一种电子束灯丝加热电流实时测量装置的制作方法

1.本发明涉及电子束焊接设备技术领域，具体涉及一种电子束灯丝加热电流实时测量装置。


背景技术：

2.目前，在现有的热阴极电子束焊接设备中，灯丝加热电源为电子枪阴极提供加热电流，使得阴极钨丝发热，其表面电子获得逸出功而处于电子待发射状态。灯丝加热电源通常采用逆变电路串联灯丝变压器降压后整流滤波的方式实现低压大电流输出。灯丝电源输出端与加速电源相连，对地压差达到-60kv，灯丝逆变电路与电网相连，对地压差较低，因此两者通过灯丝变压器实现绝缘隔离，隔离电压在-60kv以上。灯丝加热电流的大小决定了阴极灯丝的发热状态，直接影响到束流大小的精密可控调节以及阴极钨丝的使用寿命。通过精确测量灯丝电流便于稳定电子束加工过程，实现电子束流的可控调节，同时使钨丝处于有效的工作区间，实现钨丝长时间使用。
3.由于灯丝加热电源高压侧悬浮于电子束高压加速电源上，对地压差达到-60kv，因此无法采样常规的方式对其加热电流进行实时测量。取而代之的方式是，一、测量逆变电路输出端的电流，根据变压器的变比反推出灯丝加热电流值；二，在无加速电压状态下，测量灯丝给定信号与实际灯丝电流的对应关系，并作为实际工作状态下的灯丝电流显示值。
4.上述两者测量方式均采用间接的方式反应实际的灯丝加热电流值，因此存在不准确性；方案一通过变压器变比与变压器原边电流反推灯丝加热电流的方式中，原边电流中包含灯丝变压器的励磁电流，因此推算结果存在一定误差；方案二中测量并标定的是非工作状态下的灯丝加热电流，与实际工作中的灯丝加热电流并非一个值，因此同样存在较大误差。
5.因此，发明人提供了一种电子束灯丝加热电流实时测量装置。


