CN114608660A - 一种用于激光除锈过程的实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光除锈技术领域，公开了一种用于激光除锈过程的实时监测系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括激光器、调理电路、声波探测器、数据采集卡、单片机、光电发射器、光电探测器、温度传感器和报警器；所述软件系统包括显示与打印模块、信号采集模块、参数设置模块、信号功能分析模块和数据库模块，所述声波探测器用于拾取激光器清除锈层时所产生的声波信号。本发明通过分析声波信号得到锈层清除洁净度；通过分析光学信号得到表面粗糙度；通过分析温升信号得到除锈过程中基材表面的温度；从而可以精确地调节激光器的发射功率，激光器的移动速度和来回清洗次数以及激光器与基材的距离，实现最佳除锈效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光除锈技术领域，具体是一种用于激光除锈过程的实时监测系统。
背景技术
激光除锈是利用高能激光束照射在工件表面上使得铁锈剥离，从而达到清洁的工艺过程，与机械除锈、化学除锈相比，具有诸多优点，比如清洁效率高，适用的基材范围广，通过调节激光的工艺参数，可以在不损伤基材的情况下，去除锈迹，且对环境影响较小，得到了广泛地应用，由于激光清洗机制复杂，为了避免过度清洗或清洗不彻底，因此对其实时监测尤为重要。
中国专利公开了一种激光清洗的实时监测系统及其监测方法(授权公告号CN112044874B)，该专利技术通过超声波测厚装置以及图像采集装置进行监测，利用厚度的变化监测工件的清洗情况能够提高监测的精度，结合图像采集装置实现双重监测效果，有效提高对清洗效果的监测精度，但是其在监测的过程中，超声波测厚装置容易会出现监测误差，而图像采集装置受到摄像机和监测环境的限制，不易清晰对基材的表面进行监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光除锈过程的实时监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于激光除锈过程的实时监测系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括激光器、调理电路、声波探测器、数据采集卡、单片机、光电发射器、光电探测器、温度传感器和报警器；所述软件系统包括显示与打印模块、信号采集模块、参数设置模块、信号功能分析模块和数据库模块；
所述声波探测器用于拾取激光器清除锈层时所产生的声波信号；
所述光电发射器用于发射光线垂直照射到被除锈的基材上，并通过光电探测器测量入射光强度和反射光强度，得到光学信号，通过分析光学信号得到表面粗糙度；
所述温度传感器用于测量激光器清除锈层时，被除锈的基材表面的温度，并得到温升信号。
作为本发明再进一步的方案：所述信号采集模块用于采集不同的信号，包括声波信号、温升信号和光学信号，以满足不同信号采集的需求；
所述参数设置模块用于设置激光器的频率、功率、电压、电流以及与基材的距离，并确定在单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量；
所述信号功能分析模块用于接收信号并发出指令，并对信号进行变换、综合、估值、增强、压缩和识别，以达到提取目标信号的目的，并把信号存储在数据库模块中；
所述显示和打印模块用于生成洁净度变化曲线图、粗糙度变化曲线图、温度变化曲线图以及相应的表格，显示各种分析结果；同时可以通过外部的打印机打印各种分析结果。
作为本发明再进一步的方案：所述硬件系统的工作流程如下：声波信号、光学信号和温升信号经过调理电路进行增强放大后滤波，以去除背景噪音，滤波后的声波信号、分析光学信号和温升信号接入数据采集卡后进行A/D转换变成数字信号，并由串口送交给安装在计算机上的软件系统进行处理分析，并通过单片机选择合适的激光器的发射功率，激光器的移动速度和来回清洗次数以及激光器与基材的距离；通过分析声波信号得到锈层清除洁净度；通过分析光学信号得到表面粗糙度；通过分析温升信号得到除锈过程中基材表面的温度。
作为本发明再进一步的方案：所述单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量Pt的计算公式如下：
Pt＝PaV(Ks+N*AS) (1)
上式(1)中，Ks为逆韧致吸收系数，PaV为平均激光功率密度；N*为表层材料的原子数密度；AS为光致电离的横截面，其中光致电离的横截面AS的计算公式如下：
上式(2)中，hv为激光光子能量；IH为基态的电离能，EL为激发态的电离能。
作为本发明再进一步的方案：所述基材表面温升ts的计算公式如下：
ts＝4F(1-R)at/Kπ3 (3)
上式(3)中，F为激光能量密度，t为激光脉宽，R为基材表面反射率，K为基材热导率；K为基材热扩散率。
