（机械电子工程专业论文）基于halcon机器视觉软件的超小功率金卤灯电极装配监控系统的研究.pdf

m 姗m i l f i i i l l i i 洲 17 618 5 2 得的研究成果。尽我所 或撰写过的研究成果， 我一同工作的同志对本 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：至韭导师签名：邀日期：塑竺! ! ! 鲨 摘要 基于h a l c o n 机器视觉软件的超小功率金卤灯电极装 配监控系统的研究 学校：东南大学 摘要 电极间距作为影响金卤灯性能的重要参数，在金卤灯生产过程中一直都有着严格的 精度要求。对于小功率尤其是超小功率金卤灯，由于受电弧管尺寸的限制，电极间距的 额定值一般都比较短，在装配过程中微小的误差都可能会对金卤灯的性能产生较大的影 响。如何制造出快速、准确的电极装配系统是金卤灯发展过程中亟待解决的问题。 针对以上问题，本文综合运用图像处理及串口通讯技术设计出一套电极装配监控系 统，实现了电极的自动定位。首先运用v c + + 编写一个基于对话框的界面，实现参数选 择及装配流程的控制；c c d 数字相机所采集的图像通过1 3 9 4 卡进入计算机并在对话框 中实时显示，借助于h a l c o n 机器视觉软件的强大功能依次对图像进行噪声去除、区 域选取、基于灰度的阈值分割、基于区域生长的阈值分割、二次去噪等操作；在提取出 图像的特征区域之后，通过两种不同的方法进行了电极间距的测量，并对二者进行了比 较分析；根据测得间距与标准间距差值的不同，基于m o d b u s 协议，计算机通过串口对 驱动器发送不同的运动指令，进而控制电极进行有规律地进给运动。通过实验表明，此 系统具有良好的稳定性和精度，实现了电极装配时自动校准极间距的要求，具有一定的 实用价值。 关键词：金卤灯，图像处理，串口通讯，h a l c o n ，m o d b u s 协议，c c d 数字相机 东南大学硕士学位论文 a m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h ee l e c t r o d ea s s e m b l yo f m i n i a t u r em e t a lh a l i d el a m pb a s e do nh a l c o n a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c hh a v et h er e m a r k a b l ei n f l u e n c et ot h e p e r f o r m a n c eo ft h em e t a lh a l i d el a m p ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w oe l e c t r o d e sa l w a y sh a s r i g i dp r e c i s i o nr e q u e s td u r i n gp r o d u c t i o n f o rl o w e rp o w e re s p e c i a l l yt h em i n i a t u r em e t a l h a l i d el a m p ，b e c a u s eo ft h el i m i to ft h ea r ct u b e sd i m e n s i o n , t h es t a n d a r dd i s t a n c eb e t w e e n t h et w oe l e c t r o d e si sv e r ys h o r t ，e v e nas m a l le r r o ri nt h ea s s e m b l yp r o c e s sw i l lh a v eb i g i n f l u e n c eo nt h ef u n c t i o n so ft h em e t a lh a l i d el a m p h o wt od e s i g nas y s t e mt oa s s e m b l et h e e l e c t r o d e sq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi sab u r n i n gq u e s t i o n t oc o p e 谢t l lt h eq u e s t i o nm