技术实现要素：

6.(1)要解决的技术问题
7.本发明实施例提供了一种电子束灯丝加热电流实时测量装置，解决了如何有效且实时地获得准确的灯丝加热电流值的技术问题。
8.(2)技术方案
9.本发明提供了一种电子束灯丝加热电流实时测量装置，包括半桥逆变电路、灯丝变压器、灯丝整流滤波电路、供电电源、振荡电路和推挽及隔离变压器采样电路；
10.所述半桥逆变电路的输出端与所述灯丝变压器的输入端连接且用于将直流电压逆变为交流方波电压，所述灯丝变压器的输出端分别与所述灯丝整流滤波电路的输入端、所述供电电源的输入端连接，所述灯丝整流滤波电路的输出端与所述推挽及隔离变压器采样电路连接，所述供电电源、所述振荡电路及所述推挽及隔离变压器采样电路依次连接；其中，
11.所述推挽及隔离变压器采样电路中的隔离变压器两原边绕组互补接入灯丝加热回路中且用于将采集到的灯丝加热电流经变压器升压降流后在隔离变压器副边绕组获得交流的采样信号，并经整流电路整成直流后在采样电阻上形成采样电压。
12.进一步地，所述半桥逆变电路通过交替开关晶体管m1、晶体管m2获得第一交流电压与第二交流电压以作为灯丝变压器的输入信号；并通过调节所述晶体管m1与所述晶体管m2的开通时间以实现输出第一交流电压、第二交流电压占空比的调节。
13.进一步地，所述灯丝变压器用于将第一交流电压、第二交流电压降压以获得第一输出信号、第二输出信号。
14.进一步地，所述灯丝整流滤波电路用于接收所述第一输出信号、所述第二输出信号，并通过全桥整流电路整流成直流，之后由lc组成的滤波电路滤成直流电压以实现对灯丝的加热。
15.进一步地，所述供电电源用于接收所述第一输出信号、所述第二输出信号，经过全桥整流电路后转换成直流电压，之后直接通过滤波电容滤波获得等值于所述灯丝变压器副边输出电压幅值的供电电压。
16.进一步地，所述振荡电路包括ne555、电阻及电容，当所述供电电源为其提供工作电压时，所述ne555的3脚将输出驱动方波以驱动所述推挽及隔离变压器采样电路。
17.进一步地，所述推挽及隔离变压器采样电路包括推挽电路、全桥整流电路、采样电阻及隔离变压器，所述推挽电路位于所述隔离变压器的原边绕组侧，所述隔离变压器的副边绕组与所述全桥整流电路连接，所述采样电阻与所述全桥整流电路并联且用于形成采样信号。
18.进一步地，所述推挽电路包括晶体管q1和晶体管q2，所述晶体管q1、所述晶体管q2用于在驱动方波作用下交替开关。
19.进一步地，当驱动信号为高电平时，所述晶体管q1打开，所述晶体管q2关闭；当驱动信号为低电平时，所述晶体管q1关闭，所述晶体管q2打开。
20.进一步地，所述振荡电路用于输出占空比为50％的方波电压。
21.(3)有益效果
22.综上，本发明通过在灯丝加热回路中串联采样变压器，通过开关管交替通断变压器原边绕组，副边绕组接采样电阻，将灯丝加热回路中的电流转换成电压信号并进行采集。采用该方式，可以实现电子束设备加工状态时灯丝电流值的实时测量，不受设备工作状态的影响，可以精确地测量灯丝加热电流值。采样变压器既实现了对灯丝加热电流的测量，又实现了采样信号与灯丝加热电流的绝缘隔离。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置的结构示意图；
25.图2是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的半桥逆变电路的结构示意图；
26.图3是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的灯丝变压器的结构示意图；
27.图4是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的灯丝整流滤波电路的结构示意图；
28.图5是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的供电电源的结构示意图；
29.图6是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的振荡电路的结构示意图；
30.图7是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置中的推挽及隔离变压器采样电路的结构示意图。
31.图中：
32.100-直流稳压电源；101-半桥逆变电路；102-灯丝变压器；103-灯丝整流滤波电路；201-供电电源；202-振荡电路；203-推挽及隔离变压器采样电路。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件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。
36.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.图1是本发明实施例提供的一种电子束灯丝加热电流实时测量装置的结构示意图，该测量装置可以包括半桥逆变电路101、灯丝变压器102、灯丝整流滤波电路103、供电电源201、振荡电路202和推挽及隔离变压器采样电路203；
