 泰州學院
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 泰州地益專利事務所 32108
• 代理人: 王楚云

技術領域

本發明涉及一種電子束能量密度分布定量測量數值處理方法。

背景技術

真空電子束在材料加工工程中應用廣泛，電子束應用范圍從低功率密度(窄、表層型)到高功率密度(深、滲入型），從表層工藝(淬火、上釉)到滲透層(焊接、切割)工藝。對高功率應用而言，主要利用其焦斑處高功率特點進行金屬融化或蒸發實現材料加工，而其工藝效果與電子束空間能量分布及空間形態有關，由于電子束的非可視、高能量、高速度及穿透性強等特性導致對其空間能量分布測量及電子束流焦斑的空間定位比較困難，影響到具體材料加工工藝設計和施工準備工作。實際電子束施焊前通常采用束流在一定高度試件上調節聚焦電流，運用光學系統光線強弱和飛濺等來估算束斑直徑和能量分布，比較費時耗勁，并且精確性不夠。

發明內容

本發明提供了一種電子束能量密度分布定量測量數值處理方法，它針對電子束束流特點，建立電子束能量密度測量原理、偏轉掃描模塊、傳感器模塊和采集模塊，開發下位機數據采集和上位機處理軟件，在對采集數據進行預處理之后，重構二維電子束能量密度分布并對能量密度分布值計算及測量。

本發明采用了以下技術方案：一種電子束能量密度分布定量測量數值處理方法，其特征它包括以下步驟：首先分析電子束，根據電子束高能量和穿透性強的特點，運用磁控偏轉信號使電子束掃描帶小孔鎢板，使用鎢板材料防高溫燒損，掃描路徑信號和頻率由掃描信號發生器產生，通過外部共享晶振觸發，保證采集信號與偏轉信號同步，采集透過小孔電子束流強度，經回路電阻轉換成電壓信號；然后，由于透過小孔的電信號較弱，通過運放電路進行放大和調理，放大信號經數據采集卡進行高頻A/D轉換、PCI總線傳輸和板載緩存后保存到上位機中，再對采集數據的進行濾波、區域分割后，利用OpenGL圖形庫對電子束行掃描數據進行平面重構形成截面能量密度分布；最后，為對電子束能量密度分布進一步度量，對整個截面能量進行積分獲得總能量與能量密度值的映射關系，計算能量百分比區域，利用等值線跟蹤原理對指定能量區域進行分割，同時計算能量密度分布及其它參數值。

在分析電子束的過程中，在電子束高能量、高速、高穿透特性基礎上，采用電子束束流截面瞬態能量密度分布測量策略及采集裝置布局，建立磁偏控制信號及數據采集模塊，對采集數據進行二維重構，計算采集區域能量百分比與能量密度值對應關系并進行等值線分割，該發明能夠定量測量電子束流能量密度分布及其他參數，為束斑位置確定及束流品質評價提供測量和分析工具。

所述的磁控偏轉信號是通過磁控電子束偏轉掃描產生，磁控偏轉信號實現電子束小角度范圍偏轉，保證電子束采集在一個高度截面上，磁偏控制信號使電子束在小孔鎢板上進行“Z”形掃描。

所述的電子束具有高能、高穿透性特點，避免燒壞鎢板小孔，采用20MHz到30MHz高頻采樣，運用PCI-1714數據采集卡并共享外部60MHz晶振實現偏轉信號和采集信號同步觸發，使用Post-trigger上升沿觸發采集模式，提高抗干擾能力，以PCI總線為傳輸通道保證數據傳輸高帶寬，利用高速板載緩存保證采集大數據存儲。

所述的采集數據進行低通濾波處理去除電子束掃描及采集過程中產生的噪音，對采集區域進行分割去除非相關數據，運用OpenGL圖形庫對采集數據進行二維重構，輔以云圖直觀顯示電子束截面能量密度分布形態，運用迭代方法計算采集區域能量百分比與能量密度值的對應關系，利用等值線跟蹤算法繪制指定區域的能量密度分布，計算分割區域的能量密度值及其它參數，為評估束流品質提供依據。

本發明具有以下有益效果：采用了以上技術方案后，本發明首先根據電子束特性設計能量密度測量原理并建立測量系統，將采集到的高頻瞬態數據經A/D轉換、傳輸和存儲到主機后，通過低通濾波后去除采集過程中電磁高頻噪聲，運用OpenGL圖形庫對電子束截面數據進行平面重構，配以云圖顯示電子束能量密度分布形態，通過迭代計算總能量百分比與能量密度值映射關系，結合等值線跟蹤技術實現能量密度分布的定量分割與計算。本發明可以對單層電子束截面能量密度分布進行定量測量，結合多層截面數據和三維立體重構技術可以進一步測量電子束立體焦斑，實現電子束焊接對焦的自動化，本發明針對電子束束流特點，建立電子束能量密度測量原理、偏轉掃描模塊、傳感器模塊和采集模塊，開發下位機數據采集和上位機處理軟件，在對采集數據進行預處理之后，重構二維電子束能量密度分布并對能量密度分布值計算及測量。

附圖說明

圖1為本發明電子束能量密度測量數據處理流程圖

圖2為本發明電子束小角度偏轉掃描示意圖。