e n t i o n e da b o v e ，am o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h e e l e c t r o d ea u t o m a t i ca s s e m b l yi sd e s i g n e d ，w h i c hu s et h et e c h n o l o g yb o t hi ni m a g ep r o c e s s i n g a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n f i r s tag r a p h i ci n t e r f a c eb a s e do nd i a l o gb o xi sc o m p i l e du s i n gt h e v c + + l a n g u a g e ，b yt h i si n t e r f a c e ，t h ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls e q u e n c e sc o u l db ec h o s e n ；t h e i m a g e sg a t h e r e db yt h ec c dd i g i t a lc a m e r ap a s s e dt ot h ec o m p u t e rb yt h e13 9 4c a r da n d d i s p l a y e dr e a l - t i m e l y , t h e n 、析mt h eh e l po ft h em a c h i n ev i s i o ns o f l w a r e h a l c o n ，n o i s e r e d u c t i o n ，r e g i o ns e l e c t i o n ，t h r e s h o l dd i v i s i o nb a s e do ng r a y , t h r e s h o l dd i v i s i o nb a s e do n r e g i o nm e r g i n gi sa p p l i e dt ot h ei m a g e ；a f t e rt h ee x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n , t h e d i s t a n c eb e t w e e nt h et w oe l e c t r o d e si sm e a s u r e du s i n gt w od i f f e r e n tm e t h o d s ； o nt h eb a s i so f t h ed i f f e r e n c eo ft h ed i s t a n c em e a s u r e da n dt h es t a n d a r dd i s t a n c e ，t h ec o m p u t e rg i v ei t s i n s t r u c t i o n st ot h es e r v od r i v e rt h r o u g ht h ec o m p o r tw h i c hi sb a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o l ， a n dc o n t r o lt h em o t o rf e e dr e g u l a r l y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mc a nr u ns t a b l ya n d a c c u r a t e l y , a n ds a t i s f i e st h er e q u i r e m e n tt oc o r r e c tt h ed i s t a n c ea u t o m a t i c a l l y , s oi th a sc e r t a i n p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d ：m e t a lh a l i d el a m p ；i m a g ep r o c e s s i n g ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；h