（材料加工工程专业论文）高能电子束流品质测试系统硬件研制.pdf

硕士论文 高能电了束流品质测试系统硬件研制 摘要 本文采用法拉第筒原理，传感采集高能电子束流信号，利用电磁线圈驱动电子束 流高速扫描，达到电子束各点依次穿过法拉第孔的目的，实现电子束流能量密度分布 规律的传感检测。 设计了中高压电子束品质传感检测系统，能够对6 0 1 5 0 k v 、5 1 0 0 m a 的电子束流 能量密度分布规律进行检测，该系统由电子束流法拉第筒传感装置、电子束电磁线圈、 电子束高精度放大电路和高速数据采集卡等部分组成。 电子束从能量吸收装置扫描到法拉第筒为x 方向偏转，在法拉第筒上步进的方向 为y 方向偏转。在测试德国阿亨大学研制的偏转线圈基础上，获得了x 和y 偏转方 向电流与磁场的关系，依据电子束扫描路径和y 方向2 0 1 t m 步距，计算得出了1 2 极 靴偏转线圈，每个极靴上的绕组为8 7 匝，线径设计为0 2 7 m m 。 针对电子束流进入法拉第筒，获得的传感信号非常微弱的特点，研制了传感放大 电路和微信号差动放大电路，两种电路都具有倍数可控放大的特点，适用于微弱信号 的放大。同时设计有源低通滤波电路，采用e w b 仿真软件对微信号差动放大电路进 行仿真。 依据电子束在x 方向扫描频率为5 k h z ，在完成一次x 方向扫描过程中，需要在 2 m m x 2 m m 扫描区域内采集6 2 5 个点，计算出采集卡所要求的最低采样速率为2 5 m h z 。 p c i 1 7 1 4 高速数据采集卡能够达到3 0 m h z 采样速率，且分辨率为1 2 位，能够实现高 速、高精度的数据采集功能。 关键词：电子束焊接，能量密度，法拉第筒原理，传感放大电路，高速采集 a b s t r a c t 硕f ：论文 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo ff a r a d a yc a g ew a su s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es i g n a l so f h i g h e n e r g y e bw e r ec o l l e c t e d ，a n dw eu s e dt h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cc o i ld r i v i n gt h ee l e c t r o n i c b e a mc u r r e n tt od e a lw i t ht h eh i g h - v e l o c i t ys c a n n i n gw h i c ha r r i v e dt h ep u r p o s eo fe b o r d i n a l l yp a s st h r o u g ht h ef a r a d a yh o l e t h e nt h es e n s o rd e t e c t i o no fe b se n e r g yd e n s i t y d i s t r i b u t i o nw o u l db ed e t e c t e d t h eh i g hv o l t a g ee bt r a n s d u c i n ga n dd e t e c t i n gs y s t e mw h i c hc o u l dd e t e c tt h ee n e r g y d e n s i t yd i s t r i b u t i o nr u l eo f 6 0 1 5 0 k v 、5 - 1 0 0 m ae bw a sd e s i g n e d t h es e n s i n gu n i to f e b f a r a d a yc a g e ，b e a mm a g n e t i cc o i l ，t h eh i g hd e g r e eo fa c c u r a c ye ba m p l i f y i n gc i r c u i ta n d t h ec a r do fh i g h - s p e e dd a t ac o l l e c t i o nw e r ec o n s t i t u t e dt h i ss y s t e m t h ed i r e c t i o nf r o ms c a n i n ge bt of a r a d a yc a g ei sx d i r e c t i o n ，a n ds t e p p i n go nt h e f a r a d a yc a g ei sy d i r e c t i o n t h er e l a t i o no fe l e c t r i cc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l di nxa n dy d e f l e c to r i e n t a t i o n sw a so