CN101220451A - 均匀充电金属液滴偏转距离测控装置及其测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，包括偏转电极、充电电极、回收槽和充电调制电路，其特点是还包括光源、图像采集卡、CCD摄像机、金属液滴喷射装置、激振源、电压调节电路、D/A转换电路、图像采集处理模块以及高压直流电源，CCD摄像机将采集的照片传给图像采集处理模块，图像采集处理模块输出信号经D/A转换电路转换为模拟信号，控制充电调制电路调节充电脉冲的幅值。本发明还公开了利用这种测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法，该方法通过CCD摄像机拍摄偏转金属液滴流照片，根据照片测量金属熔滴偏转距离，根据测量结果改变充电电压幅值，从而实现充电液滴偏转距离的控制。避免了高温液滴流污染装置问题。

Description

均匀充电金属液滴偏转距离测控装置及其测控方法

技术领域

本发明涉及一种均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，还涉及利用这种测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法。

背景技术

均匀充电金属液滴喷射成型方法，使用机械扰动将层流毛细金属射流离散为均匀的金属液滴，对喷射的均匀金属液滴进行有选择充电，充电金属液滴通过高压静电场发生偏转，然后在基板上层层堆积从而实现制件的制造。控制微小金属液滴的精确偏转沉积能够为微小金属制件的低成本高效率加工提供有效的方法。在金属沉积制造过程中，金属液滴温度较高，质量一般为毫克量级，充电电量一般为皮库量级。工作环境如环境温度、喷嘴腐蚀情况、充电电场强度、偏转电场强度的微小变化将会影响金属液滴的偏转精度。

参照图2，文献“Controlling Print Height in an Ink Jet Printer，IBM j.Res.Develop.January1977 21：52-55”公开了一种充电墨滴偏转距离闭环测量控制系统，该系统包括偏转电极2、充电电极3、回收槽7、传感器9、墨滴产生装置10以及充电调制电路，充电调制电路通过充电电极3对墨滴产生装置10产生的墨滴流8进行充电，充电墨滴流8经过偏转电极2产生的高压偏转电场时发生偏转。当墨滴流8穿过传感器9两个感应板之间时，传感器9受墨滴流8上的电量的静电感应作用，产生一个微弱信号，此信号经过放大和转换后，与预设偏转距离情况下，墨滴流8经过传感器9，传感器电路检测的信号进行比较，其差值的调整通过改变墨滴产生装置10的墨滴喷射压力来控制墨滴偏转距离，从而实现对带电墨滴偏转距离的控制。文献利用传感器测量信号实现了在充电墨滴沉积前对墨滴偏转距离的校准，从而实现了对墨滴偏8转距离以及偏转误差的测量与控制。但正如文献中指出的那样，此种传感器在使用时，其两个感应板与被检测的液滴流的距离很近，只有2.54mm。如果采用这样的传感器近距离检测金属液滴流的偏转距离，受传感器与液滴流之间距离的限制，很容易造成金属液滴对检测电路的污染。

发明内容

为了克服现有技术由于传感器感应板与被检测的高温金属液滴流距离近而导致污染、损坏检测装置的不足，本发明提供一种均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，采用CCD摄像机结合频闪光源拍摄偏转金属液滴流的瞬间照片，经计算机处理得到偏转距离，再与偏转距离预设值比较，其差值数据通过计算机输出，经D/A转换后得到一模拟信号，来调整金属液滴充电电压，进行均匀充电金属液滴偏转距离的监测与控制。