a l c o n ； m o d b u sp r o t o c o l ；c c d d i g i t a lc a m e r a i i 目录 目录 摘要”l a b s t r a c t i i 目蜀乏i i i 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 国内外金卤灯研究概况2 1 2 1 国外研究概况”2 1 2 2 国内研究概况2 1 3 论文解决问题的提出3 1 4 课题研究的实现3 1 5 论文的内容安排4 1 6 论文的意义4 第二章金卤灯工作原理、分类及结构6 2 1 金卤灯工作原理6 2 2 金卤灯的分类7 2 3 电弧管结构设计8 2 3 1 工作温度与负载选择”8 2 3 2 电弧管形状选择8 2 3 3 电极后空间及电极间距8 2 3 4 电弧管尺寸设计9 第三章电极装配系统需求分析及方案设计1l 3 1 系统需求分析“l l 3 2 图像采集系统1 2 3 2 1 图像采集设备的选择1 2 3 2 2g u p p yf - 0 8 0 c 的性能及采集模式选择13 3 3 图像处理系统1 4 3 4 进给执行系统1 5 3 5 通讯系统“1 7 3 6 、结17 第四章超小功率金卤灯电极图像采集及处理1 8 4 1 图像处理综述1 8 4 2 图像的表示1 8 4 3 图像采集中的照明“1 9 4 3 1 光源的选择1 9 4 3 2 照明方式的选择2 0 4 4 图像的预处理2 l 4 4 1 图像噪声2 2 4 4 2 图像增强处理2 2 4 4 3 两种区域平滑方式的比较”2 3 4 5 电极处理系统的流程及界面”2 4 4 5 1 电极装配系统的流程2 4 4 5 2 电极装配系统界面2 5 4 6 第一电极处理2 6 4 7 第二电极处理2 7 i i i 东南大学硕士学位论文 4 7 1 区域选取2 7 4 7 2 基于灰度的阈值分割2 8 4 7 3 目标区域的选择3 l 4 7 4 噪声的二次去除3 2 4 8 关于电极间距测量的两种方法的比较3 3 4 8 1 基于图像骨骼化处理的电极间距测量3 3 4 8 2 基于区域最小距离的电极间距测量3 4 4 8 3 两种测量方法的比较3 5 4 9 相机的标定及准确性验证”3 6 4 9 1 相机标定3 6 4 9 2 准确性验证3 7 4 1 0d 、结”3 8 第五章电极装配系统的通讯设置及编程3 9 5 1 伺服驱动器控制模式选择“3 9 5 1 1p s d a 一10 2 3 al 伺服驱动器3 9 5 1 2 驱动器控制模式及参数的选择4 0 5 2 基于m o d b u s 协议的计算机与驱动器的通讯- 4 4 5 2 1m o d b u s 协议简介4 4 5 2 2m o d b u s 功能函数的实现4 5 5 31 3 9 4 标准及摄像机采集速率设定“4 7 5 3 11 3 9 4 标准简介4 7 5 3 2 摄像机采集速率与i e e e l 3 9 4 标准的关系4 7 5 4 系统编程分析。4 9 5 4 1h d e v e l o p 程序的编程4 9 5 4 2m o d b u s d l l 的调用51 5 4 3 定时器时间设定”5 2 5 4 4 进给方式适用区域的划分5 5 5 4 5 可行性验证5 6 5 5h d e v e l o p 到v c + + 的转换5 6 5 6 爿、结5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 取得成果5 9 6 2 研究展望”5 9 致谢6 0 参考文献“6 1 i v 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 能源是世界经济的血液，是国家安全的重要因素。工业的迅猛发展在带给人们越来 越便利舒适的生活及巨大的经济利益的同时，伴随着的是石油、煤、天然气等化石能源 的大量消耗。据统计，目前全世界能源年总消费量约为1 3 4 亿吨标准煤，其中石油、煤、 天然气等化石能源约占8 5 ，核能、太阳能等新型能源仅占1 5 。2 0 世纪中期，能源 危机特别是石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大的冲击，也引起了人类对能源重要 性的关注。与此同时，以煤、石油为主的世界能源结构带来的酸雨、臭氧层破坏、土壤 沙漠化严重等全球性环境问题及国家安全问题日益突出，二氧化碳排放所造成的温室效 应使全球气温不断升高，两极冰j 1 1 3 v 量融化所带来的海平面上升使很多岛国面临着生存 的危机。