CN103674491B - 自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，包括顺次设置测量光源、触发光源、样品、样品夹持架、圆形光阑、环形光阑、光阑支架、凸透镜、光电二极管，其中，激光光源、样品、圆形光阑或环形光阑、凸透镜和光电二极管处于同一光轴上，所述光电二极管的输出信号由计算机经数据采集控制电路采集，所述触发光源由计算机经数据采集控制电路触发。本发明的有益效果是：能够排除仪器自身的影响，准确测量出透过自动变光焊接滤光镜的漫射光的亮度约化系数，并且具有体积小、结构简单、调整方便、测量精度高的特点。

Description

自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于焊接作业时的防护装备，特别涉及一种自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置。

背景技术

在焊接作业时，会产生大量紫外线、红外线、强光伤害眼睛。因此人们研制出自动变光焊接滤光镜来保护焊工。自动变光焊接滤光镜由弧光传感器、光阀、控制电路、电源、框架、内外保护片等组成，通过弧光的引发和熄灭来自动控制滤光镜的遮光号转换，实现明暗态转换，从而有效地提高对劳动者的保护以及工作效率。

如图1所示，当一束平行光正面照射自动变光焊接滤光镜时，方向改变的出射光称为漫射光。如果用LS表示漫射光的强度，E表示入射光的照度，l＝LS/E表示漫射的特性。由于l与透射比τV有关，为了直接表示漫射的特性，定义l*＝l/τV，称为漫射光的约化亮度系数。多数自动变光焊接滤光镜产生的漫射光相对光轴是对称的，因此通常测量与光轴夹角为α到Δα之间的漫射光强来表示约化亮度系数的平均水平。一般我们选择测量α＝1.5°到α+Δα＝2°之间的立体角之间的漫射光强。

我国在国家标准GB/T3609.2-2009中已提出了关于自动变光焊接滤光镜的检测标准，针对漫射光指标，给出了测量方法及装置范例，但由于该测量系统比较复杂，搭建和调整系统并不方便，因此并未广泛应用，这也导致了目前市场上的漫射光测量仪器很少。可见，提出一种能够比较方便且准确测量漫射光的测量装置是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够测量自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数的装置。

本发明所采用的技术方案是：一种自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，包括：数据采集控制电路，计算机，顺次于同一光轴上设置的测量光源、样品、样品夹持架、圆形光阑或环形光阑、光阑支架、凸透镜和光电二极管，所述数据采集控制电路包括I/V变换电路、增益控制电路、低通滤波电路、A/D转换器、单片机、限流电阻，所述单片机电路通过所述增益控制电路与I/V变换电路电连接；所述增益控制电路包括限流电阻、三极管和继电器；所述I/V变换电路包括4个反馈通路和低偏置电流放大器；所述单片机电路设置有4个I/O接口，每个I/O接口通过限流电阻与三极管基级电连接，所述三极管的集电极与继电器控制端电连接，继电器的常开触点与I/V变换电路中的反馈通路电连接，继电器的公共触点分别与低偏置电流放大器的输出端电连接和低通滤波电路电连接。