b t a i n e db yt h eb a s i so ft e s t i n gd e f l e c t i n gc o i lw h i c hw a s m a n u f a c t u r e di na a c h e nu n i v e r s i t y t h e12p o l et e r m i n a ld e f l e c t i n gc o i l ，i nw h i c ht h e w i n d i n go fe v e r y o n ew a s8 7a n dt h ed e s i g nf l o ww a s0 2 7 m m ，w a sc o u n t e db ye bs c a n n i n g r o u t ea n dp a c eo f 2 0 p m t h et r a n s d u c e ra m p l i f y i n gc i r c u i ta n dt h em i c r od i f f e r e n t i a ls i g n a la m p l i f y i n gc i r c u i t w e r ed e s i g n e dw h i c hh a v et h ef e a t u r e so fc o n t r o l l e dm a g n i f i c a t i o nb ye be n t e r si n t o f a r a d a yc a g e t h et w oc i r c u i t sa r ea l s oa p p l i c a b l et h ea m p l i f y i n go ft h es m a l l s c r e e n a tt h e s a m et i m e ，t h e3 - l e v e la c t i v el o w - p a s sf i l t e rc i r c u i tw a sd e s i g n e du s i n ge w bs i m u l a t i o n s o f t w a r et oi m i t a t et h em i c r od i f f e r e n t i a ls i g n a la m p l i f y i n gc i r c u i t 10 0p o i n t ss h o u l db ec o l l e c t e di nt h ec r o s ss e c t i o no fe bw h i c hh a dt h e2 m md i a m e t e r d u r i n gt h ep r o c e s so fx o r i e n t a t i o ns c a n n i n gb yt h ef r e q u e n c yo f5 k h z t h er e q u i r e m e n to f c o m p u l s o r ym i n i m u ms p e e dc o l l e c t i n gc a r di s2 5 m h za n dp c i - 17 14w o u l da r r i v et ot h e s p e e do f3 0 m h zo fw h i c hr e s o l v i n gc a p a b i l i t yi s12 t h ec o l l e c t i o no fh i g h s p e e da n dh i g h d e g r e eo fa c c u r a c yw o u l db ea c h i e v e di nt h ee n d k e yw o r d s ： e l e c t r o nb e a mw e l d i n g , e n e r g yd e n s i t y , f a r a d a yc a g ep r i n c i p l e ，s e n s i n g a m p l i f i e rc i r c u i t ，h i g h s p e e da c q u i s i t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：j 啤硝年乡月湘 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 啤 例j 年易月彭日 硕：j ：论文高能电了柬流品质测试系统硬件研制 1 绪论 电子束焊接技术自其诞生之日起，经过几十年的发展，现已成为高精尖的精密焊 接方法，并在尖端工业领域，如航空、航天、原子能、兵器等方面得到了广泛应用。 尽管如此，电子束焊接技术本身所具有的巨大潜力还远没有完全发掘出来，例如，电 子束能量密度分布的控制就是其中之一，所以能量密度分布的控制在电子束扫描加热 温度场控制、电子束钎焊及异种金属焊接等方面都具有重要的意义【l 】。 1 1 课题意义 本课题来源于2 0 0 7 年立项的9 7 3 项目，“x x x x x 构件高能束流焊接制造基础研究”， 南理工承担电子束流品质测试系统的研究，是电子束流焊接研究的重要基础之一。 