CN103630925B - 电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法。电子束流在偏转线圈的驱动下高速周期性偏转扫描于传感器上表面，电子束流在偏摆扫描过程中进入小孔的电流被传感器收集，收集的电流信号被高速采集卡采集并进行信号处理，步骤如下：将高速采集卡设置成后置触发采集模式，并将其触发源设置为外部数字量触发源；对高速采集卡采集到的连续信号进行预分割，预分割后的信号段分别对应电子束流在传感器上的运动周期；对预分割后的信号进行中值滤波处理；将滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割；对阈值分割后的信号进行空间尺度标定。本发明能够实现原始时域信号与电子束流功率密度截面分布数据之间的转换。

Description

电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法

一、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截面功率密度分布信号的尺度标定方法。

二、背景技术

电子束焊接是一种高功率密度的焊接方法，具有热影响区小、焊缝深宽比大、焊接变形小、真空中焊缝的化学成分纯净等特点。电子束焊接适合于难熔和热敏感性材料的焊接，穿透及深度焊接，精密焊接等有特殊要求的焊接。对于电子束焊接，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等束流的品质特征。

由于电子束焊接环境具有高电磁干扰的特点，使采集到的电子束流截面功率密度分布信号夹杂有噪声，而且采集到的原始电子束流截面功率密度分布信号是时域信号，没有空间位置信息，目前还没有对电子束流截面功率密度分布信号进行处理和尺度标定的合理方法，无法将采集的原始时域信号与电子束流截面功率密度分布数据进行转换。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种合理、高效的电子束流截面功率密度分布信号处理方法，实现电子束流功率密度分布信号的自动分割标定，完成原始时域信号与电子束流功率密度截面分布数据之间的转换。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法，首先建立三维坐标系XYZ，其中XOY平行于传感器的上表面，测试开始后，电子束流在偏转线圈的驱动下高速周期性偏转扫描于传感器上表面，令电子束流沿Y轴方向作锯齿状路径扫描，电子束流在偏摆扫描过程中进入小孔的电流被传感器收集，收集的电流信号经过转换被高速采集卡采集，对高速采集卡采集到的信号进行信号处理，具体步骤如下：

步骤1，设置高速采集卡的采集模式和触发源：将高速采集卡设置成后置触发采集模式，并将高速采集卡的触发源设置为外部数字量触发源；

步骤2，信号采集和预分割：对高速采集卡采集到的连续信号进行预分割，预分割后的信号段分别对应电子束流在传感器上的运动周期；

步骤3，信号中值滤波：对预分割后的信号进行中值滤波处理，滤除原始信号中的噪声；

步骤4，信号阈值分割：将滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割；

步骤5，空间尺度标定：对阈值分割后的电子束流截面功率密度分布信号进行空间尺度标定。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：（1）剔除了多余的边缘数据，减小存储空间，计算量小，占用系统资源少，方便后续的计算机多维重构显示；（2）只采用奇数信号序列，避免整个空间数据点的错位；（3）完全参数化设置，操作简便，能够高效完成电子束流截面功率密度分布信号的处理。

四、附图说明

图1是本发明电子束流的传感采集装置示意图。

图2是本发明信号预分割的示意图。

图3是本发明中值滤波的示意图，其中(a)为原始含噪声信号，(b)为中值滤波后的信号。

图4是本发明信号阈值分割示意图。

图中1电子束流，2偏转线圈，3传感器，4小孔，5控制器，6高速采集卡。

五、具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做出进一步详细说明。

结合图1，本发明电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法，首先建立三维坐标系XYZ，其中XOY平行于传感器3的上表面，测试开始后，电子束流1在偏转线圈2的驱动下高速周期性偏转扫描于传感器3上表面，令电子束流1沿Y轴方向作锯齿状路径扫描，电子束流1在偏摆扫描过程中进入小孔4的电流被传感器3收集，收集的电流信号经过转换被高速采集卡6采集，对高速采集卡6采集到的信号进行信号处理，具体步骤如下：