所述光电二极管的输出信号由计算机经数据采集控制电路采集。

还包括触发光源，所述触发光源由计算机经数据采集控制电路触发。

所述测量光源包括固定支架上的激光器、电源，所述支架固定在装置底板上。

所述激光器为532nm半导体激光器，出射光斑为2.5mm，发散角小于1mrad，功率为6mw，所用电源为5V电源。

所述触发光源压在样品自身带的弧光传感器上。

所述样品距离圆形光阑或环形光阑为400±2mm，圆形光阑的通光直径为10mm，环形光阑内环直径21.0±0.1mm，外环直径28.0±0.1mm。

所述低偏置电流放大器负输入端与光电二极管的负极电连接，还与所述I/V变换电路的4路反馈通路电连接，所述光电二极管的正极接地。

所述单片机带有PWM输出口，PWM输出口连接限流电阻控制红外LED灯。

本发明的有益效果是：能够排除仪器自身的影响，准确测量出透过自动变光焊接滤光镜的漫射光的亮度约化系数，并且具有体积小、结构简单、调整方便、测量精度高的特点。

附图说明

图1是通过自动变光焊接滤光镜的散射光示意图；

图2是本发明测量装置的结构示意图；

图3是本发明的测量系统结构示意图；

图4是本发明的样品夹持架结构示意图；

图5是本发明的触发光源结构示意图；

图6是本发明的采集控制电路框图；

图7是本发明的I/V变换电路框图；

图8是本发明的增益控制电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图2、图3所示，是本发明的自动变光焊接滤光镜漫射光测试装置结构图，包括：顺次设置测量光源1、触发光源2、带有夹持架4的样品3、带有光阑支架7的圆形光阑5或环形光阑6、凸透镜8、光电二极管9、数据采集控制电路10、计算机11、装置底板12和箱体13构成；其中，测量光源1，样品3，圆形光阑5，环形光阑6，凸透镜8，光电二极管9分别由其支架固定在装置底板12上，处于同一光轴上；样品3由样品夹持架4夹持；触发光源2压在样品3自身带的弧光传感器上，发出的脉冲红外光线能使样品3处于暗态；圆形光阑5可以和环形光阑6互换，安装在光阑支架7上。所述测量光源1包括激光器1-1、支架1-2、电源1-3，所用激光器1-1为532nm半导体激光器，出射光斑为2.5mm，发散角小于1mrad,功率为6mw，所用电源1-3为5V电源，激光器1-1固定在支架1-2上，支架1-2通过螺钉固定在装置底板12上，样品3距离圆形光阑5或环形光阑6为400±2mm；圆形光阑5的通光直径为10mm，环形光阑6内环直径21.0±0.1mm，外环直径28.0±0.1mm，不确定度不超过0.01mm；凸透镜8将样品3上被激光照射的区域成像在光电二极管9上；光电二极管9的输出信号由计算机11经数据采集控制电路10采集；触发光源2由计算机11经数据采集控制电路9触发。

如图4所示，所述样品夹持架4包括立柱4-1、簧片4-2和基座4-3，立柱4-1和簧片4-2的下端分别固定在所述基座4-3上，簧片4-2的上部能够将不同厚度的样品3压在立柱4-1上，基座4-3通过螺钉固定在装置底板12上。

如图5所示，所述触发光源2包括螺杆2-1、滑块2-2、滑杆2-3和红外LED灯2-4，滑杆2-3通过螺栓固定在样品夹持架4的基座2-3上，滑块2-2设置在滑杆2-3上；螺杆2-1和滑块2-2通过螺纹配合连接在一起，螺杆2-1内部有阶梯孔，红外LED灯2-4塞入阶梯孔中而固定在在螺杆2-1内部的前端，旋转滑杆2-3并滑动滑块2-2能够调整红外LED灯2-4的位置，旋转螺杆2-1能够使红外LED灯2-4压紧在样品3的弧光传感器上。

如图6所示，所述数据采集控制电路10包括I/V变换电路10-1、增益控制电路10-2、低通滤波电路10-3、A/D转换器10-4、单片机10-5、限流电阻10-6。

如图7所示，所述I/V变换电路10-1低偏置电流放大器、四路反馈通路，每路反馈通路包括电阻、电容，电阻和电容并联连接，每路电阻和电容根据需要选择不同的值，每路反馈通路一端连接着低偏置电流放大器的负输入端，另一端连接增益控制电路10-2的继电器的常开端，低偏置电流放大器正输入端接地，正输入端还与光电二极管9的正极连接，低偏置电流放大器负输入端与光电二极管9的负极连接，低偏置电流放大器输出端与增益控制电路10-2的继电器的公共端连接，还与低通滤波电路10-3连接。

如图8所示，所述增益控制电路10-2包括4路增益控制通路，每路增益通路控制包括限流电阻、三极管、继电器，所述单片机10-5I/O口通过限流电阻连接三极管基级，继电器线圈端接入三极管集电极，继电器的常开端连接I/V变换电路10-1的反馈通路，继电器的公共端与I/V变换电路10-1的低偏置电流放大器的输出端连接。单片机10-5通过设置4个I/O口的输出电平的高低，选择相应的继电器开闭，从而使I/V变换电路10-1选择不同反馈通路，即不同的电阻值，实现不同的增益选择。开始测量时，单片机10-5通过增益控制电路10-2选择最低增益，光电二极管9将接收到的光强信号转换为电流信号，再通过I/V变换电路10-1转变成电压信号，经过低通滤波电路10-3后送入A/D转换器10-4进行A/D转换，转换结果送入单片机10-5中，单片机10-5根据所测电压值选择合适的增益，再重新测量，得到准确的电压结果送入计算机11进行数据处理及显示。

单片机10-5自带的PWM输出口可以通过软件编程实现输出PWM波，本发明使用单片机10-5自带的PWM输出口连接限流电阻10-6控制红外LED灯2-4。当需要设置样品的暗态遮光号时，单片机10-5可以输出PWM波控制红外LED灯2-4发出脉冲光，触发转为暗态。

本发明采用光电二极管9将光强信号转换为电流信号，再将电流信号转换为电压信号，用所测电压值表示光电二极管9接收到的光强。圆形光阑5只允许通过光轴附近的光，此时光电二极管9接收到的是非漫射光的光强；环形光阑6只允许通过环形的立体角内的光，此时光电二极管9接收到的光强即为漫射光强。通过分别使用圆形光阑5和环形光阑6获得漫射光强和非漫射光的光强。