该项目主要通过驱动模块对电子束偏转线圈中的电流进行驱动控制，从而实现对 磁场的调节，完成电子束的高速偏摆，获得电子束流电流信号。利用法拉第筒原理检 测传输到传感装置的电子电量，实现电子束流能量密度信号的提取。采用高精度放大、 高速信号采集、数字滤波等技术和器件，获得电子束流空间传输过程中不同截面的能 量分布数据，采用智能建模、三维重构等技术，获得电子束流空间能量分布图形。研 制电子束流能量密度空间分布测试软件、硬件系统研制，为电子束流品质诊断、加工 技术研究提供有效的分析和测试手段。 本课题主要对电子束能量密度检测系统进行总体设计，分析法拉第筒原理，测试 并设计偏转线圈，选择合适的高速采集卡，对传感放大电路以及后级放大电路进行研 制和调试，使用采集卡进行数据采集，对采集到的数据进行分析处理。 1 2 电子束焊接原理及特点 1 2 1 电子束焊接原理 电子束焊接( e b w ) 是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压 ( 2 5 3 0 0 k v ) 力i 速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度( 0 3 0 7 倍光速) ，经一级或二 级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能直接转 换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的，见图1 2 1 。 l 绪论 硕一l ：论文 屯子发射 图1 2 1 电子束原理图 其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在l o o k v 加速电压下仅能穿透 o 0 2 5 m m 。但电子束焊接之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为焊接过程中一 部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开，露出 新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一深而窄的焊缝【2 1 。 1 2 2 电子束焊接特点与组成 高能电子束流具有很多特点： l 、极高的能量密度 电子束流的能量密度可达1 0 7 1 0 9 w c m 2 个数量级。同时，电子束特殊的能量转换 机构具有很高的能量转换效率。这样不但可以实现高速焊接( 每分钟数十米) ，深穿透 焊接( 焊接厚度达1 5 0 m m ( 钢) 和3 0 0 m m ( 铝) ) ，深度比达5 0 1 ，而且焊接时输送 到焊件上的总能量和引起的焊接变形几乎比常规弧焊小一个数量级，对材料的热影响 也相当小。甚至可以把精加工的零件焊在一起，而不需要焊后加工。 此外，极高的能量密度提供了用电子束焊接任何金属，甚至包括陶瓷等非金属， 以及复合材料的可能性。 2 、理想的保护条件 众所周知，焊接技术的发展史是同研究不断改进和完善熔池的保护条件紧密联系 着的。电子束焊接大多是在真空中进行，真空是一种理想的保护环境，对焊缝金属和 整个零件几乎没有任何污染。目前真空电子束焊接常用的真空度都在1 0 3 1 0 4 托之间， 这比工业用一级氩气的纯度要高几个数量级。这样纯净的环境，对熔化金属只有净化， 提纯作用，而不会带来任何污染。此外，电子束本身是没有任何化学性质的，通常电 子束焊接部需要另外填充材料，从而避免了热源和填充材料带来的污染。 2 一求硅锄鑫 求詹暂掣 一 硕十论文 高能电子束流品质测试系统硬件研制 3 、良好的可达性和可控性 在所有的荷电基本粒子中，电子具有最小的质量( 其静止质量为9 1 1 0 之8 9 ) ，很 高的荷质比为( 1 7 4 x 1 0 8 c g ) ，可以几乎无惯性的受到电场或磁场的控制。这样就使得 电子束在目前已知的各种焊接热源中，成为一种最容易操纵的热源，它允许在很宽的 范围内调节输送到工件上的热量，很精确地施加到接头处，并能在很大的距离( 数十 毫米到上千毫米) 内输送能量。这样就可以对复杂零件不易接近部位、可达性差的接 头进行焊接，也可焊接某些空间焊缝或遮挡焊缝( 多层焊缝) 。 此外，电子束的功率和焦点直径都可以精确调整，这样其功率密度便可根据需要 很方便地进行调节，既可以散焦在较大的面积上进行焊前预热或清理，也可以聚焦在 很小的面积上实现精密焊接甚至切割，这是常规焊接热源无法实现的。 近年来随着电子束偏转技术的发展，在焊接电子束以极高的频率进行扫描的同时， 人们可以对电子束的焦点位置和功率分布进行控制，这就允许同时在一个焊件上施焊 多条焊缝。这是连用激光束也很难实现的，进一步显示出电子束焊接良好的可达性和 可控性。 电子束焊机主要由真空系统、高压电源、辅助电源、工作台、焊接室、闸阀及其 它辅助设备组成，如图1 2 2 所示。 