1 9 9 7 年，在东京，世界多国签署了旨在限制温室气体排放的京都议定书， 虽然在今年的哥本哈根会议上各国没能达成实质性的协议，但是许多国家在制定本国能 源政策时，已将环境问题放在优先考虑的位置，在积极寻求新能源的同时，都把节约能 源作为解决能源危机的一条重要途径。 自从1 8 7 9 年，爱迪生发明第一盏白炽灯到现在已经过去了一百多年。在这一百多 年里，各种照明光源层出不穷，从白炽灯到荧光灯( 包括t 5 、t 8 荧光灯和节能灯) 、再 到高强度气体放电灯、以至电光源的新秀一l e d 灯，每一次的变革都体现着科技的飞 跃。在现代社会中，照明已成为一个国家、一个城市文明程度与经济发展水平的重要标 志。据统计，全球照明用电占全部能源消耗的近2 0 左右，其中白炽灯所占比例依旧很 高。白炽灯作为第一代照明光源，其最大的缺点是能效低( 8 1 5 l m w ) ，其所耗费的能 量中只有十分之一用来发光，其余大部分则以热能的形式散失。据有关部门统计，如推 广节能灯6 2 0 0 万只，每年可节电3 2 亿千瓦时，减排二氧化碳3 2 0 万吨- ，二氧化硫3 2 万吨n 1 。为此，早在九十年代初期，美国环保局提出了具有划时代意义的绿色照明工程， 并得到世界各国的积极响应，从此之后，节能减排、实施绿色照明，成为各国的共识。 在2 0 0 7 年欧盟春季首脑会议上通过了一项内容广泛的节能计划，根据这项计划，欧盟 将推广使用节能灯泡，逐步淘汰白炽灯泡。按照这一计划，到2 0 2 0 年欧盟将把能源消 耗量减少2 0 。另据报道，澳大利亚政府宣布，将在2 0 1 0 年前全面禁用白炽灯泡。澳 大利亚成为世界上第一个计划全面禁止使用传统白炽灯的国家瞳1 。在我国，去年照明用 电量占全国总用电量的1 2 ，高达4 1 0 0 亿千瓦时，相当于英国全国一年的用电量呤3 。 另一个事实是：在我国，照明光源中白炽灯所占比例远远高于世界水平。鉴于此，2 0 0 7 年底，财政部、国家发改委联合发布了高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法， 采用财政补贴的方式力推高效节能灯。这一措施在提高能源利用率的同时，也为照明企 业提供了良好的发展机遇，新型照明光源的研究成为新的发展方向。 金卤灯作为第三代照明光源，它兼有高气压放电灯和低气压放电灯的特点，光效高 ( 6 5 1 4 0 1 m w ) ，寿命长( 5 0 0 0 , - - - , 2 0 0 0 0 h ) ，显色性好( r a 6 5 9 5 ) ，结构紧凑、性能稳定， 可以说金卤灯汇集了气体放电光源的主要优点，因此近年来金卤灯发展迅速，以 年均1 5 以上的速度递增，并形成了超小功率系列( 3 5 w 以下) 、小功率系y o ( 5 0 - - - , 1 5 0 w ) 、中功率系歹j j ( 1 7 5 - - - 4 0 0 w ) 、大功率系歹u ( i o o o w 以上) 等多个品种，并已广泛的 应用于道路、港口、广场、体育场馆、工业厂房等场所的照明。与此同时，在石英金卤 灯的基础上又出现了陶瓷金卤灯，其优异的性能更是受到各个商家的青睐。 现在，中、小功率金卤灯在生产技术上已经比较成熟，但是超小功率金卤灯由于其 整体尺寸小，各项指标要求高，对生产设备提出了更严格地要求，实际生产中很多工艺 还无法实现自动化，因此产品的质量不是很好，发展缓慢。如何改进金卤灯生产设备， 东南大学硕士学位论文 提高金卤灯产品质量，实现大规模自动化生产已成为超小功率金卤灯发展中亟待解决的 问题。 1 2 国内外金卤灯研究概况 金属卤化物灯从其诞生到现在已经有近五十年的历史，在这五十年里，世界各国都 进行了积极的探索，不断地改进其生产工艺及设备，在质量和产量上都有了长足的发展， 在我国，金属卤化物灯虽然起步较晚，但是也取得了不错的成绩。 1 2 1 国外研究概况 1 9 1 1 年，施泰因梅茨发现，在汞放电灯中加入各种金属碘化物时，放电电弧中就会 产生这些金属的光谱。由于当时的放电管温度受玻璃软化点的限制，其光谱强度微弱。 1 9 5 3 年，又有人制成采用碘化钍、不需要电极的微波激发石英发光灯，它产生亮白色的 钍发射谱线。5 0 年代末，为了改进高压汞灯的光色，一些实验室进行了在汞电弧管内充 入各种金属及金属卤化物的试验，并取得了一定的成果。1 9 6 1 年，第一支金属卤化物灯 问世，灯内的发光物质不再是汞，而是金属卤化物( 钠、铊、铟等的碘化物) 。 此后，金属卤化物灯得到了进一步研究和发展。