作为本发明再进一步的方案：所述表面粗糙度的检测指标采用取样长度内轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和轮廓单峰数量，通过轮廓算术平均偏差和轮廓均方根偏差体现基材表面在垂直方向的信息；通过取样长度内轮廓单峰数量体现基材表面的横向信息。
作为本发明再进一步的方案：所述轮廓算术平均偏差Ra的计算公式如下：
所述轮廓均方根偏差σ的计算公式如下：
其中，
所述轮廓单峰数量N的计算公式如下：
上式(4)、(5)、(6)和(7)中，z(x)为x点在垂直方向上的坐标，L为光电发射器在基材上的取样长度；Si为取样长度内轮廓的单峰间距。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过声波探测器拾取激光器清除锈层时的声波信号，通过光电探测器测量光电发射器的发射的光学信号，通过温度传感器测量激光器清除锈层时的温升信号，并且通过分析声波信号得到锈层清除洁净度；通过分析光学信号得到表面粗糙度；通过分析温升信号得到除锈过程中基材表面的温度；从而可以精确地调节激光器的发射功率，激光器的移动速度和来回清洗次数以及激光器与基材的距离，实现最佳除锈效果。
附图说明
图1为一种用于激光除锈过程的实时监测系统的结构示意图；
图2为一种用于激光除锈过程的实时监测系统的工作流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种用于激光除锈过程的实时监测系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括激光器、调理电路、声波探测器、数据采集卡、单片机、光电发射器、光电探测器、温度传感器和报警器；软件系统包括显示与打印模块、信号采集模块、参数设置模块、信号功能分析模块和数据库模块；
声波探测器用于拾取激光器清除锈层时所产生的声波信号；
光电发射器用于发射光线垂直照射到被除锈的基材上，并通过光电探测器测量入射光强度和反射光强度，得到光学信号，通过分析光学信号得到表面粗糙度；
温度传感器用于测量激光器清除锈层时，被除锈的基材表面的温度，并得到温升信号。
优选的，信号采集模块用于采集不同的信号，包括声波信号、温升信号和光学信号，以满足不同信号采集的需求；
参数设置模块用于设置激光器的频率、功率、电压、电流以及与基材的距离，并确定在单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量，根据不同基材所具有的特定的清洗阈值，设置对应激光器的频率、功率、电压和电流，通过多次少量清理，可以避免一次清理时所采用的激光能量过大，造成基材损伤；
信号功能分析模块用于接收信号并发出指令，并对信号进行变换、综合、估值、增强、压缩和识别，以达到提取目标信号的目的，并把信号存储在数据库模块中；
显示和打印模块用于生成洁净度变化曲线图、粗糙度变化曲线图、温度变化曲线图以及相应的表格，显示各种分析结果；同时可以通过外部的打印机打印各种分析结果，从而让使用者可以简单明了地观察除锈效果。
优选的，硬件系统的工作流程如下：声波信号、光学信号和温升信号经过调理电路进行增强放大后滤波，以去除背景噪音，滤波后的声波信号、分析光学信号和温升信号接入数据采集卡后进行A/D转换变成数字信号，并由串口送交给安装在计算机上的软件系统进行处理分析，并通过单片机选择合适的激光器的发射功率，激光器的移动速度和来回清洗次数以及激光器与基材的距离；通过分析声波信号得到锈层清除洁净度；通过分析光学信号得到表面粗糙度，因在涂装过程中，基材表面粗糙度直接影响基材表面与涂层之间的附着力，因此需要保证合适的粗糙度；通过分析温升信号得到除锈过程中基材表面的温度，当出现异常现象，通过报警器发出警报，进行预警。
优选的，单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量Pt的计算公式如下：
Pt＝PaV(Ks+N*AS) (1)
上式(1)中，Ks为逆韧致吸收系数，PaV为平均激光功率密度；N*为表层材料的原子数密度；AS为光致电离的横截面，其中光致电离的横截面AS的计算公式如下：
上式(2)中，hv为激光光子能量；IH为基态的电离能，EL为激发态的电离能；
当单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量小于清洗阈值时，则锈层不能被清除，不会产生声波；当单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量大于清洗阈值时，锈层便可以被清理，这时便会产生强声波；当声波从强声波变为微弱声波时，说明铁锈已经清楚完毕。
优选的，基材表面温升ts的计算公式如下：
ts＝4F(1-R)at/Kπ3 (3)
上式(3)中，F为激光能量密度，t为激光脉宽，R为基材表面反射率，K为基材热导率；K为基材热扩散率；在激光除锈的过程中，要求基材表面温升满足：tv≤ts≤tm，其中，tv为锈层的气化温度；tm为基材的熔点；保证ts处于tv和tm之间即可，从而避免了基材表面因温度过低达不到了高效除锈的目的，又避免了基材表面因温度过高造成损伤。