图1 2 2 电子束焊机的各部分电路组成 真空系统为电子枪及焊接室提供必须的真空环境，其主要由各种真空泵，真空测 量装置及各种真空阀门组成，为了防止高电压的击穿、电子束流的散射和能量的损耗， 电子枪内的工作环境必须保持一定的真空度；高压电源为电子枪提供加速电压，具有 软启动及各种保护功能；阴极电源对阴极加热以保证阴极能发射足够的电子：偏压电 3 1 绪论硕 j 论文 源控制电子束流的大小，它要求控制精度高、响应时间短，以实现对电子束流的快速 控制和调节，从而满足各种不同的焊接工艺的需要；工作台用来驱动工件运动以实现 对不同形状的焊缝的焊接；焊接室为焊接工件提供真空条件以保证电子束对工件的正 常焊接，同时防止射线的泄露【3 1 。 1 3 电子束焊接的现状 1 3 1 国外电子束焊接现状 电子束焊接技术起源于德国。1 9 4 8 年，德国物理学家s t e i g e r w a l d 首先提出了用 电子束进行焊接的设想，并发明了第一台电子束焊接设备，这是电子束焊接的萌芽。 1 9 5 4 年法国的斯托格博士用自行研制的一台电子束焊接装置，为法国原子能委员会成 功焊接了核反应堆的料包壳，标志着用电子束焊接金属获得了成功。直到1 9 6 1 年，法 国原子能委员会才首次披露了电子束焊接方法，使电子束焊接以一种新的焊接方法被 得以确认，并得到各工业国家的关注【i 】。 目前，在工业应用中实际应用的电子束焊接设备的功率一般小于1 5 0 k w ，加速电 压在2 0 0 k v 以内。一次可焊最大厚度钢板约为3 0 0 m m ，铝合金约5 0 0 m m 。在电子束 焊接设备的研制开发上具有实力的国家及公司有：德国的p t r 精密技术有限公司、英 国的剑桥真空工程有限公司及英国焊接研究所( t w o 、法国的t e c h m e t a 公司以及乌 克兰的巴顿电焊研究所等。上述几家公司及研究所的电子束焊接设备在国际上都有较 高的知名度，所研发的电子束焊机各有其适用性及特点。其中乌克兰巴顿研究所生产 的中高压电子束焊机，技术成熟，性能稳定，在前苏联的航空宇航焊接试验中得到了 成功的实践应用；而法国t e c h m e t a 生产的焊机在低中压方面有着优异的综合性能。 德国阿亨大学i s f 焊接研究所对电子束束流特性及其对焊缝成形的影响进行了研 究，首次较全面的讨论了电子束束流特性对焊缝成形的影响，为合理的优化焊接工艺、 保证焊接接头的质量提供了理论依据【4 1 。 法国t e c h m e t a 公司是目前法国最大的电子束焊接设备生产厂商。该公司创建 于1 9 6 4 年，专门从事电子束焊接技术、设备、工艺的研发并承接电子束加工业务。据 称，t e c h m e t a 已向世界各地销售4 0 0 多台电子束焊接设备。包括美国b o e i n g 、法 国t u r b o m e c a 在内的世界著名航空航天制造企业都有t e c h m e t a 的设备在运行。该 公司曾为特殊用户专门研制了真空室容积8 0 0 m 3 的电子束焊机，由多轴机器人控制的 电子枪位于真空室内，功率为8 0 k w 。该公司还为欧洲原子能研究所中心研制了可连 续焊接2 6 k i n 长的超导线圈的电子束焊接设备。实际是一套连续焊接型的生产线，工 件从大气中通过气阻进入预真空室，然后依次穿过焊机室和过渡真空室，再进大气中。 还包括有放料、拉直、焊前清理、焊后清理和缠绕等辅助装置【5 1 。 4 硕i ：论文高能电子束流品质测试系统硬件研制 1 3 2 国内电子束焊接现状 进入上世纪8 0 年代之后，随着改革开放和国民经济的持续发展，对电子束焊接技 术需求的不断增加，促进了电子束焊接设备和工艺的快速发展。7 0 年代许多单位研制 电子柬焊接设备，主要是为了满足自身科研或生产的需求，形成了遍地开花的局面。 进入8 0 年代，特别是国家明确提出建立市场经济之后，这种局面有利根本性改观。电 子束焊接设备的研制主要是为了满足市场需求，为用户提供商品电子束焊接设备。设 备研制逐渐集中到少数具有相对完整配套的技术力量和研发能力的单位。目前，国内 设备研发实力较为突出有航空集团公司航空制造工程研究所( 6 2 5 所) 、桂林电科所和 中科院电气高公司。 6 2 5 所从事电子束焊接工艺和设备已有4 0 余年历史。上世纪8 0 年代初研制的 z d 5 0 1 型电子束焊机，用于焊接航空仪表、膜传感器类零件，首台曾出口到罗马尼亚， 开创我国出口电子束焊机之先河。8 0 年代末研制的双工位z d 5 0 4 0 c 型齿轮电子束焊 机，全部程序自动控制，焊接参数数字显示，单件焊接周期不超过9 0 秒。上世纪9 0 年代初，在进一步国产化的基础上研制成功了z d l 5 0 1 5 a 大型高压电子束焊机，除高 压电源从西德引进外，全部立足于国内研制。研制过程中曾邀请西德电子束专家 s t e i g e r w a l d 进行技术指导。该机加速电流1 2 0 1 5 0 k v ，束流1 0 0 m a ，真空室容积 3 m x l 5 m x 2 m ，可焊接厚度0 3 6 0 m m ( 不锈钢) ，深宽比可达2 5 - l 。电子枪采用双绝 缘子，电子光学系统采用双聚焦线圈，电子束工作距离可达1 5 0 0 m m 。焊机的程序控 制采用可编程控制器。该焊机的研制成功，标志着我国大型高压型真空电子束焊机的 研制水平达到了一个新的高度。 