由于金卤灯不需要灯丝即可点亮， 抗震性能好，发光效果优于其他卤素灯，在汽车照明中得到了大力的推广和应用。1 9 8 4 年飞利浦公司首先提出将h i d 灯用于汽车前照灯的设想，先后花费了五年时间研制出汽 车用h i d 灯，直到1 9 9 2 年才第一次在汽车上使用；德国宝马于1 9 9 1 年发现汽车h i d 原理后，宝马汽车最早应用安装h i d 氙气灯；1 9 9 5 年新款奔驰e 级轿车全面应用h i d 氙气灯，并于1 9 9 7 年正式上市；目前b m w 、b e n z 、a u d i 、l e x u s ，均将h i d 列为 基本配备。 传统的金卤灯填充物质中存在着汞，汞是一种有毒物质，在生产过程中对操作工人 存在着一定的危害，同时在生产及使用过程中由于汞泄露所造成的环境污染问题也日益 受到人们的重视。在这种情况下，新型无汞h i d 灯的研究被推到电光源研究的前沿，最 终松下公司研究实验室将此付诸现实，他们通过添加i n l 3 提高灯电压，增加氙气的气体 压力以提高发光效率。 在金卤灯家族中除了石英金卤灯外，还存在另一大类陶瓷金卤灯。8 0 年代初， 石英金卤灯技术已经成熟，同时，许多研究者也发现石英管的各种缺点，受g e 用半透 明陶瓷管生产高压钠灯的启发，陶瓷管很快被应用到了金卤灯的生产之中。但是陶瓷金 卤灯生产技术难以掌控，很多厂家的产品仍存在不少问题。 1 2 2 国内研究概况 我国照明行业起步于上世纪初，由于基础薄弱与国外一直有着较大的差距，虽然七 十年代就开始开发自制设备，并在上海、南京、成都、丹东等地先后生产出镝灯、钠灯、 铟灯等金属卤化物灯，但无论在产量还是质量上都存在着不足之处。九十年代，由于需 求量增大，先后从美国、韩国引进十几条生产线，由于多数企业引进的设备与工艺不够 成熟和市场开拓等原因，绝大多数生产线运转情况不好。 为了加快我国金卤灯的发展，1 9 9 6 年，“小功率金属卤化物灯生产工艺及设备的 研究被列为“九五”国家重点攻关项目，投资人民币3 4 0 0 万元，东南大学电光源研 究中心作为牵头单位，与其他兄弟单位经过五年的努力，最终自主研发、设计、制造出 2 第一章绪论 我国第一条金卤灯生产线，并顺利通过国家验收。在此之后，金属卤化物灯的生产设 又有了进一步的发展，目前，石英金属卤化物灯的生产设备、测试仪器已全部国产化。 技术的发展促进了金卤灯的产量，许多厂家纷纷将金卤灯作为自己的主打产品， 十年代初，全国每年生产金卤灯只有2 0 万只，2 0 0 9 年产量已达4 3 0 0 万只，其中5 0 上用于出口。 3 论文解决问题的提出 金卤灯的各种优点使其注定成为今后照明光源发展的方向之一，虽然中、小功率 卤灯的生产工艺已经比较成熟，但是在室内等场所需要体积、功率更小的超小功率金 灯。因此，在寿命和光电参数得到保证的前提下，对金卤灯实现小型化，将会有更广 的发展前景。 影响金卤灯内在质量的因素有很多，包括玻壳的外形尺寸、玻壳羟基含量的处理、 电电极的处理、压封工艺过程控制、放电腔体形状的控制、注汞量及注金卤丸量的控 、排气工艺过程的控制等等，其中比较重要的一个因素是压封工序电极装配过程中所 生的极间距误差。超小功率金卤灯由于受电弧管体积的限制，两个电极之间的标准极 距很小，并且有着严格的要求，在装配过程中有很小的误差，也会对其性能产生较大 影响。以3 5 w 超小功率金卤灯为例，其放电电弧长度一般在4 2 m m 左右，极间距允 误差为5 或更小，即使取其最大值5 ，也仅为0 2 m m 。对于功率更低的2 0 w 或者 w 的超小功率金卤灯，这一数字则更小，对电极间距的控制也就提出了更高的要求。 此，设计一种可靠、高速的电极间距控制系统是提高超小功率金卤灯质量的关键。本 题将以此为出发点，根据实际生产需要，设计一套超小功率金卤灯电极装配监控系统， 来实现两电极合理准确的定位。 1 4 课题研究的实现 本课题研究的对象为3 5 w 及以下的超小功率金卤灯，其泡壳直径小于6 m m ，电极 直径小于0 3 m m 。以3 5 w 为例，电极间距的额定值为4 2 m m ，允许误差为5 ( 0 2 m m ) ， 为了增加产品的一致性，在本设计中，目标是将误差控制在0 1 m m ( 0 0 5 i t i n l ) 以内。 若要保证这么高的精度，在生产过程中，单纯依靠人的肉眼是难以实现的。之前，人们 曾经先后进行过多种尝试，但效果都不理想。其中比较常用的一种方法是综合利用c c d 摄像机和监视器，首先，根据产品瓦数在监视器上设定满足极间距额定值的标线，然后， 用肉眼将摄得的两电极实时影像与标线进行比较，并根据比较偏差进行手动调节。