步骤1，设置高速采集卡6的采集模式和触发源：将高速采集卡6设置成后置触发采集模式，并将高速采集卡6的触发源设置为外部数字量触发源；所述高速采集卡6的触发源和偏转扫描控制信号的触发源为同一个外部数字量触发源，且电子束流的空间位置和采样信号同步。

将高速采集卡6设置成后置触发采集模式，允许基于一个事件获取数据。当高速采集卡6侦测到触发事件产生时开始采集数据，当预先设定的采样数达到时或手动停止采集时停止采集数据。将高速采集卡6和偏转扫描控制信号（如图2中B轴和C轴）的触发源设置为同一个外部触发源，当高速采集卡6侦测到一个上升沿时开始采集，同时偏转扫描控制信号开始发生，这个触发信号由控制器5产生。如图2中A轴所示，当高速采集卡6侦测到A轴上的数字脉冲上升沿时，开始采集数据，同时电子束流1的偏转扫描控制信号如图2中B轴和C轴所示，这两路信号所具有特殊相位关系可以使电子束流以图2中D轴轨迹所示的方式运动。

步骤2，信号采集和预分割：对高速采集卡6采集到的连续信号进行预分割，预分割后的信号段分别对应电子束流1在传感器3上的运动周期。

如图2所示，D轴显示的是高速采集卡6采集到的连续信号波形，必须对连续的采样信号进行预分割，预分割的基本原则是B轴中三角波控制信号的每半个周期分割一次，分割后的信号段可分别对应电子束流1在传感器3上的运动周期。所述预分割的具体步骤如下：

（1）设置输入控制器5的数字时钟频率为f_clock；

（2）确定三角波控制信号的频率f_triangle以及用于生成三角波控制信号的时钟频率f_clock1，每个周期三角波对应a个数字时钟，则f_clock1=a·f_triangle，且f_clock=b·f_clock1，其中b为分频系数；

（3）确定三角波控制信号的每半个周期内的采样点数n，则f_sample=2n·f_triangle，且f_clock=c·f_triangle，其中c为分频系数；

（4）保证各频率参数之间关系a·c=2b·n，对采集数据每隔n个分割一次；

（5）选择预分割后的奇数信号序列，使信号起始点和终止点的X轴坐标相同。为了保证信号的相位关系，只能选择预分割后的奇数信号序列（图2中B轴实线对应的信号），使信号起始点和终止点的X坐标相同。

步骤3，信号中值滤波：对预分割后的信号进行中值滤波处理，滤除原始信号中的噪声，滤波后的信号如图3(b)所示显著地滤除了原始信号图3(a)中的噪声。

步骤4，信号阈值分割：将滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割。

如图4所示，对于X方向上无用信号占据了很大一部分，为了简化数据计算，需要对信号进行第二次分割。将预分割、滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割，这样就能保证信号分割的完整性。图4中直线X1和X2都平行于Y轴，表示分割起始点和结束点X轴坐标相同。

步骤5，空间尺度标定：对阈值分割后的电子束流截面功率密度分布信号进行空间尺度标定。所述空间尺度标定的公式如下，

对于X轴方向，相邻两个数据点之间对应的空间距离

$d_{x_i-x_{i+1}}=\frac{L_X}{n-1}=\frac{K_{X}H{I}_{X\left(\max \right)}}{n-1}$

对于Y轴方向，相邻两次扫描之间对应的空间距离即图1中传感器3上相邻两条实线之间对应的空间距离：

$d_{y_i-y_{i+1}}=\frac{L_Y}{m-1}=\frac{K_{Y}H{I}_{Y\left(\max \right)}}{m-1}$

其中，L_X为电子束流X方向总距离，L_Y为电子束流Y方向总距离，H为偏转线圈2中心到传感器3上表面的距离，I_X(max)为偏转线圈2中X方向驱动电流最大值，I_Y(max)为偏转线圈2中Y方向驱动电流最大值，n为三角波控制信号的每半个周期内的采样点数，m为三角波控制信号周期数，K_X和K_Y是由偏转线圈2结构决定的常数。