。 桂林电器科学研究所( 简称桂林电科所) 开发电子束焊接技术始于上世纪7 0 年代 初，起步并不早，但由于有雄厚的理论和技术基础，配套齐全技术带头人，所以蛇类 电子束焊接领域后，很快取得了丰硕的成功。桂林电科所在7 0 年代研制成功第一台 h d z 6 型真空电子束焊机的基础上，又相继开发了h d z 系列各种功率的中压型电子 束焊接设备，全部采用三极枪，较小功率的采用直热式钨带阴极，较大功率的h d z - 3 0 型则采用间热式阴极，阴极材料为钽块，用钨带灯丝轰击加热，h d z 系列电子枪为焊 接时室外置枪，可在x 方向移动，电子束聚焦8 0 4 0 0 r a m ，并可作士3 度固定偏转或扫 描。h d z 系列的电气控制系统实现了程序控制，包括真空程控，焊接过程控制，工作 台数控，工艺参数实时打印输出等。进入9 0 年代后，桂林电科所为核工业研制了可连 续焊接核燃料板型元件组件的h d z 1 0 c 型电子束焊机，采用s t d 总线各功能控制模 板为主体构成的控制系统，可以一次完成4 0 条，每条长1 4 0 0 m m 的焊缝。1 9 9 8 年， 电科所从国外引进电子枪和电源，由国内总体设计配套制造。研制成功了国内第一条 金属带材连续焊接生产线。 5 i 绪论硕i ：论文 中科院电气高技术公司针对汽车行业的需求，于上世纪8 0 年代中期研制了 e b w - 4 g 型齿轮专用低真空电子束焊机( 4 0 k w ，5 0 k w ) 。该机采用中频机组供电，具 有稳定度高，纹波小，抗干扰能力强的特点，适合在环境较差，电网不稳定及长期连 续运行的场合下应用。焊接室尺寸为2 6 0 m m x l 7 0 m m x 3 9 0 m m ，焊接齿轮最大直径 1 5 0 m m ，最大焊缝直径8 0 m m ，焊接深度6 m m ，生产率可达每小时3 0 件。该机作为 我国第一代用于大批量生产线的专用机，经受了长时间连续生产的考研，于1 9 8 8 年通 过了鉴定。经过十几年的发展，现已形成e b w - g 系列齿轮电子束焊机，占据了国内 汽车齿轮焊机市场的大半江山。电气高公司研制的e b w - 4 c ，是采用p l c 控制的重压 小型通过型低真空电子束焊机，可配置x 、y 、z 工作台和z 、x 旋转卡盘，并有电子 束扫描系统。1 9 9 9 年电气高公司为上海通用汽车公司生产的液力扭变器涡轮组件专用 电子束焊机e b w - 6 t 投入生产运行，该焊机可在7 0 秒内完成2 条端面圆焊缝的焊接。 电气高公司已为市场提供了5 0 多台各种规格的电子束焊接设备，并从2 0 0 0 年开始出 口国外【5 1 。 1 3 3 电子束能量焊接路径控制方法研究 上海交通大学的李少青等人基于电子束扫描轨迹和方式控制，提出了电子束钎焊 能量密度控制方法及能量密度计算方法。 在电子束钎焊过程中，由于实际的钎缝形状、形式各异，工件上的能量密度输入 必须根据接头形式的不同而不同，并且为了满足热敏感性材料的钎焊要求，工件上的 能量密度输入要能够严格控制，这就要求电子束扫描轨迹可编辑、可控制、可实时调 节、调节精度高；另一方面，由于异种金属在熔点、热导性等热物理、化学性能方面 存在很大差异，如采用常规电子束焊接方法，接头异种金属熔化量、熔池的尺寸和形 状难于控制，使接头的成分和性能很难得到保证。因此要求焊缝两侧输入大小不等而 且比值可调的能量，以保证两种金属以适当的比例熔合。 整个系统由电子束焊机、工业控制计算机、可编程序控制器、功率放大器、限流 电阻、附加偏转线圈、数据采集装置、a d d a 转换器及控制软件等几部分构成，附加 偏转线圈安装在扫描电子束的前进路径上，该线圈由两组绕组组成，分别控制电子束 在x 、y 方向的偏转，离线编辑好的电子束扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机 中运行。 系统通过计算机编程进行电子束焊机过程控制、扫描轨迹控制、能量密度分布控 制、电子束流大小调节等。 电子束扫描轨迹采用x 、y 位移分量来描述，利用该为例分量，借助于编程生成 两路模拟驱动信号，输出到附加偏转线圈的x 、y 绕组，在附加偏转线圈中产生相应 的磁场使电子束在x - y 平面内按设定的轨迹和方式运动。 6 硕l 论文 高能电了束流品质测试系统硬件研制 设共建加热区域一个扫描周期所含点的总数为n ，所采用的刷新率为u ( 刷新率即 d a 转换器单位时间内输出的点数) ，此n 个点的横纵坐标分量( x i ，y i ) 由程序计算 ( 0 - i 5 0 v p 失真度t 1 0 k q 输山0 d g a p 频率响应：o 1 0 k h z + l d b 相移：2 0 零输入噪声： 1 5 m v p p 对偏转线圈进行总体设计，可以得出当电子束在非工作状态下时，电子束一直处 于0 角( 如图2 2 8 ) 偏摆状态，使电子束流打在吸收块上。当需要电子束扫描法拉第 筒时，电子束在法拉第筒上的扫描路径如图2 2 9 所示，可以看到，电子束在x 轴扫 描一个来回，就会在y 轴方向步进一格，根据法拉第筒上的小孔直径为2 0 t t m ，可以 做如下计算： 图2 2 8 电子束扫描一次轨迹 图2 2 9 电子束扫描路径 设偏转角为0 = 8 0 ，则从偏转线圈到法拉第筒表面为3 0 0 m m 时偏转5 0 m m ， b ：竺型兰竺乇3 7 川一。