CN111089647A - 一种激光熔覆质量的实时监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆质量的实时监测装置,包括有电子元模块和封装探筒模块,电子元模块包括有两支光电二极管和两块带放大电路的PCB板,两块带放大电路的PCB板的正面均设置有圆孔插针,同时两块带放大电路的PCB板的背面均焊接有对插线;封装探筒模块包括有两副滤光片和圆柱形套筒组,圆柱形套筒组包括有探筒Ⅰ和探筒Ⅱ,探筒Ⅰ和探筒Ⅱ通过焊接固定在一起,探筒的内部设置有一副滤光片、一支光电二极管和一块带放大电路的PCB板,探筒Ⅰ和探筒Ⅱ的结构与连接方式均相同。本发明使得实时测量装置可随激光熔覆头同步移动,且核心部件选用简单有效的光电二极管,为质量监测作业的同时,降低了成本并提高了数据质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆以及激光增材制造技术领域,尤其涉及一种激光熔覆质量的实时监测装置。
背景技术
激光熔覆技术是利用高能激光束将涂层材料与基体表面薄层辐照融化,凝固后,使得基体表面和粉末金属达到冶金结合的一种特种加工技术。与传统的材料沉积技术相比,激光熔覆技术的稀释率低、热变形小,涂层的性能得到保证。凭借这些优势,激光熔覆技术在汽车制造、模具修复、航空航天、机械制造与维修、石油化工等领域得到了越来越广泛的应用。
然而,激光熔覆是一个复杂的非线性时变过程,其熔池温度、组织相变都处于随机动态变化之中,即使建立完备的工艺数据库也无法保证熔覆过程的稳定性以及熔覆产品的质量水平。因此,在激光熔覆过程当中,引入实时过程监测技术很有必要。在激光熔覆过程中,能够反应熔覆过程稳定与否及熔覆质量的优劣,并被用作监测信号的参量主要有声音信号、图像信号以及光信号。其中,声音信号的采集频率很高,给后期的信号处理与存储带来一定负担;图像处理一般要求较高,耗时长,限制了采集速度。
光信号是熔覆过程中最基本的物理现象,包含着丰富的信息,光信号的变化与熔覆质量密切相关。研究人员主要关注两种光信号,一种是从等离子体产生的紫外光和可见光辐射;另一种是来自熔池表面的热辐射,主要分布在近红外光波段。目前大部分研究利用昂贵的光谱仪对光信号进行光谱分析,使用复杂的方法计算等离子体的电子密度和温度;部分研究利用简单的光电二极管探测光信号强度,但大多只重视红外光信号,而忽略了紫外和可见光信号;现有的监测装置大多固定在加工位置的附近,无法做到与熔敷头同步移动,使得测量的信号有所偏差;现有的监测技术路线大多是信号——信号调理电路——数据采集卡,使得有用信号与噪声信号同时被放大,为后续的信号处理带来负担。
发明内容
发明目的:针对现有激光熔覆的监测装置在采集信号的过程中,使得有用信号与噪声信号同时被放大,为后续信号处理带来负担的问题,本发明提出一种激光熔覆质量的实时监测装置。
技术方案:为实现本发明的目的,本发明所采用的技术方案是:
一种激光熔覆质量的实时监测装置,所述实时监测装置包括有电子元模块和封装探筒模块,所述电子元模块设置在封装探筒模块的内部;
所述电子元模块包括有两支光电二极管和两块带放大电路的PCB板,所述两块带放大电路的PCB板的正面均设置有圆孔插针,同时所述两块带放大电路的PCB板的背面均焊接有对插线;
所述封装探筒模块包括有两副滤光片和圆柱形套筒组,所述圆柱形套筒组包括有探筒Ⅰ和探筒Ⅱ,所述探筒Ⅰ和探筒Ⅱ通过焊接固定在一起,所述探筒Ⅰ的内部设置有一副滤光片、一支光电二极管和一块带放大电路的PCB板,所述探筒Ⅱ的内部设置有另一副滤光片、另一支光电二极管和另一块带放大电路的PCB板,所述探筒Ⅰ和探筒Ⅱ的结构与连接方式均相同;
所述探筒Ⅰ包括有上套、筒身和下套,所述上套和下套的内壁设置有内螺纹,所述筒身外壁的上端和下端均设置有外螺纹,所述滤光片放置在筒身的上端,同时所述滤光片通过上套和筒身上端的螺纹配合固定在筒身的上端,所述上套开设有圆形孔,用于接收光信号,所述下套设置有方形孔;
所述筒身的内部上端设置有凹槽,所述凹槽和筒身之间使用间隙配合,所述凹槽的中部设置有插孔,所述带放大电路的PCB板的引脚通过插孔和带放大电路的PCB板正面上的圆孔插针相适配,同时所述带放大电路的PCB板背面的对插线的插头通过方形孔穿过下套,所述下套和筒身的下端通过螺纹相适配。
