一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，首先分析电子束，运用磁控偏转信号使电子束扫描带小孔钨板，使用钨板材料防高温烧损，扫描路径信号和频率由扫描信号发生器产生，通过外部共享晶振触发，经回路电阻转换成电压信号；然后，由于透过小孔的电信号较弱，通过运放电路进行放大和调理，放大信号经数据采集卡进行高频A/D转换、PCI总线传输和板载缓存后保存到上位机中，再对采集数据的进行滤波、区域分割后，利用OpenGL图形库对电子束行扫描数据进行平面重构形成截面能量密度分布；最后，为对电子束能量密度分布进一步度量，对整个截面能量进行积分获得总能量与能量密度值的映射关系，计算能量百分比区域。
【专利说明】一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法。
【背景技术】
[0002] 真空电子束在材料加工工程中应用广泛，电子束应用范围从低功率密度（窄、表 层型）到高功率密度（深、渗入型)，从表层工艺（淬火、上釉）到渗透层（焊接、切割）工 艺。对高功率应用而言，主要利用其焦斑处高功率特点进行金属融化或蒸发实现材料加工， 而其工艺效果与电子束空间能量分布及空间形态有关，由于电子束的非可视、高能量、高速 度及穿透性强等特性导致对其空间能量分布测量及电子束流焦斑的空间定位比较困难，影 响到具体材料加工工艺设计和施工准备工作。实际电子束施焊前通常采用束流在一定高度 试件上调节聚焦电流，运用光学系统光线强弱和飞溅等来估算束斑直径和能量分布，比较 费时耗劲，并且精确性不够。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，它针对电子束束 流特点，建立电子束能量密度测量原理、偏转扫描模块、传感器模块和采集模块，开发下位 机数据采集和上位机处理软件，在对采集数据进行预处理之后，重构二维电子束能量密度 分布并对能量密度分布值计算及测量。
[0004] 本发明采用了以下技术方案：一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法， 其特征它包括以下步骤：首先分析电子束，根据电子束高能量和穿透性强的特点，运用磁控 偏转信号使电子束扫描带小孔钨板，使用钨板材料防高温烧损，扫描路径信号和频率由扫 描信号发生器产生，通过外部共享晶振触发，保证采集信号与偏转信号同步，采集透过小孔 电子束流强度，经回路电阻转换成电压信号；然后，由于透过小孔的电信号较弱，通过运放 电路进行放大和调理，放大信号经数据采集卡进行高频A/D转换、PCI总线传输和板载缓存 后保存到上位机中，再对采集数据的进行滤波、区域分割后，利用OpenGL图形库对电子束 行扫描数据进行平面重构形成截面能量密度分布；最后，为对电子束能量密度分布进一步 度量，对整个截面能量进行积分获得总能量与能量密度值的映射关系，计算能量百分比区 域，利用等值线跟踪原理对指定能量区域进行分割，同时计算能量密度分布及其它参数值。
[0005] 在分析电子束的过程中，在电子束高能量、高速、高穿透特性基础上，采用电子束 束流截面瞬态能量密度分布测量策略及采集装置布局，建立磁偏控制信号及数据采集模 块，对采集数据进行二维重构，计算采集区域能量百分比与能量密度值对应关系并进行等 值线分割，该发明能够定量测量电子束流能量密度分布及其他参数，为束斑位置确定及束 流品质评价提供测量和分析工具。
[0006] 所述的磁控偏转信号是通过磁控电子束偏转扫描产生，磁控偏转信号实现电子束 小角度范围偏转，保证电子束采集在一个高度截面上，磁偏控制信号使电子束在小孔钨板 上进行"Z"形扫描。
[0007] 所述的电子束具有高能、高穿透性特点，避免烧坏钨板小孔，采用20MHz到30MHz 高频采样，运用PCI-1714数据采集卡并共享外部60MHz晶振实现偏转信号和采集信号同步 触发，使用Post-trigger上升沿触发采集模式，提高抗干扰能力，以PCI总线为传输通道保 证数据传输高带宽，利用高速板载缓存保证采集大数据存储。
[0008] 所述的采集数据进行低通滤波处理去除电子束扫描及采集过程中产生的噪音，对 采集区域进行分割去除非相关数据，运用OpenGL图形库对采集数据进行二维重构，辅以云 图直观显示电子束截面能量密度分布形态，运用迭代方法计算采集区域能量百分比与能量 密度值的对应关系，利用等值线跟踪算法绘制指定区域的能量密度分布，计算分割区域的 能量密度值及其它参数，为评估束流品质提供依据。