煎他2 电子加速电压u = l5 0 k v ，线圈的有效厚度tl = 0 0 3 m ，b = 0 0 0 6 7 t 。 根据电子束偏转速度是2 0 0 8 0 0 m s ，可以测得最大功率是1 0 0 k w 。 第2 阶段测试的功率是1 5 k w ，所以以5 0 0 m s 计算比较合适。 x 方向扫描距离为1 0 0 m m - 0 1 m ，y 方向设计为步进1 0 0 个小孔直径的距离2 m m 。 被1 0 0 k v 的电压加速后约有1 5 x 1 0 8 m s 的速度，穿越磁场的时间为： 仁墼：2 1 0 s 。 1 1 5 1 0 8 m s 1 9 2 电子柬流能量密度检测系统总体设计硕 ：论文 x 方向单向扫一次的时间为：t ：旦：2 l o 一s 5 0 0 m | s 所以x 方向采用5 k h z 的扫描频率为基准。 采样区域是2 m m x 2 m m 的面积，这个考虑的主要是y 方向上的距离为2 m m 。 y 方向f j 进2 0 p m ，x 方向扫描一次，y 方向一个周期要前进1 0 0 步，这样相当于 x 方向已经1 0 0 周期的时间。所以y 方向的频率是5 0 h z 。 采样频率：x 方向扫描一次所得到的模拟信号要采1 0 0 个点，所以采样频率是： 1 0 0 一一二一= 2 5 m h z 0 0 0 2 m ，_ _ 5 0 0 m | s 1 、对于没有极靴的环形线圈 根据公式： 曰：k8 n i 1 0 7 ( 2 2 2 ) k 也是形状因子取k - 1 ， m = 警一2 7 。 环内径d = 0 0 5 m ，取电流2 a ，则线圈是1 3 5 匝，单边是7 0 匝 2 、有极靴的环形线圈 胙南乏5 附 晓2 k = l ，线圈内径a = 0 0 5 m ，高度方向半张角a = 0 ，水平方向半张角1 3 = 3 0 0 。 3 对极靴一组，两对与x 轴成3 0 。角的在x 轴方向上的分量是2 擘，b 为x l + 3 方向上总量，b 。：冬：0 0 0 1 3 8 t l + 3 i n = 2 5 0 0 0 1 3 8 1 0 5 = 3 4 5 i 取2 a 时，n = 1 7 3 匝，每个极靴上是8 7 匝。 由于扫描频率很高，铁心应采用软磁铁氧化材料，以减少涡流和磁滞损耗。确定 了线圈的安匝数之后，可以确定线圈的匝数和额定电流。为了确保线圈的频率特性，要求 电源的电压应大于线圈的自感电动势。而线圈的自感电动势与电流强度成正比，与线圈 匝数的平方呈正比。为降低线圈的自感电动势，应尽可能采用大的电流强度，降低线圈的 匝数。 2 2 3 传感采集放大方案 经过偏转线圈磁场作用后的电子束，分别在x 轴和y 轴产生位移，x 轴方向每扫 硕 ：论文高能电了束流品质测试系统硬件研制 描个周期，y 方向就步进2 0 岬，当y 方向步进到法拉第筒小孔上时，小孔就有电 子束流电子进入，就会产生电流，该电流大小为1 0 1 0 0 p a 。由于信号十分微弱，无法 直接输入采集卡，因此必须设计放大电路将该信号进行放大，同时考虑该信号频率高， 信号微弱的特点，在设计电路时必须采用高频率放大元器件，以及设计滤波电路对该 信号进行滤波处理。根据输入信号的大小，可以计算得到放大电路放大的倍数需要1 0 4 倍才能将该信号放大到0 - 5 v ，输入采集卡进行数据采集( 如图2 2 1 0 所示) 。 图2 2 1 0 传感采集放大方案 根据电子束扫描频率为5 k h z ，可以初步制定放大电路中，使用的元器件的工作 频率必须达到5 k h z 以上才能获得预期的输出信号。电子束信号为一模拟信号，放大 电路必须保证在信号不失真的情况下，将该信号进行放大，然后输入采集卡，进行信 号采集，必须保证采集卡的采集频率在2 5 m h z 以上。 2 3 软件设计方案 在软件设计方面，主要是对放大后输出信号进行三维建模，获得三维分布图。另 外在传感采集以及驱动控制部分中，也存在参数控制，这些参数的控制也必须经过软 2 1 2 电了束流能量密度检测系统总体设计 硕十论文 图2 3 1 软什设计部分 件设计来得到实现。具体的设计方案如下图所示。 通过传感器从电子束弧获得表征电子束能量信号经a d 转换后成为数字信号，为 了分析电弧特性，需要利用三维图形技术来显式重现电子束弧的能量分布，通过对重 构的模型进行数据分析、处理获得电子束特性。 软件主要采用c l i e n t s e r v e r 结构，c l i e n t 主要负责电子束能量采集、重构及分析， s e r v e r 主要存储采集的各项数据和分析结果。软件结构流程如图2 3 2 所示。 采集模块依据设置参数来进行数据采集、存储并显示每层能量和空间分布，并可 以旋转和缩放显示，以便于多视角观察，同时可进行网格、实体及投影显示；重构模 块主要进行电子束的整体三维显示及能量等高线的显示；分析模块主要进行各种数据 电子束特性评价 图2 3 2 软件结构流程图 硕 ：论文高能电了束流品质测试系统硬件研制 的处理并对电子束的特性进行评价。 