进一步地讲,所述筒身外壁的中部设置有螺纹孔,所述螺纹孔用于实时监测装置和夹具之间的相适配。
进一步地讲,所述凹槽采用绝缘体材料。
进一步地讲,所述两块带放大电路的PCB板中的放大电路包括有可见光信号放大电路和红外光信号放大电路。
进一步地讲,所述可见光信号放大电路包括有预置放大电路和二级放大电路,所述预置放大电路包括有Si光电二级管,所述Si光电二级管的1端口电性连接电源输出端和电容C3的输入端,所述Si光电二级管的4端口电性连接电源输出端和电容C5的输入端,所述Si光电二级管的9端口通过电阻R1电性连接Si光电二级管的12端口和二级放大电路的输入端,所述电容C3的输出端、电容C5的输出端、Si光电二级管的5端口、6端口、10端口和11端口均接地。
进一步地讲,所述二级放大电路包括运算放大器A,所述运算放大器A的2端口电性连接电阻R2的输入端,同时所述运算放大器A的2端口通过电阻R3和电容C1电性连接运算放大器A的6端口和电阻R4的输入端,所述电阻R4的输出端电性连接电容C4的输入端,所述运算放大器A的3端口电性连接电阻R5的输出端和电阻R7的输入端,所述电阻R5的输入端电性连接电阻R6的输入端和预置放大电路的输出端,所述运算放大器A的4端口电性连接电容C6的输入端和电源输出端,所述运算放大器A的7端口电性连接电容C2的输入端和电源输出端,所述电阻R6的输出端、电阻R7的输出端、电容C6的输出端、电容C2的输出端和电容C4的输出端均接地。
进一步地讲,所述可见光信号放大电路的输出信号的计算公式具体为:
其中:Vout为可见光信号放大电路的输出信号,Vin为可见光信号放大电路的输入信号,Δ为与第四电阻R4和电源电压相关的误差,R1为电阻R1的电阻值,R2为电阻R2的电阻值,R3为电阻R3的电阻值,R5为电阻R5的电阻值,R6为电阻R6的电阻值。
进一步地讲,所述红外光信号放大电路包括有运算放大器B,所述运算放大器B的2端口通过二极管D1接地,同时所述运算放大器B的2端口还通过电阻R1'、电阻R2'、电阻R3'和电容C1'电性连接运算放大器B的6端口和电阻R4'的输入端,所述电阻R4'的输出端电性连接电容C3'的输入端、电阻R5'的输入端和电阻R9'的输入端,所述电阻R9'的输出端通过电阻R6'电性连接电阻R7'和电阻R8'的输出端,所述电阻R7'和电阻R8'的输入端均电性连接电源输出端;
所述运算放大器B的4端口电性连接电源输出端和电容C4'的输入端,所述运算放大器B的7端口电性连接电源输出端和电容C2'的输入端,所述运算放大器B的3端口、电容C2'的输出端、电容C3'的输出端、电容C4'的输出端和电阻R5'的输出端均接地。
进一步地讲,所述红外光信号放大电路的输出信号的计算公式具体为:
其中:V'out为红外光信号放大电路的输出信号,I'in为红外光信号放大电路的输入信号,R1'为电阻R1'的电阻值,R'2为电阻R2'的电阻值,R'3为电阻R3'的电阻值,R'4为电阻R4'的电阻值,R'5为电阻R5'的电阻值。
有益效果:与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下有益技术效果:
(1)本发明的实时监测装置在封装套筒上设计特定的螺纹孔用来搭配其他夹具,使得实时测量装置可随激光熔覆头同步移动,且核心部件选用简单有效的光电二极管,为质量监测作业的同时,降低了成本并提高了数据质量;
(2)本发明的实时监测装置将信号放大电路与光电二级管一起封装的设计方式使得信号先放大再进行远距离传输,降低了噪声干扰,提高了数据的准确度,同时使用两种光电传感器分别采集不同波段的光信号,有利于数据分析时的对比验证。
附图说明
图1是本发明的实时监测装置整体示意图;
图2是本发明的探筒装配图;
图3是本发明的可见光信号放大电路原理图;
图4是本发明的红外光信号放大电路原理图;
图5是本发明的实时监测装置作业图;
图中标号对应部件名称:
1、预置放大电路;2、上套;3、滤光片;4、凹槽;5、筒身;6、对插线;7、下套;8、光电二极管;9、带放大电路的PCB板;10、螺纹孔;11、探筒Ⅰ;12、探筒Ⅱ;13、保护气;14、激光束;15、粉末;16、实时监测装置;17、数据采集卡;18、电脑。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,应当理解,为了便于描述,附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制,例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