这种 方法虽然具有一定的可行性，但是存在以下三个缺点：一、受人眼生理机能的影响，难 以实现较高的定位精度；二、由于存在主观误差，不同的操作者所生产产品的一致性难 以保证，存在较大的随机误差；三、自动化程度不高，生产效率低，不利于规模化生产。 本课题的思路是对上述过程实行智能化模仿，让计算机、摄像机和伺服电机分别扮 演人脑、人眼与人手的角色。即计算机代替人脑对摄像机( 人眼) 采集的图像进行分析， 通过一定的算法得到两电极的实时间距，在与额定间距比较之后发送指令去指导伺服电 机( 代替人手) 来实现电极的规律性进给运动。 为实现超小功率金卤灯电极的精确定位，本课题将综合运用v c + + 编程、图像处理、 串口通讯等多种技术，具体设想方案如图卜1 所示： 东南大学硕士学位论文 计算机 图1 - 1 方案设计原理图 首先，通过c c d 数字摄像机实时地采集金卤灯电极图像并通过1 3 9 4 接口上传至计 算机。然后，利用h a l c o n 机器视觉软件对图像进行中值滤波( 去噪声) 、区域选取、 阈值分割、目标选择、极间距测量等操作，得出电极实时间距。最后，将所得实时间距 与标准间距进行比较，并将比较结果转化为控制指令，通过串口通讯输出给伺服驱动器， 进而控制电机带动电极运动。对于电机运动的控制有两种方案，一种是实时控制，即在 电极定位开始的同时启动电机，计算机实时采集金卤灯电极图像进行处理，当电极间距 满足生产要求时，立即发送指令使电机停转。这一种方案的缺点在于，从电极间距满足 生产要求到电机停止转动之间存在着一定的延时，在这段时间内电机会继续转动，有可 能造成实际间距小于电极间距允许值的情况。另一种方案是，电机在电极定位的初期并 不运动，当计算机完成一次图像采集、图像处理操作，得到实时间距与额定间距的差值 后，电机根据计算机的命令转动一定的角度并立即停止，直到下一次控制命令的到来。 这种方案避免了上一方案中出现的延时问题，具有较高的控制精度，对于它在处理速度 上的缺陷，可以通过进给脉冲的设置来弥补，本设计采用了此方案。 1 5 论文的内容安排 本文共分为六章，具体安排如下： 第一章：介绍课题研究的背景，国内外研究概况以及任务的提出及解决方案的实现。 第二章：介绍金卤灯的工作原理、分类以及各种结构参数的确定。 第三章：阐述系统的整体设计方案，在此基础上着重介绍硬件、软件各部分的设计思路 及各种设备具体参数选择。 第四章：介绍金卤灯电极装配系统界面设计，第一电极的定位以及基于中值滤波、区域 选择、阈值分割、目标选择及距离测量等各种操作的第二电极定位控制。 第五章：介绍基于m o d b u s 协议的计算机与驱动器的通信及电机运动参数的设置，基于 1 3 9 4 的计算机与摄像头的通讯，以及整个系统的编程思路。 第六章：对设计的系统进行总结，提出此设计方案的不足及有待完善之处。 1 6 论文的意义 随着世界经济建设的发展和人类生活水平的提高，特别是绿色照明意识的加强，人 们对照明品质的要求不断提高，不但要求亮，而且要求光线柔和、舒适、灯饰美观，更 重要的是如何节能。金卤灯以其节约能源、光效高、显色性好、寿命长等优点越来越受 到人们的重视。在中、小功率金卤灯生产技术都已比较成熟的同时，如何尽快的发展超 小功率金卤灯生产技术已成为当务之急，金卤灯电极间距控制技术作为影响金卤灯整体 4 费大国，虽然 所以一定要加 图2 - 1 金卤灯电弧管及内部构造图 1 、第一电极2 、石英泡壳3 、铝箔4 、第二电极 5 、金属卤化物丸6 、汞丸 金卤灯作为第三代光源的杰出代表，其性能在很大程度上决定于其内部结构，图2 1 给出了金卤灯电弧管及内部构造。电极间距作为影响金卤灯性能的主要参数之一，是由 管壁负载、电弧管放电有效面积等多种因素共同决定的，而要弄清它们之间的关系就必 须对金卤灯的工作原理、分类和结构有一定的认识，鉴于此，本章将对以上三方面予以 论述。 2 1 金卤灯工作原理 在电光源的发展过程中，高压汞灯以光效比白炽灯高的优点曾经深受人们喜爱，但 光色却不是很理想，其所发出的可见光的能量有一半以上集中在4 0 4 7 n m 、4 3 5 8 n m 、 5 4 6 1 n m 、5 7 8 n m 四条汞的特征谱线上，光色偏蓝、偏绿，缺少红光，显色指数在3 5 - - 5 0 。为解决这一问题，人们最初将一些金属原子加到高压汞灯的电弧管中，以使这些金 属原子像汞一样电离、发光，发出自己的特征谱线以填补汞特征谱线中的空白。但是， 在石英管正常的工作温度下，大多数金属蒸气压太低，无法形成有效的辐射，而蒸气压 较高的几种金属则又会与石英管发生反应。