电子束经过控制电场进行加速，再经过校准，预聚焦线圈，主聚焦线圈后从电子 束枪射出。射出电子枪的速度范围是2 0 0 8 0 0 m s ，这主要靠加速电场的参数设置决定。 电子束从电子束枪射出后，经过一个由计算机控制的偏转电路所控制，它的最大扫描 频率为5 k h z 。根据电子束的扫描频率为5 k h z ，选用采集速度为3 0 m h z 的p c i 1 7 1 4 高速采集卡。偏转装置可以使电子束最大偏转士8 度，当每次电子束射到传感器时，通 过计算机进行处理和显示。 2 4 本章小结 l 、总体设计了电子束流能量密度方案，主要包含了电子束流能量密度传感装置、电子 束流电磁高精度高速扫描装置、电子束小信号放大电路和电子束流信号高速采集方 案。 2 、分析设计了电磁偏转线圈，通过理论计算，得出了1 2 极靴偏转线圈每个极靴上的 绕组为8 7 匝。 ? 3 、分析计算了电子束扫描频率为5 k h z ，完成一次x 轴扫描的时间为2 x 1 0 。4 s ，根据 电子束在x 轴2 m m 的距离中采集1 0 0 个点信号的要求，因此初步确定了采集卡的 采集频率至少为2 5 m h z 才能完成电子束信号的采集工作。 ， 4 、根据传感采集到的电子束信号非常微弱的特点，设计了传感采集方案，确定了放大 电路需要达到的放大倍数。同时设计了软件结构流程图，确定选用p c i 1 7 1 4 作为 高速数据采集卡，该采集卡的采样速率为3 0 m h z 。 3 高能束流品质测试榆测电路分析与设计 硕 ：论文 3 高能束流品质测试检测电路分析与设计 本文对德国阿亨大学研制的传感放大电路进行了分析和测试，自行设计和研制了 高精度传感放大电路，该电路主要由l m 3 9 1 4 、a d 7 5 1 1 、a d 8 1 l 等芯片组成，可按2 、 4 、6 、8 、1 0 、1 2 等倍数放大。由于电子束传感信号太小，约为1 0 1 0 0 9 a ，经传感放 大电路后，信号还无法直接进入采集卡，因此设计了微信号差动放大电路，能够将电 路输入信号放大1 0 3 1 0 6 倍，增加了3 阶巴特沃斯有源低通滤波电路，使微信号差动放 大电路具有滤波功能，能够将频率大于1 0 k h z 的信号除去，满足了采集电路对输入信 号的要求。 3 1 传感放大电路 3 1 1 电路原理 图3 1 1 为完整的电路原理图，该电路的主要通过在j 2 接口输入控制电压，从而 来实现控制l m 3 9 1 4 的导通功能，也就是u 1 、u 2 两块a d 7 5 1 1 芯片，a 1 a 8 的导通 情况，为后续电路提供一个控制u 3 、u 4 两块a d 8 1 i 的放大倍数电阻参数值。 传感放大电路的主要流程就是，电子束流信号进入传感放大电路，通过l m 3 9 1 4 来控制a d 7 5 1 l 的选通端，从而调节输入电路的电阻阻值，a d 8 1 l 根据不同的接入电 阻阻值，获得不同的放大倍数，以此来将电子束流信号进行放大。电路中增加了许多 电源滤波电路，尽可能的减少电源输入对整个电路的干扰，实现高精度放大。 n n 圃剐隧瀣脚1ic匝 3 高能柬流品质测试检测电路分析与设计硕l 论文 3 1 2l m 3 9 1 4 比例调节电路 l m 3 9 1 4 ( 图3 1 2 ) 是一种单片式集成电路，是通过十个等级的发光二级管 l e d s ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 来判断电压等级，从而控制相应的一端进行导通。当前导通的 一端是可以被控制和设计的。 l m 3 9 1 4 在管脚7 与8 之间自带了一个电压源，该电压源提供了一个内部电压， 电压为1 2 5 v ，该电压经过1 0 个1 k 的电阻，分配到了各电阻两端，由上到下分别是 1 2 5 v 、1 1 2 5 v 、1 0 0 v 、0 8 7 5 v 、0 7 5 v 、0 6 2 5 v 、0 5 v 、0 3 7 5 v 、0 2 5 v 、0 1 2 5 v ， 1 0 个等级，用来控制1 0 个l e d 的导通状态。 图3 1 2l m 3 9 1 4 原理图 图3 1 2 电路包含了1 0 个分割电压的组成部分，每个电压之间相差0 5 v ，也就是 当电路为o 列 o 5 v 时，l o 个选通端没有一端导通；当0 5 列 1 v 时，l e dn o 1 导 通：当l 剑 1 5 v 时，l e dn o 1 和l e dn o 2 同时导通；当1 5 _ u 2 v 时，l e dn o 1 ， l e dn o 2 和l e dn o 3 同时导通；依次类推，当也5 v 时，1 0 个l e d 端同时导通。 当管脚5 端输入一个0 - 1 2 5 v 的电压信号时，经过电压跟踪器后，与管脚7 和8 硕十论文高能电了束流品质测试系统硬件研制 之间信号在不同等级电压的比较器上进行比较，最后根据管脚5 输入信号的大小来决 定发光二极管的导通情况。 l m 3 9 1 4 是个模拟开关( 图3 1 3 ) ，根据管脚5 信号电压来控制l 、1 0 1 8 的导通， 由于本电路未用到1 0 脚和1 1 脚，所以这两个脚未接入电路。