应注意的是,相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义或说明,则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
实施例1
参考图1,本实施例提供了一种激光熔覆质量的实时监测装置,该实时监测装置包括有电子元模块和封装探筒模块,且电子元模块设置在封装探筒模块的内部。
具体地讲,电子元模块包括有两支光电二极管8和两块带放大电路的PCB板9,在本实施例中,一支光电二极管8设置为Si光电二级管,用于测量紫外到可见光波段,另一支光电二极管8设置为InGaAs光电二极管,用于测量近红外光波段。同样地,一块带放大电路的PCB板9中的放大电路设置为可见光信号放大电路,另一块带放大电路的PCB板9中的放大电路设置为红外光信号放大电路。
同时两块带放大电路的PCB板9的正面均设置有圆孔插针,该圆孔插针用于配合光电二极管8的引脚使用。
两块带放大电路的PCB板9的背面均焊接有对插线6。其中对插线6的长度要求是:安装在封装探筒模块内部后,其插头能够露在封装探筒模块的外部。即为远距离测量提供基础。一般来说,对插线6长度的取值范围为:15cm~20cm。插线6的长度是为
封装探筒模块包括有两副滤光片3和圆柱形套筒组,其中圆柱形套筒组包括有探筒Ⅰ11和探筒Ⅱ12,且探筒Ⅰ11和探筒Ⅱ12通过焊接固定在一起。具体地讲,一副滤光片3配合Si光电二级管进行使用,另一副滤光片3配合InGaAs光电二极管进行使用,从而为研究特定波段的光信号特征提供了条件。
在本实施例中,探筒Ⅰ11的内部设置有一副配合Si光电二级管使用的滤光片3、一支用于测量紫外到可见光波段的光电二极管8和一块放大电路为可见光信号放大电路的带放大电路的PCB板9。探筒Ⅱ12的内部设置有一副配合InGaAs光电二极管使用的滤光片3、一支用于测量近红外光波段的光电二极管8和一块放大电路为红外光信号放大电路的带放大电路的PCB板9。
虽然探筒Ⅰ11和探筒Ⅱ12内部安装的部件的用途不同,但是其内部结构和连接方式是完全相同的。在本实施例中,以探筒Ⅰ11的内部结构为例进行描述,探筒Ⅱ12的内部结构将不再进行重复阐述。
参考图2,探筒Ⅰ11包括有上套2、筒身5和下套7,其中上套2和下套7的内壁设置有内螺纹,筒身5外壁的上端和下端均设置有外螺纹。同时上套2的顶面开设有圆形孔,用于接收光信号。下套7设置有方形孔,用于实现对插线6的插头穿过下套7。
具体地讲,滤光片3放置在筒身5的上端,同时滤光片3是通过上套2的内螺纹和筒身5上端的外螺纹之间的配合固定在筒身5的上端。其中滤光片3的型号具体可以根据上套2和筒身5之间结合后的高度进行选择。
其中筒身5的内部上端设置有凹槽4,凹槽4和筒身5之间使用间隙配合,以方便核心部件的拆卸与维护。从而也就是说,滤光片3设置在凹槽4的上端。同时凹槽4的中部设置有插孔,带放大电路的PCB板9的引脚会通过插孔和带放大电路的PCB板9正面上的圆孔插针相适配,且带放大电路的PCB板9背面的对插线6的插头会通过方形孔穿过下套7,同时下套7和筒身5的下端也会通过内螺纹和外螺纹之间的配合,使得下套7和筒身5的下端进行连接。
值得注意的是,为了防止对电子元器件产生干扰,凹槽4的制作材料在选择上采用绝缘体材料。
同时为了实现实时监测装置与激光熔敷头的同步移动,探筒Ⅰ11和探筒Ⅱ12中任一筒身5的外壁中部设置有螺纹孔10,该螺纹孔可以实现实时监测装置和夹具之间的相适配。
参考图3,可见光信号放大电路包括有预置放大电路1和二级放大电路。其中预置放大电路1包括有Si光电二级管,Si光电二级管的1端口电性连接电源输出端和电容C3的输入端,电容C3的输出端接地。Si光电二级管的4端口电性连接电源输出端和电容C5的输入端,电容C5的输出端接地。Si光电二级管的9端口电性连接电阻R1的输入端,电阻R1的输出端电性连接Si光电二级管的12端口和二级放大电路的输入端。同时Si光电二级管的5端口、6端口、10端口和11端口均接地