[0009] 本发明具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，本发明首先根据电子束特性 设计能量密度测量原理并建立测量系统，将采集到的高频瞬态数据经A/D转换、传输和存 储到主机后，通过低通滤波后去除采集过程中电磁高频噪声，运用OpenGL图形库对电子束 截面数据进行平面重构，配以云图显示电子束能量密度分布形态，通过迭代计算总能量百 分比与能量密度值映射关系，结合等值线跟踪技术实现能量密度分布的定量分割与计算。 本发明可以对单层电子束截面能量密度分布进行定量测量，结合多层截面数据和三维立体 重构技术可以进一步测量电子束立体焦斑，实现电子束焊接对焦的自动化，本发明针对电 子束束流特点，建立电子束能量密度测量原理、偏转扫描模块、传感器模块和采集模块，开 发下位机数据采集和上位机处理软件，在对采集数据进行预处理之后，重构二维电子束能 量密度分布并对能量密度分布值计算及测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明电子束能量密度测量数据处理流程图 图2为本发明电子束小角度偏转扫描示意图。
[0011] 图3为本发明电子束采集装置、磁偏控制信号及扫描示意图。
[0012] 图4为本发明电子束偏转扫描信号及能量密度信号采集流程图。
[0013] 图5为本发明电子束采集区域分割截面示意图。
[0014] 图6为本发明电子束采集原始信号二维重构示意图。
[0015] 图7为本发明电子束能量百分比与能量密度值映射关系计算迭代过程示意图。
[0016] 图8为本发明电子束能量密度分布及参数测量坐标示意图。
【具体实施方式】
[0017] 在图1，本发明提供了 一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，它包括以 下步骤：首先分析电子束，根据电子束高能量和穿透性强的特点，运用磁控偏转信号使电子 束扫描带小孔钨板，使用钨板材料防高温烧损，扫描路径信号和频率由扫描信号发生器产 生，通过外部共享晶振触发，保证采集信号与偏转信号同步，采集透过小孔电子束流强度， 经回路电阻转换成电压信号，在分析电子束的过程中，在电子束高能量、高速、高穿透特性 基础上，采用电子束束流截面瞬态能量密度分布测量策略及采集装置布局，建立磁偏控制 信号及数据采集模块，对采集数据进行二维重构，计算采集区域能量百分比与能量密度值 对应关系并进行等值线分割，该发明能够定量测量电子束流能量密度分布及其他参数，为 束斑位置确定及束流品质评价提供测量和分析工具，所述的磁控偏转信号是通过磁控电子 束偏转扫描产生，磁控偏转信号实现电子束小角度范围偏转，保证电子束采集在一个高度 截面上，磁偏控制信号使电子束在小孔钨板上进行"Z"形扫描 ;然后，由于透过小孔的电信号较弱，通过运放电路进行放大和调理，放大信号经数据 采集卡进行高频A/D转换、PCI总线传输和板载缓存后保存到上位机中，再对采集数据的 进行滤波、区域分割后，利用OpenGL图形库对电子束行扫描数据进行平面重构形成截面能 量密度分布；最后，为对电子束能量密度分布进一步度量，对整个截面能量进行积分获得总 能量与能量密度值的映射关系，计算能量百分比区域，利用等值线跟踪原理对指定能量区 域进行分割，同时计算能量密度分布及其它参数值，本发明的电子束具有高能、高穿透性特 点，避免烧坏钨板小孔，采用20MHz到30MHz高频采样，运用PCI-1714数据采集卡并共享 外部60MHz晶振实现偏转信号和采集信号同步触发，使用Post-trigger上升沿触发采集 模式，提高抗干扰能力，以PCI总线为传输通道保证数据传输高带宽，利用高速板载缓存保 证采集大数据存储，所述的采集数据进行低通滤波处理去除电子束扫描及采集过程中产生 的噪音，对采集区域进行分割去除非相关数据，运用OpenGL图形库对采集数据进行二维重 构，辅以云图直观显示电子束截面能量密度分布形态，运用迭代方法计算采集区域能量百 分比与能量密度值的对应关系，利用等值线跟踪算法绘制指定区域的能量密度分布，计算 分割区域的能量密度值及其它参数，为评估束流品质提供依据。
[0018] 本发明的实施是在测量策略指导下建立的硬件平台上，结合上位机和下位机软件 协同完成能量密度数值测量。
[0019] 建立电子束磁控偏转扫描传感采集方案，电子束流束斑截面尺度一般在l~2mm，为 了获得其截面能量密度分布，采用一个孔径为25um的钨板在微观上采集束流电子，通过磁 场信号使电子束偏转扫描，由于电子束流的高能性，采样过达到百万Hz级频率，通过钨板 机械往复摆动显然是不现实也是不可能的，所以采用磁控电子束偏转扫描代替小孔钨板摆 动进行电子束数据采集。