实施例1

本实施例所述的电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法用于电子束焊接的束流功率密度的分布测试，该测试系统包括电子束焊机、偏转线圈2、传感器3、控制器5、高速采集卡6、工控机，建立三维坐标系XYZ，其中XOY平行于传感器3的上表面。结合图1，当测试开始后，电子束焊机产生电子束流1，偏转线圈2在控制器5的驱动下产生交变的磁场，交变的磁场驱动电子束流1高速周期性偏转扫描于传感器3上，扫描过程如图2所示，电子束流1沿图2中锯齿状路径扫描。电子束流1在偏摆扫描过程中进入小孔4的电流被传感器3收集，小孔4的直径为20um，收集的电流信号经过转换被高速采集卡6采集。对高速采集卡6采集到的信号进行信号处理，具体步骤如下：

步骤1，设置高速采集卡6的采集模式和触发源：将高速采集卡6设置成后置触发采集模式，并将高速采集卡6的触发源设置为外部数字量触发源；

步骤2，信号采集和预分割：对高速采集卡6采集到的连续信号进行预分割，预分割后的信号段分别对应电子束流1在传感器3上的运动周期。

所述预分割的具体步骤如下：

（1）设置输入控制器5的数字时钟频率为f_clock=60MHz；

（2）根据电子束流功率的大小（加速电压150kV，电流20mA）确定B轴中三角波控制信号的频率f_triangle=3kHz，确定用于生成三角波控制信号的时钟频率为f_clock1，每个周期三角波对应a=200个数字时钟，则f_clock1=a·f_triangle=600kHz，且f_clock=b·f_clock1，b=100，其中b为分频系数；；

（3）确定三角波控制信号的每半个周期内的采样点数n，设定相邻采样点对应的空间距离近似等于小孔4直径20um，电子束流X方向运动距离为20mm，根据采样定理及信号重构要求，三角波控制信号的每半个周期内的采样点数要满足n≥1000，取n=1000，则f_sample=2n·f_triangle=6MHz，且f_clock=c·f_triangle，c=10，其中c为分频系数；

（4）保证各频率参数之间关系a·c=2b·n，对采集数据每隔n=1000个分割一次；

（5）选择预分割后的奇数信号序列，使信号起始点和终止点的X轴坐标相同。为了保证信号的相位关系，只能选择预分割后的奇数信号序列（图2中B轴实线对应的信号），使信号起始点和终止点的X坐标相同。

步骤3，信号中值滤波：对预分割后的信号进行中值滤波处理，滤除原始信号中的噪声，滤波后的信号如图3(b)所示显著地滤除了原始信号图3(a)中的噪声。

步骤4，信号阈值分割：将滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割。

如图4所示，对于X方向上无用信号占据了很大一部分，为了简化数据计算，需要对信号进行第二次分割。将预分割、滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割，这样就能保证信号分割的完整性。图4中直线X1和X2都平行于Y轴，表示分割起始点和结束点X轴坐标相同。

步骤5，空间尺度标定：对阈值分割后的电子束流截面功率密度分布信号进行空间尺度标定。所述空间尺度标定的公式如下，

对于X轴方向，相邻两个数据点之间对应的空间距离

$d_{x_i-x_{i+1}}=\frac{L_X}{n-1}=\frac{K_{X}H{I}_{X\left(\max \right)}}{n-1}$

对于Y轴方向，相邻两次扫描之间对应的空间距离即图1中传感器3上相邻两条实线之间对应的空间距离：

$d_{y_i-y_{i+1}}=\frac{L_Y}{m-1}=\frac{K_{Y}H{I}_{Y\left(\max \right)}}{m-1}$

其中，L_X为电子束流X方向总距离，L_Y为电子束流Y方向总距离，H为偏转线圈2中心到传感器3上表面的距离，I_X(max)为偏转线圈2中X方向驱动电流最大值，I_Y(max)为偏转线圈2中Y方向驱动电流最大值，n为三角波控制信号的每半个周期内的采样点数，m为三角波控制信号周期数，K_X和K_Y是常数，与偏转线圈2有关，由实验测得，K_X和K_Y分别为0.060、0.064。