其中二级放大电路包括运算放大器A,运算放大器A的2端口电性连接电阻R2的输入端,电阻R2的输出端接地。同时运算放大器A的2端口通过电阻R3和电容C1电性连接运算放大器A的6端口和电阻R4的输入端。具体地讲,运算放大器A的2端口电性连接电阻R3的输入端和电容C1的输入端,且电容C1并联电阻R3,电阻R3的输出端和电容C1的输出端电性连接运算放大器A的6端口和电阻R4的输入端。电阻R4的输出端电性连接电容C4的输入端,电容C4的输出端接地。
运算放大器A的3端口电性连接电阻R5的输出端和电阻R7的输入端,电阻R5的输入端电性连接电阻R6的输入端和预置放大电路1的输出端,同时电阻R6的输出端和电阻R7的输出端均接地。
运算放大器A的4端口电性连接电容C6的输入端和电源输出端,运算放大器A的7端口电性连接电容C2的输入端和电源输出端,同时电容C2的输出端和电容C6的输出端均接地。
在本实施例中,可见光信号放大电路的输出信号的计算公式具体为:
其中:Vout为可见光信号放大电路的输出信号,Vin为可见光信号放大电路的输入信号,Δ为与第四电阻R4和电源电压相关的误差,R1为电阻R1的电阻值,R2为电阻R2的电阻值,R3为电阻R3的电阻值,R5为电阻R5的电阻值,R6为电阻R6的电阻值。
参考图4,红外光信号放大电路包括有运算放大器B,运算放大器B的2端口通过二极管D1接地,同时运算放大器B的2端口还通过电阻R1'、电阻R2'、电阻R3'和电容C1'电性连接运算放大器B的6端口和电阻R4'的输入端。具体地讲,运算放大器B的2端口电性连接电阻R2'的输入端和电容C1'的输入端,电阻R2'的输出端电性连接电阻R1'的输入端和电阻R3'的输入端,且电容C1'并联电阻R2'和电阻R3',电阻R1'的输出端接地,电容C1'的输出端和电阻R3'的输出端电性连接运算放大器B的6端口和电阻R4'的输入端。
电阻R4'的输出端电性连接电容C3'的输入端、电阻R5'的输入端和电阻R9'的输入端,电阻R9'的输出端通过电阻R6'电性连接电阻R7'和电阻R8'的输出端,电阻R7'和电阻R8'的输入端均电性连接电源输出端,同时电容C3'的输出端和电阻R5'的输出端接地。
运算放大器B的4端口电性连接电源输出端和电容C4'的输入端,运算放大器B的7端口电性连接电源输出端和电容C2'的输入端,运算放大器B的3端口、电容C2'的输出端和电容C4'的输出端均接地。
在本实施例中,红外光信号放大电路的输出信号的计算公式具体为:
其中:V'out为红外光信号放大电路的输出信号,I'in为红外光信号放大电路的输入信号,R1'为电阻R1'的电阻值,R'2为电阻R2'的电阻值,R'3为电阻R3'的电阻值,R'4为电阻R4'的电阻值,R'5为电阻R5'的电阻值。
参考图5,在激光熔覆过程当中会产生可见光信号和红外光信号,随熔敷头同步移动的实时监测装置16会将采集的光信号转为电信号,即实时监测装置16内的激光束14,通过数据采集卡17存储在电脑18中,以为后续分析提供基础。
在本实施例中,在进行激光熔覆作业时,所选的基板和粉末15均选择为316L不锈钢,保护气13选择为氮气。通过采集可见光信号和红外光信号,可以发现:当可见光信号的均方根值为:4.0V~4.5V时,标准偏差值为:0.80V~0.95V,同时红外光信号的均方根值为:0.6V~0.7V,标准偏差值为:0.13V~0.20V。从而可以发现本实施例中的激光熔覆质量的实时监测装置的熔覆质量具有更高的使用性。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构和方法并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述实时监测装置包括有电子元模块和封装探筒模块,所述电子元模块设置在封装探筒模块的内部;
所述电子元模块包括有两支光电二极管(8)和两块带放大电路的PCB板(9),所述两块带放大电路的PCB板(9)的正面均设置有圆孔插针,同时所述两块带放大电路的PCB板(9)的背面均焊接有对插线(6);