[0020] 电子束流的偏转相对于偏转中心到扫描平面的距离属于小角度偏转，图2所示 为单方向单边扫描情形，在聚焦状态下，设偏转中心到扫描平面距离为H，其范围通常取 20(T400mm，计算时H取300mm，束斑直径小大约在l~2mm，在采样点数为512时，最大偏转 距离L约为12mm，此时最大偏转角度约为arctan (12/300) =2. 3度，在电子束扫描过钨板 小孔时，取束斑直径2mm，此时扫描角度约为arctan (2/300) =0. 4度，完全属于小角度，显 然在此偏转范围内，电子束流在传输通道上能量密度分布及形态基本保持不变，可以认为 束流品质基本保持不变。
[0021] 建立电子束采集装置和磁偏控制信号，电子束能量密度检测装置内置于真空室 中，其主要由偏转线圈、法拉第筒及采集电路回路构成，图3显示了电子束检测装置、偏转 信号及采集区域数据。电子束功率密度检测原理是：由于电子束的高能量不可能一次性 检测到整个束流传输截面上的功率分布，通过设计束流穿透带小孔钨板传感器，如图3③ 所示，在法拉第筒形成电流回路，如图3①所示，其中小孔尺度远小于束流截面尺度，如图 3④所示，同时让束流进行小角度快速扫描偏转，可等效为小孔沿扫描路径逆方向采集电子 束截面的每一点强度信号，通过重构穿透小孔的束流信号即可获得电子束截面功率密度分 布。因此，在检测小孔束流强度时，必须在电子束流传输路径上施加使其偏转的电场，在X 方向上施加阶梯式电压&使电子束步进移动，在Y方向施加交流电压办使电子束进行逐 行扫描，当扫描结束时，让电子束偏移到水冷铜块，防止烧穿传感器，如图3②所示；另一方 面通过传感器检测电路，通过小孔的电子束经取样回路电阻转换成可采样与量化的电压信 号，供A/D转换处理。
[0022] 在电子束扫描过程中施加于电子束的偏转电压与采集过程紧密关联，通过在X、 Y方向的线圈上施加一定相位关系同步磁场控制信号，可以获得不同形状的电子束扫描轨 迹。偏转磁场对应的同步控制信号如图3(b)中&和办轴所示.电子束正程扫描过程中， 保持Y方向偏转电压办恒定，X方向偏转电压&线性变化，图3 (b)中实线所表示的信号控 制正程和回程扫描的电压。在偏转电压控制下，电子束流扫描轨迹如图3(d)所示，电子束 偏转信号由上位机根据电子束焊机参数计算后将偏转频率及相关数据经DB9串口发送给 偏转信号发生器，经功率放大后输入到偏转线圈，负责电子束在受控状态下进行扫描偏转， 如图4左侧虚线框所示。
[0023] 电子束采集信号是经传感器取样电路获得电子束流电压，通过放大电路和滤波电 路调理后，经高速采集卡传输到高速缓存，如图4右侧虚线框所示。电子束高速偏转信号具 有瞬态性，要求数据模块应满足三个性能要求：一是高速性，以电子束扫描速度50Q?/5为 例，采样间隙为25--，则采样频率为20#你，因此需要采用高频ADC (模数转换器）和高速缓 存技术来保证采样和数据传输的高速性；二是大容量，高速数据采集必然带来巨大的数据 流量，一个4通道30#故采样率12位精度数据采集系统采样0. Is将产生18M的数据量，所 以需要采用大缓存来解决采集数据的存储问题；三是同步性，为了保证偏转信号和采样信 号同步，采用相同的外部时钟源保证它们工作频率的一致性，具体实现是通过共享控制电 路中的时钟60MHz晶振。选用PCI-1714高速数据采集卡，其具有高速、高分辨力、高容量等 特点，数据采样速率高达30MS/s ;内含4个独立ADC，可使4个信道同步取样；每路ADC内 建32K FIFO高速缓存，可使用DMA (直接内存访问）数据传输方式，减少了 CPU处理时间， 非常适合大量高速数据传输，同时支持外接时钟源的触发方式。
[0024] 采集流程分为三步：第一步为基本参数设置，包括电子束焊机的基本信息和工况 参数，具体有焊机型号、加速电流、聚焦电流、电子束偏转扫描频率、X-Y方向扫描距离等； 第二步为串口通讯，主要是将设置好的参数从上位机通过COM端口发送到偏转信号发生器 生成X-Y同步偏转信号，包括串口参数设置（串口工作模式、串口编号及传输波特率等)、打 开端口、数据传输及关闭端口；第三步为同步触发并采集信号，其是采集模块的核心，选定 PCI-1714板卡的Post-trigger上升沿触发模式，以60MHz OSR为时钟基准，启动X-Y偏转 控制信号和采集动作，同时将采集数据以DM模式从板载缓存发送到采集程序分配的动态 内存，以PCI总线工作频率133MHz为数据传输速度，满足同步及高速要求。