在经过大量的尝试之后，直到2 0 世纪6 0 年 代初，人们成功地将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中，才较好地解 决了这两个问题，也预示着金卤灯的出现。 金卤灯电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。其工作过程就是金属 卤化物分解复合再分解再复合这样一个不断循环的过程，具体来说就是： 在金卤灯开始工作时，随着管壁温度升高，金属卤化物受热蒸发，由于管壁处浓度要高 于电弧中心，因此便产生了分子的扩散，在温度更高的电弧中心金属卤化物分解为金属 原子和卤素原子，同时金属原子被电离激发，辐射出特征谱线。同样，在金属原子和卤 6 第二章金卤灯工作原理、分类及结构 素原子浓度差的作用下，二者向温度相对较低的管壁处发生逆扩散，并在此处重新复合 开始新一轮循环。 由于汞的激发电位为7 8 e v ，而所采用的金属的激发电位一般为4 e v 左右，这样被 激发的金属原子的浓度要高于汞原子，因此在整个放电过程中汞电弧总辐射中仅有2 3 在可见光区域内，金属卤化物电弧的总辐射则可高达5 0 以上n 刳。但是，在普通金卤灯 中汞却是必须的，汞的主要作用在于以下三个方面：建立一个高气压环境，降低金属蒸 气和卤素气体的扩散速率来提高灯的发光效率；加大电位梯度和管压，改善灯的电特性； 促进灯的启动速度。 2 2 金卤灯的分类 金卤灯的分类方法有很多，按灯的结构可分为三类： ( 1 ) 单泡壳双端型。这种灯的电弧管近似球形，光色近乎阳光。由于它的加工精 度高，采用预聚焦的灯头，因而能精确控光，主要用于高等级体育场馆的照明。 ( 2 ) 双泡壳双端型。电弧管被封在一个直管状的石英玻璃外壳中，外壳抽成真空。 这类等主要用于室内照明，尤其是橱窗和店铺照明。 ( 3 ) 双泡壳单端型。它们是一般照明最常用的金属卤化物灯，外壳又有管状透明 外壳和涂荧光粉椭球型外壳之分。前者用于室内展示照明，后者则是装饰泛光照明的理 想光源。 为了追求性能更高的金卤灯，人们对各种金属元素的卤化物都进行了研究，并取得 了一定的成果，但是实际应用中，并不是仅仅加入一种卤化物，而是根据每种元素的光 谱特性进行组合，按照填充的金属卤化物及发光特性不同，已逐渐形成4 大类： ( 1 ) 由几种金属原子发出线状光谱分段叠加，以求得高光效，高显色性。 其中比较典型的是碘化钠一碘化铊一碘化铟灯。钠和铊的激发电位分别为2 1 e v 和 3 3 e v ，能产生有效的共振辐射，但是其光色还不是很理想，仍带有黄绿光，加入铟之 后可以得到一定的改善。这类灯的光效为7 0 - - - 8 0 1 m w ，色温3 8 0 0 - - 4 2 0 0 k ，显色指数 7 0 - - 7 5 ，常用于一般照明。 ( 2 ) 充钪、钠卤化物的钪一钠灯类。 钪、钠系金属卤化物是金属卤化物灯中光效最高( 9 0 - - 1 0 0 1 m w ) ，同时显色指数 也较好的品种，r a 可达6 0 - 7 0 ，常用于对颜色要求较高的场合。 ( 3 ) 充入能在可见光部分发出大量密集谱线的稀土金属卤化物灯。 镝、钬、铥等稀土类金属的光谱谱线间隙非常小，可以认为是连续的，因此，金卤 灯内如充有此类卤化物，就能产生显色性很好的光。但是，稀土元素及其卤化物的蒸气 压都比较低，为了使电弧管内保持足够高的稀土金属蒸气的分压强，势必要提高管壁温 度，也就对灯的寿命产生了影响u 3 。 ( 4 ) 利用金属卤化物分子发光。 在金卤灯的研究过程中发现，锡、铝的单卤化物分子很稳定，即使在高温下也不容 易分解，并且可以辐射出较强的连续性光谱并具有良好的显色性。但是用这类分子填充 的金卤灯光效较低，约为5 0 - 6 0 1 m w 7 东南大学硕士学位论文 2 3 电弧管结构设计 2 3 1 工作温度与负载选择 由金卤灯的工作原理可知，只有保持一定的温度，才能保证电弧管内部分解复 合再分解再复合这一过程的顺利进行。对于中、大功率的金卤灯，其工作温 度一般在7 2 5 - 9 0 0 ，但不得小于7 2 5 。而小功率金属卤化物灯电弧管的工作温度一 般取高一些，但当管壁的温度过高时，石英泡壳会产生析晶现象，影响光的输出，近而 影响灯的寿命。 管壁负载作为金卤灯的重要参数，与管壁温度是紧密相关的，管壁负载越大，管壁 的温度就越高，灯管的光效就越高，设计小功率金卤灯时，管壁负载一般取2 0 , - 一4 0 w c m 2 ，此时灯的光效较高，显色性能较好，色温基本稳定，寿命可达6 0 0 0 h ，而对于 3 5 w 超小功率金卤灯其负载般取2 0 - - - , 3 5w e r a 2 。 