本发明还提供利用这种测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，包括偏转电极、充电电极、回收槽和充电调制电路，其特征在于：还包括光源、图像采集卡、CCD摄像机、金属液滴喷射装置、激振源、电压调节电路、D/A转换电路、图像采集处理模块以及高压直流电源，在金属液滴喷射装置正下方放置一对充电电极，充电电极的下方是一对偏转电极，光源放置在偏转电极下方正对沉积处的金属液滴流，CCD摄像机对着偏转电极下方沉积处的金属液滴流；激振源产生的正弦激振信号驱动金属液滴喷射装置产生均匀金属液滴流，激振源产生TTL信号控制充电调制电路将充电脉冲加载在充电电极的极板上，高压直流电源给偏转电极提供偏转电压，图像采集处理模块通过图像采集卡控制CCD摄像机与光源同步工作，CCD摄像机将采集到的照片传给图像采集处理模块，图像采集处理模块的输出信号经D/A转换电路转换为模拟信号，控制充电调制电路调节充电脉冲的幅值。

一种利用上述测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法，其特点是包括以下步骤：

(a)进行均匀金属液滴沉积之前，将沉积基板移出沉积范围，偏转电极下方放置回收槽；

(b)激振源产生的正弦激振信号，驱动金属液滴喷射装置产生均匀金属液滴流；

(c)激振源产生TTL信号控制充电调制电路将充电脉冲加载在充电电极的极板上，充电脉冲波按单液滴间隔充电的方式通过充电电极极板给均匀金属液滴流充上电荷，充电金属液滴随后在下方偏转电极的偏转电场中偏转；

(d)图像采集处理模块通过图像采集卡控制CCD摄像机与频闪光源同步工作，抓拍沉积处偏转金属液滴流的瞬时照片；

(e)图像采集处理模块测量照片中偏转金属液滴与未偏转金属液滴之间的水平距离，利用插值方法得到金属液滴的偏转距离，将此偏转距离与所设定的距离进行比较得出两者之间的差值，通过图像采集处理模块输出；

(f)图像采集处理模块输出的差值数字信号通过D/A转换电路转换为模拟信号，并传给充电电压调节电路；

(g)充电电压调节电路根据模拟信号调整充电电压，然后重复步骤(d)～(f)直到图像采集处理模块得到的差值与设定值相一致时，撤去回收槽，进行均匀金属液滴的沉积。

本发明的有益效果是：由于本发明采用CCD摄像机结合频闪光源拍摄偏转金属液滴流的瞬间照片，经计算机处理得到偏转距离，再与偏转距离预设值比较，其差值数据通过计算机输出，经D/A转换后得到一模拟信号，来调整金属液滴充电电压，进行均匀充电金属液滴偏转距离的监测与控制。正是CCD镜头可以稍远距离拍摄，故与金属液滴流可以保证5cm以上的距离，避免了高温金属液滴流污染、损坏检测装置的问题。同时，在均匀金属液滴进行沉积之前，对金属液滴的偏转距离进行检验，保证了金属液滴偏转沉积的精度，而通过在软件中设定偏转距离，然后利用测量结果控制金属液滴的偏转距离，实现了金属液滴偏转距离的精确控制。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明均匀充电金属液滴偏转距离测控装置示意图。