优选的，表面粗糙度的检测指标采用取样长度内轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和轮廓单峰数量，通过轮廓算术平均偏差和轮廓均方根偏差体现基材表面在垂直方向的信息，即振幅信息；通过取样长度内轮廓单峰数量体现基材表面的横向信息，即空间频率信息。
优选的，轮廓算术平均偏差Ra的计算公式如下：
轮廓均方根偏差σ的计算公式如下：
其中，
轮廓单峰数量N的计算公式如下：
上式(4)、(5)、(6)和(7)中，z(x)为x点在垂直方向上的坐标，L为光电发射器在基材上的取样长度；Si为取样长度内轮廓的单峰间距；通过同时对取样长度内轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和轮廓单峰数量进行测量，便可以准确地确定基材表面粗糙度。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于激光除锈过程的实时监测系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于，所述硬件系统包括激光器、调理电路、声波探测器、数据采集卡、单片机、光电发射器、光电探测器、温度传感器和报警器；所述软件系统包括显示与打印模块、信号采集模块、参数设置模块、信号功能分析模块和数据库模块；
所述声波探测器用于拾取激光器清除锈层时所产生的声波信号；
所述光电发射器用于将光线垂直照射到被除锈的基材上，并通过光电探测器测量入射光强度和反射光强度，得到光学信号，通过分析光学信号得到表面粗糙度；
所述温度传感器用于测量激光器清除锈层时，被除锈的基材表面的温度，并得到温升信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述信号采集模块用于采集不同的信号，包括声波信号、温升信号和光学信号，以满足不同信号采集的需求；
所述参数设置模块用于设置激光器的频率、功率、电压、电流以及与基材的距离，并确定在单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量；
所述信号功能分析模块用于接收信号并发出指令，并对信号进行变换、综合、估值、增强、压缩和识别，以达到提取目标信号的目的，并把信号存储在数据库模块中；
所述显示和打印模块用于生成洁净度变化曲线图、粗糙度变化曲线图、温度变化曲线图以及相应的表格，显示各种分析结果；同时可以通过外部的打印机打印各种分析结果。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述硬件系统的工作流程如下：声波信号、光学信号和温升信号经过调理电路进行增强放大后滤波，以去除背景噪音，滤波后的声波信号、分析光学信号和温升信号接入数据采集卡后进行A/D转换变成数字信号，并由串口送交给安装在计算机上的软件系统进行处理分析，并通过单片机选择合适的激光器的发射功率，激光器的移动速度和来回清洗次数以及激光器与基材的距离；通过分析声波信号得到锈层清除洁净度；通过分析光学信号得到表面粗糙度；通过分析温升信号得到除锈过程中基材表面的温度。
4.根据权利要求2所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述单位时间单位面积内沉积在基材上的激光能量Pt的计算公式如下：
Pt＝PaV(Ks+N*AS) (1)
上式(1)中，Ks为逆韧致吸收系数，PaV为平均激光功率密度；N*为表层材料的原子数密度；AS为光致电离的横截面，其中光致电离的横截面AS的计算公式如下：
上式(2)中，hv为激光光子能量；IH为基态的电离能，EL为激发态的电离能。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述基材表面温升ts的计算公式如下：
ts＝4F(1-R)at/Kπ3 (3)
上式(3)中，F为激光能量密度，t为激光脉宽，R为基材表面反射率，K为基材热导率；K为基材热扩散率。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述表面粗糙度的检测指标采用取样长度内轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和轮廓单峰数量，通过轮廓算术平均偏差和轮廓均方根偏差体现基材表面在垂直方向的信息；通过取样长度内轮廓单峰数量体现基材表面的横向信息。
7.根据权利要求6所述的一种用于激光除锈过程的实时监测系统，其特征在于，所述轮廓算术平均偏差Ra的计算公式如下：
所述轮廓均方根偏差σ的计算公式如下：
其中，
所述轮廓单峰数量N的计算公式如下：
上式(4)、(5)、(6)和(7)中，z(x)为x点在垂直方向上的坐标，L为光电发射器在基材上的取样长度；Si为取样长度内轮廓的单峰间距。
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