当j 2 接口的管脚5 接入 一个电压信号时，l m 3 9 1 4 便根据其电压信号的具体数值选择l 、l o 1 8 之间的选通。 管脚5 输入电压范围是0 - 5 v ，当没接入电压时，没有一端导通，当电压达到o 5 v 时 1 端导通。随着电压的增大，选通端就随之增多，一直到电压到4 v 时，l 、1 8 、1 7 、 1 6 、1 5 、1 4 、1 3 、1 2 同时导通。根据l m 3 9 1 4 管脚5 的信号，决定l ，1 2 一1 8 管脚的 导通情况。 m e r p i 1 5 v1 l 1 i d j 上 口 2 l 1 2 1 2 捌蕾唧 口 3m ：峰r 2 2 卜一耻 c 4 ll ， l ，聊 仁 ，a 4 c 6a 5 i 1 4 lslg 口 l1 5 4 ，慷当， l5 0 4 口 s ? l，llk ：堂一 t a a 仁 1 6 坫 + v l a k 1 7 17v 1 8 l l l m 9 1 4 图3 1 3 比例调节电路 3 1 3a d 7 5 1 1 运放增益控制电路 a d 7 5 1 1 的工作温度在0 - 7 0 0 c 之间，它主要通过几个开关来控制其输出，最高工 作电压是+ 2 5 v 。a d 7 5 11 包含了4 个独立的开关组成其输出信号( 图3 1 4 ) 。 ；占豁宕曩 暑葛苫 ，宝 乏 2l笙 善 图3 1 4 a d 7 5 1 1 封装图 l m 3 9 1 4 的l 、1 2 1 8 管脚与两个a d 7 5 1 1 的1 8 端相连，控制1 8 端的选通情况。 当j 2 接口输入电压为2 v 时，l m 3 9 1 4 的1 、1 8 、1 7 、1 6 端导通，也就对应a d 7 5 1 1 ( 如图3 1 5 所示) 的a 8 、a 7 、a 6 、a 5 端导通，电阻、r 7 、r 9 接入电路。由 于该四个电阻是并联，因此可以算出其阻值为0 4 3 k q 。由此可知，a d 7 5 1 1 的功能就 是根据l m 3 9 1 4 端的电压信号，调整运放的增益，据计算，接入电阻的阻值分别为3 触、 3 高能束流品质测试检测电路分析与设计硕i j 论文 l k q 、0 6 k q 、0 4 3 k q 、0 3 3 k q 、0 2 7 k q 、o 2 k q 、o 1 6 k q 。 删一莎三 专a 丝i 。3 a 地i 陟兰 一a4 6 竺陟弋d 舄3劓y o ；7 弋二 产v d o 图3 1 5 运放增益控制电路 3 1 4a d 8 1 1 运算放大器 a d 8 1 1 ( 图3 1 6 ) 的工作温度在0 7 0 。c 之间。该芯片是一个运算放大器，根据 各管脚接入电路的不同，可以起到不同倍数的运放功能。l 、5 、8 不接入电路，2 端接 负信号输入，3 端接正信号输入，4 端接负电源，6 端为信号输出，7 端接正信号输出。 n c l n + i n - v s 图3 1 6 a d 8 11 封装图 如图3 1 7 所示是一个同相放大电路，根据该电路图可以得到其闭环电路放大倍数 终! 生：! 为 。 和反相电路相比，其最大的不同点在于，其输出信号和输入信号同相，其输入阻 抗也相当高，为差模输入阻抗与环路增益的乘积( 环路增益为：开环增益闭环增益) 。 在支流耦合情况下，输入阻抗对于电路的影响作用比起输入电流，主要是由于其在信 号源内阻上所带来的压降来说，是在次要地位。 如图3 1 8 所示是差分放大电路，现假设a d 8 1 l 管脚2 输入的信号为v l ，管脚3 输入的信号为v 2 ，输出电压为： 矿：坠墨! 兰墅坐一生形 叫 ( 墨+ 蜀s ) r 5置， ( 3 1 1 ) 盯p 峨邮陋 硕 ：论文高能屯了柬流品质测试系统硬件研制 图3 1 7 同相放大电路 3 2 微信号差动放大电路 图3 1 8 差分放大电路 3 2 1 电路原理 图3 2 1 为微信号差动放大电路，电路的输入端为儿，输出端为j 2 。该电路主要 通过运用l m 7 4 1 组成差分放大电路实现放大功能。信号从j 1 进入后，经过一级差动 放大电路，能够将信号放大1 0 3 倍。 信号从r 1 2 端输出后经过一个三阶b u t t e r w o r t h 滤波电路，将电路中产生的杂波信 号消除，再经过第二级放大。第二级放大是一个可变放大电路，通过调节r 2 4 和r 2 5 的阻值，可以控制第二级的放大倍数，该放大倍数为1 9 1 1 倍到1 0 0 0 倍。 通过两级放大完全能够将一个级的信号放大到o - 5 v 之间，满足了采集卡对信 号输入的要求，为后续采集工作提供了准确的数据。 由于输入j 1 的信号只有1 0 1 0 0 叫, ，属微弱信号，所以在电路中加入了电源滤波电 路，降低了来自电源和地线的噪声干扰。 密普长疆臀械妒妲长izc匝 o n 硕j j 论文 高能电了束流品质测试系统硬件研制 3 2 2 微信号差动放大电路参数计算 由于得到的信号大小为微安级，因此采用了微信号差动放大电路，该电路如图 3 2 2 所示。 图3 2 2 微信号差动放大电路 由于差动放大器具有双端输入单端输出，共模抑制比