表1所示为测定偏转线圈参数的实验数据，为了区分扫描分量，将峰值电流设置成不同的大小。

表1束流偏转实验数据

综上所述，本发明采用同一个外部触发时钟控制电子束流偏转扫描和采集卡信号采样，使电子束流的空间位置和采样信号达到同步，实现电子束流功率密度分布信号的自动分割标定，解决了采集的原始时域信号与电子束流功率密度截面分布数据转换问题。

Claims (3)

1.一种电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法，其特征在于，首先建立三维坐标系XYZ，其中XOY平行于传感器(3)的上表面，测试开始后，电子束流(1)在偏转线圈(2)的驱动下高速周期性偏转扫描于传感器(3)上表面，令电子束流(1)沿Y轴方向作锯齿状路径扫描，电子束流(1)在偏摆扫描过程中进入小孔(4)的电流被传感器(3)收集，收集的电流信号经过转换被高速采集卡(6)采集，对高速采集卡(6)采集到的信号进行信号处理，具体步骤如下：

步骤1，设置高速采集卡(6)的采集模式和触发源：将高速采集卡(6)设置成后置触发采集模式，并将高速采集卡(6)的触发源设置为外部数字量触发源；

步骤2，信号采集和预分割：对高速采集卡(6)采集到的连续信号进行预分割，预分割后的信号段分别对应电子束流(1)在传感器(3)上的运动周期，所述预分割的具体步骤如下：

(1)设置输入控制器(5)的数字时钟频率为f_clock；

(2)确定三角波控制信号的频率f_triangle以及用于生成三角波控制信号的时钟频率f_clock1，每个周期三角波对应a个数字时钟，则f_clock1＝a·f_triangle，且f_clock＝b·f_clock1，其中b为分频系数；

(3)确定三角波控制信号的每半个周期内的采样点数n，则f_sample＝2n·f_triangle，且f_clock＝c·f_triangle，其中c为分频系数；

(4)保证各频率参数之间关系a·c＝2b·n，对采集数据每隔n个分割一次；

(5)选择预分割后的奇数信号序列，使信号起始点和终止点的X轴坐标相同；

步骤3，信号中值滤波：对预分割后的信号进行中值滤波处理，滤除原始信号中的噪声；

步骤4，信号阈值分割：将滤波后的信号序列投影到XOZ平面，根据信号强度阈值进行自动阈值分割；

步骤5，空间尺度标定：对阈值分割后的电子束流截面功率密度分布信号进行空间尺度标定。

2.根据权利要求1所述的电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法，其特征在于，步骤1所述高速采集卡(6)的触发源和偏转扫描控制信号的触发源为同一个外部数字量触发源，且电子束流的空间位置和采样信号同步。

3.根据权利要求1所述的电子束流截面功率密度分布信号的尺度标定方法，其特征在于，步骤5所述空间尺度标定的公式如下，

对于X轴方向，相邻两个数据点之间对应的空间距离

$d_{x_i-x_{i+1}}=\frac{L_X}{n-1}=\frac{K_X{\mathrm{HI}}_{X\left(\max \right)}}{n-1}$

对于Y轴方向，相邻两次扫描之间对应的空间距离

$d_{y_i-y_{i+1}}=\frac{L_Y}{m-1}=\frac{K_Y{\mathrm{HI}}_{Y\left(max\right)}}{m-1}$

其中，L_X为电子束流X方向总距离，L_Y为电子束流Y方向总距离，H为偏转线圈(2)中心到传感器(3)上表面的距离，I_X(max)为偏转线圈(2)中X方向驱动电流最大值，I_Y(max)为偏转线圈(2)中Y方向驱动电流最大值，n为三角波控制信号的每半个周期内的采样点数，m为三角波控制信号周期数，K_X和K_Y是由偏转线圈(2)结构决定的常数。