所述封装探筒模块包括有两副滤光片(3)和圆柱形套筒组,所述圆柱形套筒组包括有探筒Ⅰ(11)和探筒Ⅱ(12),所述探筒Ⅰ(11)和探筒Ⅱ(12)通过焊接固定在一起,所述探筒Ⅰ(11)的内部设置有一副滤光片(3)、一支光电二极管(8)和一块带放大电路的PCB板(9),所述探筒Ⅱ(12)的内部设置有另一副滤光片(3)、另一支光电二极管(8)和另一块带放大电路的PCB板(9),所述探筒Ⅰ(11)和探筒Ⅱ(12)的结构与连接方式均相同;
所述探筒Ⅰ(11)包括有上套(2)、筒身(5)和下套(7),所述上套(2)和下套(7)的内壁设置有内螺纹,所述筒身(5)外壁的上端和下端均设置有外螺纹,所述滤光片(3)放置在筒身(5)的上端,同时所述滤光片(3)通过上套(2)和筒身(5)上端的螺纹配合固定在筒身(5)的上端,所述上套(2)开设有圆形孔,用于接收光信号,所述下套(7)设置有方形孔;
所述筒身(5)的内部上端设置有凹槽(4),所述凹槽(4)和筒身(5)之间使用间隙配合,所述凹槽(4)的中部设置有插孔,所述带放大电路的PCB板(9)的引脚通过插孔和带放大电路的PCB板(9)正面上的圆孔插针相适配,同时所述带放大电路的PCB板(9)背面的对插线(6)的插头通过方形孔穿过下套(7),所述下套(7)和筒身(5)的下端通过螺纹相适配。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述筒身(5)外壁的中部设置有螺纹孔(10),所述螺纹孔(10)用于实时监测装置和夹具之间的相适配。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述凹槽(3)采用绝缘体材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述两块带放大电路的PCB板(9)中的放大电路包括有可见光信号放大电路和红外光信号放大电路。
5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述可见光信号放大电路包括有预置放大电路(1)和二级放大电路,所述预置放大电路(1)包括有Si光电二级管,所述Si光电二级管的1端口电性连接电源输出端和电容C3的输入端,所述Si光电二级管的4端口电性连接电源输出端和电容C5的输入端,所述Si光电二级管的9端口通过电阻R1电性连接Si光电二级管的12端口和二级放大电路的输入端,所述电容C3的输出端、电容C5的输出端、Si光电二级管的5端口、6端口、10端口和11端口均接地。
6.根据权利要求5所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述二级放大电路包括运算放大器A,所述运算放大器A的2端口电性连接电阻R2的输入端,同时所述运算放大器A的2端口通过电阻R3和电容C1电性连接运算放大器A的6端口和电阻R4的输入端,所述电阻R4的输出端电性连接电容C4的输入端,所述运算放大器A的3端口电性连接电阻R5的输出端和电阻R7的输入端,所述电阻R5的输入端电性连接电阻R6的输入端和预置放大电路(1)的输出端,所述运算放大器A的4端口电性连接电容C6的输入端和电源输出端,所述运算放大器A的7端口电性连接电容C2的输入端和电源输出端,所述电阻R6的输出端、电阻R7的输出端、电容C6的输出端、电容C2的输出端和电容C4的输出端均接地。
8.根据权利要求6所述的一种激光熔覆质量的实时监测装置,其特征在于,所述红外光信号放大电路包括有运算放大器B,所述运算放大器B的2端口通过二极管D1接地,同时所述运算放大器B的2端口还通过电阻R1'、电阻R2'、电阻R3'和电容C1'电性连接运算放大器B的6端口和电阻R4'的输入端,所述电阻R4'的输出端电性连接电容C3'的输入端、电阻R5'的输入端和电阻R9'的输入端,所述电阻R9'的输出端通过电阻R6'电性连接电阻R7'和电阻R8'的输出端,所述电阻R7'和电阻R8'的输入端均电性连接电源输出端;
所述运算放大器B的4端口电性连接电源输出端和电容C4'的输入端,所述运算放大器B的7端口电性连接电源输出端和电容C2'的输入端,所述运算放大器B的3端口、电容C2'的输出端、电容C3'的输出端、电容C4'的输出端和电阻R5'的输出端均接地。
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