图2是现有技术均匀充电墨滴偏转距离闭环测量控制系统示意图。

图中，1-光源，2-偏转电极，3-充电电极，4-金属液滴流，5-图像采集卡，6-CCD摄像机，7-回收槽，8-墨滴流，9-传感器，10-墨滴产生装置。

具体实施方式

实施例1：参照图1，本发明包括光源1、偏转电极2、充电电极3、图像采集卡5、CCD摄像机6、回收槽7以及金属液滴喷射装置、激振源、充电调制电路、电压调节电路、D/A转换电路、图像采集处理模块以及高压直流电源。在金属液滴喷射装置正下方放置一对充电电极3，充电电极3的下方是一对偏转电极2，偏转电极2极板间的距离稍宽于充电电极3极板间的距离，金属液滴流4的下方放置回收槽7，光源1放置在偏转电极2下方正对沉积处的金属液滴流4，CCD摄像机6对着偏转电极2下方沉积处的金属液滴流4。在进行金属液滴偏转距离控制之前，将沉积基板移出沉积范围，回收槽7置于偏转电极2下方，确保装置调试过程中的金属液滴沉积在回收槽内而不污染基板组件。金属液滴喷射装置加热液化金属并进行喷射。激振源产生一正弦激振信号和一正弦频率的TTL信号，正弦激振信号经放大后驱动金属液滴喷射装置中的压电器件以产生一定的机械扰动，此机械扰动将金属射流离散为金属液滴流4。充电调制电路结合激振源产生TTL信号的频率以及电压调节电路提供的充电电压大小产生间隔充电脉冲。此充电脉冲加载在充电电极3上对均匀金属液滴流4进行间隔充电，金属液滴流4充电后经过偏转电极2产生的高压偏转电场时发生偏转。金属液滴流4经充电偏转后，图像采集处理模块通过图像采集卡5控制CCD摄像机6与光源1同步工作，抓拍金属液滴流4偏转的瞬间照片。将采集到的照片传给图像采集处理模块。图像采集处理模块分析照片，得到在沉积高度附近的偏转液滴与未偏转金属液滴之间的水平距离，利用插值方法得到沉积高度处金属液滴的偏转距离。然后将此距离与设定的距离进行比较得出两者之间的差值。得到的差值以及差值的正负信号通过图像采集处理模块输出。D/A转换电路将输出的差值数字信号转换为一模拟的信号，电压调节电路根据模拟信号以及差值的正负信号调整充电电压的大小进而控制充电调制电路调节充电脉冲的幅值，达到调节金属液滴偏转距离的目的。重复上述图像采集以后的步骤，直至金属液滴的偏转距离与预设值的差值在允许的误差范围之内后再进行金属液滴的沉积，这样达到了金属液滴偏转距离的控制目的。

对金属液滴流4的偏转距离精度进行检验以及测量调整。在偏转距离一定的情况下，多次沉积后，由于环境温度、金属液滴喷射装置的喷嘴腐蚀等原因会导致偏转距离的改变。因此再次沉积之前，有必要进行偏转精度的检测。将沉积基板移出沉积范围，回收槽7置于偏转电极2下方，金属液滴喷射装置加热液化金属并进行喷射结合外部激振建立均匀金属液滴流4。充电脉冲加载在充电电极3上对均匀金属液滴流进行间隔充电，带电的金属液滴流4经过偏转电极2产生的高压偏转电场进行偏转。图像采集处理模块通过图像采集卡5控制CCD摄像机6与光源1抓拍金属液滴流4的间隔偏转瞬间照片。将采集到的照片传给图像采集处理模块。图像采集处理模块处理照片，得到在沉积高度附近的偏转金属液滴与未偏转金属液滴之间的水平距离，利用插值方法得到沉积距离处金属液滴的偏转距离。实现了金属液滴的偏转距离测量检验，然后将此距离与原偏转距离进行比较得出两者之间的差值。若差值超出了允许的误差范围，图像采集处理模块将输出此差值以及差值的正负信号。D/A转换电路将输出的差值数字信号转换为一模拟的信号，电压调节电路根据模拟信号以及差值的正负信号调整充电电压的大小进而控制充电调制电路调节充电脉冲的幅值，达到调节金属液滴偏转距离的目的。若差值在允许的误差范围之内，则可进行金属液滴的偏转沉积。实现了对充电金属液滴流的偏转距离精度的检验以及测量与调整。

实施例2：利用实施例1测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法，包括以下步骤：

(1)进行均匀熔滴沉积之前，将沉积基板移出沉积范围，偏转电极2下方放置回收槽7，确保金属液滴不在基板上沉积。

(2)金属在金属液滴喷射装置中熔化后，进行喷射。激振源产生一正弦激振信号，此信号经放大后驱动金属液滴喷射装置中的压电器件，利用压电器件产生的振动将金属射流离散为均匀的金属液滴流4。

(3)充电脉冲调制电路产生充电脉冲波，此充电脉冲波按单液滴间隔充电的方式通过充电电极3的一对极板给均匀金属液滴流4充上电荷，金属液滴4充电后在下方偏转电极2的偏转电场中偏转。

