專(zhuān)利名稱(chēng)：檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)用電荷耦合器件圖象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種圖象傳感器，尤其涉及一種檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)用的電荷耦合器件(CCD)圖象傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬于焊接工藝及設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于焊接溫度場(chǎng)的研究有兩個(gè)方面的途徑，一是建立在傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上的溫度場(chǎng)計(jì)算，二是實(shí)際測(cè)量焊接溫度場(chǎng)。就總體而言，由于焊接傳熱過(guò)程十分復(fù)雜，要解一個(gè)非線(xiàn)性解析方程的解是十分困難的。所進(jìn)行的數(shù)學(xué)分析幾乎都是在材料熱物理性質(zhì)不隨溫度變化的假定條件下進(jìn)行的，也都假定焊接熱源集中在一點(diǎn)上。由于這些假設(shè)并不符合焊接的實(shí)際情況，因此使數(shù)學(xué)分析的各種焊接傳熱計(jì)算不能得到滿(mǎn)意的結(jié)果，這是數(shù)學(xué)分析法的最大弊端。對(duì)于焊接溫度場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量，主要有熱電偶測(cè)溫法和紅外輻射測(cè)溫法。熱電偶測(cè)溫是最經(jīng)典的高溫測(cè)量方法，有較高的測(cè)溫精度，直到現(xiàn)在還被經(jīng)常采用。但是這種方法用于測(cè)量某點(diǎn)的溫度很合適，對(duì)于測(cè)量溫度場(chǎng)有較大困難。而紅外輻射測(cè)溫是一種非接觸測(cè)溫方法，是靠接收熱物體發(fā)出的紅外輻射來(lái)測(cè)量物體溫度的。紅外輻射與電磁波一樣是以光速傳播的，因此紅外輻射測(cè)溫的速度只取決于測(cè)溫儀器自身的響應(yīng)時(shí)間。輻射測(cè)溫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的測(cè)量，并易于利用其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制。為了消除輻射測(cè)溫中距離及材料輻射系數(shù)的影響，必須要采用比色測(cè)溫法。即是在傳感器的光路中交替的放入兩種具有不同波長(zhǎng)的干涉濾光片，來(lái)獲取兩幅圖象，再將這兩幅圖象進(jìn)行比較而最后得到所需的焊接溫度場(chǎng)的圖象。比色測(cè)溫傳感器在光路結(jié)構(gòu)上有兩種方案可供選擇，即單通道型和雙通道型。所謂雙通道型是指熱輻射體的輻射束被分光后分別通過(guò)兩路的濾光片后入射到兩個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)上。而單通道型是指通過(guò)在同一個(gè)光路上切換不同的兩組濾光片來(lái)得到的。雙通道型響應(yīng)較快，不需轉(zhuǎn)動(dòng)切換裝置，但光路復(fù)雜不便調(diào)整，成本也高。單通道型其結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于調(diào)整。但是由于要在光路上切換濾光片，所以速度較慢。但與溫度場(chǎng)的熱慣性相比要小得多，因此在比色測(cè)溫傳感器上使用完全沒(méi)有問(wèn)題。但是對(duì)于濾光片的切換，如何準(zhǔn)確定位，快速切換，也是必須解決的問(wèn)題。
蘇勇在其學(xué)位論文“焊接溫度場(chǎng)的圖象比色檢測(cè)系統(tǒng)”(清華大學(xué)博士學(xué)位論文，1993年8月)中采用比色測(cè)溫法，利用圖象采集卡作為CCD圖象傳感器與計(jì)算機(jī)的接口。焊接開(kāi)始后，由安置在工件背面的CCD圖象傳感器將焊縫背面的溫度場(chǎng)圖象采集下來(lái)，存入圖象采集卡，然后傳送給計(jì)算機(jī)。所用的傳感器就是采用單通道型。它實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)光路上切換不同的兩組濾光片，其結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程如下在一個(gè)扇形板上裝有兩個(gè)不同波長(zhǎng)的干涉濾光片，由步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)扇形板左右擺動(dòng)，使兩種干涉濾光片交替的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出光路。扇形板擺到左右兩側(cè)的定位是利用光電發(fā)射管和光電接收管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)扇形板擺到左側(cè)時(shí)，扇形板就擋在左側(cè)的光電發(fā)射管和光電接收管之間，使光電接收管接收不到信號(hào)，系統(tǒng)以此作為使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。該結(jié)構(gòu)的不足之處在于在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)光路上切換不同的兩組濾光片，扇形板必須一直左右擺動(dòng)；扇形板在左右兩側(cè)停下來(lái)是靠光電信號(hào)電路。顯然這種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用容易出現(xiàn)松動(dòng)、損壞等問(wèn)題，例如若光電信號(hào)電路出現(xiàn)故障，扇形板就會(huì)重?fù)粼趦蓚?cè)的壁上，使結(jié)構(gòu)受到損壞；光電發(fā)射管和光電接收管也還有一個(gè)安裝定位的問(wèn)題，對(duì)于干涉濾光片的快速準(zhǔn)確切換，這也是一個(gè)隱患。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)用的電荷耦合器件圖象傳感器，主要包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，不同波長(zhǎng)的兩種干涉濾光片，用于驅(qū)動(dòng)干涉濾光片切換的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于在步進(jìn)電機(jī)的軸上裝有一轉(zhuǎn)盤(pán)，所述兩種波長(zhǎng)的干涉濾光片交替均勻放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上，在所述轉(zhuǎn)盤(pán)的圓周上開(kāi)有與干涉濾光片相對(duì)應(yīng)的缺口，該傳感器還包括一個(gè)與缺口相配合來(lái)使轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)定位的反射型光電開(kāi)關(guān)。