[0025] 数据存储到主机后，首先进行低通滤波处理，主要去除采集过程中的电和磁产生 的高频干扰，低通滤波采用常用的均值滤波或中值滤波；然后进行信号分割，由于电子束焦 斑的尺寸远大于小孔直径，且在采集前位置不易确定，所以采集区域通常远大于焦斑尺寸， 生成大量非相关数据，必须对采集原始数据进行滤波和分割，分割目的使采样数据更接近 电子束能量区域，可缩小数据处理量，为后续信号重构和能量密度分布特性处理提供便利， 通过对采集数据行列两个方向分别投影，按总能量百分比来进行初步分割，保证电子束束 斑在处理区域，同时注意对称性，及区域两侧的强度值基本一致，分割截面如图5所示；运 用OpenGL图形库对采集的原始数据进行二维重构，对采集的电子束能量密度值辅以云图 标识，如图6所示，从图中可以直接定性看出电子束的聚焦程度和品质。
[0026] 为获得电子束束流进一步定量信息，如电子束能量密度的分布状况、能量密度分 布的高区域、焦斑位置等，需要确定采集区域总能量与能量区域百分比，即能量密度区域不 同等值线之间的映射关系，计算方法如下： 计算过程涉及的标识符和含义如下：e :能量密度值 :整个区域能量密度最小值和最大值:电子束能量密度函数 :采集区域（x，y)处能量密度值 :第i步迭代过程能量密度计算值 A巧+1 :第i+1步与第i步能量差值 ￥ :第i步能量密度值 巧：收敛误差
【权利要求】
1. 一种电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，其特征它包括以下步骤：首先分 析电子束，根据电子束高能量和穿透性强的特点，运用磁控偏转信号使电子束扫描带小孔 钨板，使用钨板材料防高温烧损，扫描路径信号和频率由扫描信号发生器产生，通过外部共 享晶振触发，保证采集信号与偏转信号同步，采集透过小孔电子束流强度，经回路电阻转换 成电压信号；然后，由于透过小孔的电信号较弱，通过运放电路进行放大和调理，放大信号 经数据采集卡进行高频A/D转换、PCI总线传输和板载缓存后保存到上位机中，再对采集数 据的进行滤波、区域分割后，利用OpenGL图形库对电子束行扫描数据进行平面重构形成截 面能量密度分布；最后，为对电子束能量密度分布进一步度量，对整个截面能量进行积分获 得总能量与能量密度值的映射关系，计算能量百分比区域，利用等值线跟踪原理对指定能 量区域进行分割，同时计算能量密度分布及其它参数值。
2. 根据权利要求1所述的电子束能量密度分布定量测量数值处理方法其特征是在分 析电子束的过程中，在电子束高能量、高速、高穿透特性基础上，采用电子束束流截面瞬态 能量密度分布测量策略及采集装置布局，建立磁偏控制信号及数据采集模块，对采集数据 进行二维重构，计算采集区域能量百分比与能量密度值对应关系并进行等值线分割，该发 明能够定量测量电子束流能量密度分布及其他参数，为束斑位置确定及束流品质评价提供 测量和分析工具。
3. 根据权利要求1所述的电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，其特征是所述 的磁控偏转信号是通过磁控电子束偏转扫描产生，磁控偏转信号实现电子束小角度范围偏 转，保证电子束采集在一个高度截面上，磁偏控制信号使电子束在小孔钨板上进行"Z"形扫 描。
4. 根据权利要求1所述的电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，其特征是所述 的电子束具有高能、高穿透性特点，避免烧坏钨板小孔，采用20MHz到30MHz高频采样，运 用PCI-1714数据采集卡并共享外部60MHz晶振实现偏转信号和采集信号同步触发，使用 Post-trigger上升沿触发采集模式，提高抗干扰能力，以PCI总线为传输通道保证数据传 输高带宽，利用高速板载缓存保证采集大数据存储。
5. 根据权利要求1所述的电子束能量密度分布定量测量数值处理方法，其特征是所述 的采集数据进行低通滤波处理去除电子束扫描及采集过程中产生的噪音，对采集区域进行 分割去除非相关数据，运用OpenGL图形库对采集数据进行二维重构，辅以云图直观显示电 子束截面能量密度分布形态，运用迭代方法计算采集区域能量百分比与能量密度值的对应 关系，利用等值线跟踪算法绘制指定区域的能量密度分布，计算分割区域的能量密度值及 其它参数，为评估束流品质提供依据。
【文档编号】G01T1/29GK104360374SQ201410714065
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】沈春龙, 彭勇, 周琦, 王克鸿 申请人:泰州学院