(4)图像采集处理模块通过图像采集卡控制CCD摄像机6与频闪光源1同步工作，抓拍沉积处金属液滴流4偏转的瞬时照片。

(5)图像采集处理模块测量照片中偏转金属液滴与未偏转金属液滴之间的水平距离，利用插值方法得到一定沉积距离处金属液滴的偏转距离。然后将此偏转距离与设定的距离进行比较得出两者之间的差值。得到的差值以及差值的正负信号通过图像采集处理模块输出。

(6)D/A转换电路将输出的差值数字信号转换为一模拟信号，将此信号传给充电电压调节电路。

(7)充电电压调节电路根据模拟信号以及差值的正负信号调整充电电压，然后重复步骤(4)～(6)直到图像采集处理模块得到的差值与设定值相一致时，然后终止充电电压的调整，撤去回收槽7，进行金属液滴的沉积。

(8)在偏转距离确定后，喷射金属液滴之前，按照步骤(4)～(7)调整充电电压直至金属液滴的偏转距离与预设值之间的差值在允许的误差范围之内，这样就能保证沉积的误差，实现金属液滴偏转精确沉积。

Claims (4)

1.一种均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，包括偏转电极、充电电极、回收槽和充电调制电路，其特征在于：还包括光源、图像采集卡、CCD摄像机、液滴喷射装置、激振源、电压调节电路、D/A转换电路、图像采集处理模块以及高压直流电源，在液滴喷射装置正下方放置一对充电电极，充电电极的下方是一对偏转电极，光源放置在偏转电极下方正对沉积处的液滴流，CCD摄像机对着偏转电极下方沉积处的液滴流；激振源产生的正弦激振信号驱动液滴喷射装置产生均匀金属液滴流，激振源产生TTL信号控制充电电调制电路将充电脉冲加载在充电电极的极板上，高压直流电源给偏转电极提供偏转电压，图像采集处理模块通过图像采集卡控制CCD摄像机与光源同步工作，CCD摄像机将采集到的照片传给图像采集处理模块，图像采集处理模块的输出信号经D/A转换电路转换为模拟信号，控制充电调制电路调节充电脉冲的幅值。

2.根据权利要求1所述的均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，其特征在于：所述的偏转电极极板间的距离稍宽于充电电极极板间的距离。

3.根据权利要求1所述的均匀充电金属液滴偏转距离测控装置，其特征在于：所述的回收槽在装置调试时位于液滴流的下方。

4.一种利用权利要求1所述测控装置测控均匀充电金属液滴偏转距离的方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)进行均匀金属液滴沉积之前，将沉积基板移出沉积范围，偏转电极下方放置回收槽；

(b)激振源产生的正弦激振信号，驱动液滴喷射装置产生均匀金属液滴流；

(c)激振源产生TTL信号控制充电调制电路将充电脉冲加载在充电电极的极板上，充电脉冲波按单液滴间隔充电的方式通过充电电极极板给均匀金属液滴流充上电荷，充电液滴随后在下方偏转电极的偏转电场中偏转；

(d)图像采集处理模块通过图像采集卡控制CCD摄像机与频闪光源同步工作，抓拍沉积处偏转液滴流的瞬时照片；

(e)图像采集处理模块测量照片中偏转金属液滴与未偏转金属液滴之间的水平距离，利用插值方法得到金属液滴的偏转距离，将此偏转距离与所设定的距离进行比较得出两者之间的差值，通过图像采集处理模块输出；

(f)图像采集处理模块输出的差值数字信号通过D/A转换电路转换为模拟信号，并传给充电电压调节电路；

(g)充电电压调节电路根据模拟信号调整充电电压，然后重复步骤(d)～(f)直到图像采集处理模块得到的差值与设定值相一致时，撤去回收槽，进行均匀金属液滴的沉积。