所述轉(zhuǎn)盤(pán)上交替均勻放置有兩種四個(gè)濾光片；所述步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)分別安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)的兩側(cè)。
本實(shí)用新型由于采用了開(kāi)有缺口的轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)盤(pán)上可交替均勻放置不同波長(zhǎng)的兩種干涉濾光片，使缺口與反射型光電開(kāi)關(guān)相配合來(lái)使轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。因此，該傳感器可在單光路中實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種干涉濾光片的快速、準(zhǔn)確的切換，而且不易損壞，具有結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
圖2為轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為

圖1中的A-A剖面圖。
圖4為圖1中的B-B剖面圖。
圖5為現(xiàn)有技術(shù)中焊縫背面溫度場(chǎng)檢測(cè)及控制系統(tǒng)流程框圖。
為了使所研制的CCD圖象傳感器能具體實(shí)施，必須有相應(yīng)配套的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如圖5所示)。被焊接的工件放置在一個(gè)導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌可以帶著工件沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。焊炬在工件的上方，傳感器被安裝在工件的下方，其中心線(xiàn)與水平線(xiàn)成一定的角度。在焊接過(guò)程中，焊炬及傳感器固定不動(dòng)，工件以確定的焊接速度沿直線(xiàn)向前移動(dòng)。
為了使所研制的CCD圖象傳感器能具體實(shí)施，還必須有一套計(jì)算機(jī)圖象采集，處理及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用圖象采集卡作為CCD圖象傳感器與計(jì)算機(jī)的接口。焊接開(kāi)始后，由安置在工件背面的CCD圖象傳感器將焊縫背面的溫度場(chǎng)圖象采集下來(lái)，存入圖象采集卡，然后傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)又向步進(jìn)電機(jī)3發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)10轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算機(jī)對(duì)從圖象卡傳送來(lái)的溫度場(chǎng)的圖象進(jìn)行比較處理，最終根據(jù)所得到的誤差值控制焊接電源，調(diào)整焊接電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)背面焊縫的熔透及熔寬的控制。
權(quán)利要求1.一種檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)用電荷耦合器件圖象傳感器，主要包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，不同波長(zhǎng)的兩種濾光片，用于驅(qū)動(dòng)干涉濾光片切換的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于在步進(jìn)電機(jī)的軸上裝有一轉(zhuǎn)盤(pán)，所述不同波長(zhǎng)的兩種干涉濾光片交替均勻放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上，在所述轉(zhuǎn)盤(pán)的圓周上開(kāi)有與干涉濾光片相對(duì)應(yīng)的缺口，該傳感器還包括一個(gè)與缺口相配合來(lái)使轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)定位的反射型光電開(kāi)關(guān)。
2.按照權(quán)利要求1所述的電荷耦合器件圖象傳感器，其特征在于所述的轉(zhuǎn)盤(pán)上交替均勻放置有兩種四個(gè)濾光片。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的電荷耦合器件圖象傳感器，其特征在于所述步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)分別安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)的兩側(cè)。
專(zhuān)利摘要檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)用電荷耦合器件圖象傳感器，涉及一種(CCD)圖象傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型主要包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，不同波長(zhǎng)的兩種干涉濾光片，用于驅(qū)動(dòng)干涉濾光片切換的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于在步進(jìn)電機(jī)的軸上裝有一轉(zhuǎn)盤(pán)，所述不同波長(zhǎng)的兩種干涉濾光片交替均勻的放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上，在所述轉(zhuǎn)盤(pán)的圓周上開(kāi)有與干涉濾光片相對(duì)應(yīng)的缺口，該傳感器還包括一個(gè)與缺口相配合來(lái)使轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)定位的反射型光電開(kāi)關(guān)。本實(shí)用新型由于采用了開(kāi)有缺口的轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)，使缺口與反射型光電開(kāi)關(guān)相配合來(lái)使轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。因此，該傳感器可在單光路中實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種干涉濾光片的快速、準(zhǔn)確的切換，而且不易損壞，具有結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J5/60GK2529223SQ02204910
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月1日
發(fā)明者王克爭(zhēng), 何方殿 申請(qǐng)人:清華大學(xué)