测量过程如下：首先，通过样品3自带的的按钮设定样品3的遮光号(如果设定暗态遮光号，数据采集控制电路10控制触发光源2打开)；其次，打开测量光源1，数据采集控制电路10测量由光电二极管9接收的光强，得到测量装置和样品总的漫射光强对应的电压值U_1R，；然后，将环形光阑6换成圆形光阑5，得到测量装置和样品总的非漫射光强对应的电压值U_1L；计算测量装置和样品总的漫射光的约化亮度系数l*g＝(1/ω)*(U_1R/U_1L)，其中：ω为由环形光阑决定的立体角，一般取α＝1.5°到α+Δα＝2°之间的立体角；然后，移去样品3，数据采集控制电路10测量由光电二极管9接收的光强，得到测量装置自身的非漫射光强对应的电压值U_2L；将圆形光阑5换成环形光阑6，数据采集控制电路10测量由光电二极管9接收的光强，得到测量装置自身的漫射光强对应的电压值U_2R；计算测量装置自身的漫射光的约化亮度系数l*a＝(1/ω)*U_2R/U_2L，其中：ω为由环形光阑决定的立体角，一般取α＝1.5°到α+Δα＝2°之间的立体角；最后，计算出样品3在此遮光号下的自身产生的亮度约化系数l*＝l*g-l*a。

由于自动变光焊接滤光镜的亮暗光强变化范围极大，达到10⁷，虽然光电二极管9的动态范围能达到，但是放大器的动态范围达不到。因此，在第一级选用低偏置电流放大器加多路增益控制的方案实现I-V变换及增益控制电路。每次测量时，首先选择增益最低的档位进行测量，再根据所测电压的大小调整增益选择，直到选择的增益档位合适为止。需要注意的是，必须将测得的电压值除以增益值才能代入前述公式计算。

本发明还使用RS232线实现与计算机11的通讯，实现对测量过程的控制和结果显示等功能上的进一步扩展。

Claims (9)

1.一种自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，包括：数据采集控制电路(10)，计算机(11)，顺次于同一光轴上设置的测量光源(1)、样品(3)、样品夹持架(4)、圆形光阑(5)或环形光阑(6)、光阑支架(7)、凸透镜(8)和光电二极管(9)，所述数据采集控制电路(10)包括I/V变换电路(10-1)、增益控制电路(10-2)、低通滤波电路(10-3)、A/D转换器(10-4)、单片机(10-5)、限流电阻(10-6)，其特征在于：所述单片机(10-5)电路通过所述增益控制电路(10-2)与I/V变换电路(10-1)电连接；所述增益控制电路(10-2)包括限流电阻、三极管和继电器；所述I/V变换电路(10-1)包括4个反馈通路和低偏置电流放大器；所述单片机(10-5)电路设置有4个I/O接口，每个I/O接口通过限流电阻与三极管基级电连接，所述三极管的集电极与继电器控制端电连接，继电器的常开触点与I/V变换电路(10-1)中的反馈通路电连接，继电器的公共触点分别与低偏置电流放大器的输出端电连接和低通滤波电路(10-3)电连接。

2.根据权利要求1所述的自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述光电二极管(9)的输出信号由计算机(11)经数据采集控制电路(10)采集。

3.根据权利要求1或2所述的自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：还包括触发光源(2)，所述触发光源(2)由计算机(11)经数据采集控制电路(10)触发。

4.根据权利要求1所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述测量光源(1)包括固定支架(1-2)上的激光器(1-1)、电源(1-3)，所述支架(1-2)固定在装置底板(12)上。

5.根据权利要求4所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述激光器(1-1)为532nm半导体激光器，出射光斑为2.5mm，发散角小于1mrad，功率为6mw，所用电源(1-3)为5V电源。

6.根据权利要求3所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述触发光源(2)压在样品(3)自身带的弧光传感器上。

7.根据权利要求1所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述样品(3)距离圆形光阑(5)或环形光阑(6)为400±2mm，圆形光阑(5)的通光直径为10mm，环形光阑(6)内环直径21.0±0.1mm，外环直径28.0±0.1mm。

8.根据权利要求1所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于，所述低偏置电流放大器负输入端与光电二极管(9)的负极电连接，还与所述I/V变换电路(10-1)的4路反馈通路电连接，所述光电二极管(9)的正极接地。

9.根据权利要求1所述自动变光焊接滤光镜漫射光约化亮度系数测量装置，其特征在于：所述单片机(10-5)带有PWM输出口，PWM输出口连接限流电阻(10-6)控制红外LED灯(2-4)。