2 3 2 电弧管形状选择 在设计电弧管时，应使电弧管腔体形状尽可能与电极间放电电弧形状一致，以确保 电弧管腔体轴向各处温度大体相等，有利于放电时卤化物及其离子气流在腔体中快速、 均匀流动而不产生湍流，保持腔体内有最高的金属卤化物蒸气压，从而提高光效、显色 性能与寿命n9 1 。在实际生产中则一般采用椭球形电弧管，除了满足以上要求外，其优点 还包括：将腔体制成椭球形有利于提高金属卤化物的蒸汽压和热化学循环的稳定，使其 具有最佳的性能；椭球形的腔体具有很高的机械强度，便于通过汞密度的调节，达到相 对较高的单位弧长输入功率，以保证小功率金卤灯的光效指标。 2 3 3 电极后空间及电极间距 电极后空间，是指从电极螺旋圈后端面到压封处的长度，电极后空间对金属卤化物 凝聚的温度和位置都有着直接的影响乜引。对于双端压封的7 0 w 以下的小功率金卤灯， 电极后空间一般为l 一2 m m 。 电极间距即两电极端面之间的距离，同时也是金卤灯正常工作时放电电弧的长度， 其一般可通过下式来确定： 三：乓 ( 2 1 ) 万铆 、7 式中： 三电极间距( c m ) ； 尸电弧管功率( w ) ； d 金卤灯电弧管最大内径( c m ) ； 7 7 管壁负载( w c m 2 ) ； 通过研究发现，电极间距与电弧管内径最大值之比l d 对金卤灯性能有很大影响， 此比值越大，电弧管的内表面积越大，单位面积的负载就越小，有利于延长灯的寿命。 因此，在金卤灯设计中有时也会根据此比值来确定电极间距。 8 式中： 式中： 彳常数，其数值与泡壳中气体的种类、气压和平均温度有关。a 4 x 1 0 一： d 为电弧管外径( c m ) ： 出环境温度； 圪= s r s s b t 4 ( 2 4 ) b 温度丁时石英表面的积分发射率s ，= 警； 如斯忒藩一波耳兹曼常数，站= 5 6 7 0 3 2 x 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) ； 丁4 管壁温度( k ) ( 2 ) 石英泡壳的壁厚应满足下述要求： 怂警 ( 2 5 ) o 4 6 ，电弧管壁厚( c m ) ； 汞的工作气压( a t m ) d 电弧管壁厚( c m ) ： 6 石英管的极限强度，6 = 9 8 0 k g c m 2 ： 9 1 0 第三章系统需求分析及方案设计 第三章电极装配系统需求分析及方案设计 通过前两章的分析，已经对本课题的研究任务以及金卤灯的工作原理、分类和结构 参数有了一定的认识，本章将通过对电极装配系统设计的需求分析来详细介绍方案的实 施及软、硬件的选择。 3 1 系统需求分析 1 4 节已经对本次设计给予了简单的介绍，本设计研究的对象为3 5 w 及以下的超小 功率金卤灯电极装配监控系统，主要任务是实现两电极的精确定位，电极间距的允许范 围为4 2 0 0 5 m m ，由于本课题是面向实际生产，所以要求其具有较高的速度和适应性。 通过对以上条件的分析并结合实际生产得出整个系统的性能应满足以下几点要求： ( 1 ) 较高的精确度。两电极极间距最大理论允许误差值为电弧放电长度的5 ( 即 0 2 m m ) ，但是允许误差范围过大时，生产出的产品一致性不好，从而在质量及寿命上 有很大差别，本设计的目标是将误差控制在0 0 5n l n l 以内。 ( 2 ) 加工对象的多样化。超小功率金卤灯有着多种不同的规格，功率的不同在电极 间距上也就存在差异，本设计虽然以3 5 w 超小功率金卤灯为主，但是对于2 0 w 、1 0 w 等其他功率产品应该同样适用。 ( 3 ) 良好的连续性。作为一种新型的节能光源，超小功率金卤灯电弧管的制作是一 个十分复杂的过程，这就需要一整套完整的工艺过程，才能保证生产出的灯具有良好的 品质。总体来说，其生产的工艺流程可以概括为以下几个步骤： 石英管切割石英管校直泡壳成型第一电极装配第一电极压封 脱羟注入金卤丸注汞装配第二电极排气充气压封第二电极 割多余排气管装架包装入库比。 从上述流程可以得出，第一电极与第二电极是分开装配、压封的，但是电极间距却 是由第一电极与第二电极共同决定的，也就是与其相对位置有关。同时，首先安装的第 一电极的定位精度对两电极的对称性有着一定的影响。此外，电极伸入长度这一参数决 定了金卤灯内卤化物的凝聚温度和位置，而任何一个电极的深入长度都是由两电极间距 的额定值及另一电极的位置所决定，因此所设计的系统应该能够实现两个电极的定位。 ( 4 ) 较高的生产速度。超小功率金卤灯由于结构尺寸问题，在很多生产工序上还无 法实现自动化及批量生产，本设计在确保处理精度的同时，另一个要求就是能实现较高 的