38.半桥逆变电路101的输出端与灯丝变压器102的输入端连接且用于将直流电压逆变为交流方波电压，灯丝变压器102的输出端分别与灯丝整流滤波电路103的输入端、供电电源201的输入端连接，灯丝整流滤波电路103的输出端与推挽及隔离变压器采样电路203连接，供电电源201、振荡电路202及推挽及隔离变压器采样电路203依次连接；其中，
39.推挽及隔离变压器采样电路203中的隔离变压器两原边绕组互补接入灯丝加热回路中且用于将采集到的灯丝加热电流经变压器升压降流后在隔离变压器副边绕组获得交流的采样信号，并经整流电路整成直流后在采样电阻上形成采样电压。
40.在上述实施方式中，直流稳压电源100通过半桥逆变电路101逆变成占空比可调的交流方波电压，经过灯丝变压器102降压后分别给灯丝整流滤波电路103与供电电源201供电；经灯丝整流滤波电路103后获得可调的灯丝直流电压，实现对灯丝的加热；经供电电源201后获得等值于灯丝变压器副边输出电压幅值的供电电压，实现对振荡电路202的供电；振荡电路202输出方波电压，推动推挽及隔离变压器采样电路203中的晶体管，实现交替开关；推挽及隔离变压器采样电路203中的隔离变压器两原边绕组互补接入灯丝加热回路中，实现灯丝加热电流的采集；该电流经过变压器升压降流后在副边绕组获得交流的采样信号，并经过整流电路整成直流后在采样电阻上形成采样电压。根据变压器的变比与采样电阻值反推出实际灯丝加热电流值，实现电子束设备在工作状态下对灯丝加热电流的实时测量与监控。
41.作为一种可选的实施方式，半桥逆变电路101通过交替开关晶体管m1、晶体管m2获得第一交流电压与第二交流电压以作为灯丝变压器的输入信号；并通过调节晶体管m1与晶体管m2的开通时间以实现输出第一交流电压、第二交流电压占空比的调节。
42.具体地，如图2所示，半桥逆变电路101将直流稳压电源100的输入电压逆变成交流方波。通过交替开关m1与m2，可以获得交流电压ac1与ac2，作为灯丝变压器的输入信号；通过调节m1与m2的开通时间，可以实现输出交流电压ac1与ac2占空比的调节。其中，由于半桥逆变电路101的具体结构为常规结构设计，在此不做赘述。
43.作为一种可选的实施方式，灯丝变压器102用于将第一交流电压、第二交流电压降压以获得第一输出信号、第二输出信号。
44.具体地，如图3所示，灯丝变压器102将输入信号ac1与ac2降压获得输出信号ac11与ac21。其中，由于灯丝变压器102的具体结构为常规结构设计，在此不做赘述。
45.作为一种可选的实施方式，灯丝整流滤波电路103用于接收第一输出信号、第二输出信号，并通过全桥整流电路整流成直流，之后由lc组成的滤波电路滤成直流电压以实现对灯丝的加热。
46.具体地，如图4所示，灯丝整流滤波电路103接收灯丝变压器102的输出电压ac11与ac21，并通过全桥整流电路整流成直流，之后由lc组成的滤波电路滤成直流电压，实现对灯丝的加热。其中，由于灯丝整流滤波电路103的具体结构为常规结构设计，在此不做赘述。
47.作为一种可选的实施方式，供电电源201用于接收第一输出信号、第二输出信号，经过全桥整流电路后转换成直流电压，之后直接通过滤波电容滤波获得等值于灯丝变压器102副边输出电压幅值的供电电压。
48.具体地，如图5所示，供电电源201接收灯丝变压器102的输出电压ac11与ac21，经过全桥整流电路后转换成直流电压，之后直接通过滤波电容滤波获得等值于灯丝变压器102副边输出电压幅值的供电电压，该值不受占空比变化的调节，因此电压较为稳定。其中，由于供电电源201的具体结构为常规结构设计，在此不做赘述。
49.作为一种可选的实施方式，振荡电路202包括ne555、电阻及电容，当供电电源201为其提供工作电压时，ne555的3脚将输出驱动方波以驱动推挽及隔离变压器采样电路203。
50.具体地，如图6所示，振荡电路202由ne555(8脚时基集成电路)及电阻电容组成，当供电电源201为其提供工作电压时，ne555的3脚将输出占空比约为50％的驱动方波，用于驱动推挽及隔离变压器采样电路203。其中，由于振荡电路202的具体结构为常规结构设计，在此不做赘述。
51.作为一种可选的实施方式，推挽及隔离变压器采样电路203包括推挽电路、全桥整流电路、采样电阻及隔离变压器，推挽电路位于隔离变压器的原边绕组侧，隔离变压器的副边绕组与全桥整流电路连接，采样电阻与全桥整流电路并联且用于形成采样信号。
52.具体地，如图7所示，推挽及隔离变压器采样电路203在驱动方波作用下交替开关晶体管q1与晶体管q2，当驱动信号为高电平时q1打开q2关闭，此时绕组t2a接入灯丝加热回路中，对电流进行采样；当驱动信号为低电平时q2打开q1关闭，此时绕组t2b接入灯丝加热回路中，对加热电流进行采样；采样信号耦合至副边绕组t2c后，经全桥整流电路整成直流，并在采样电阻r4上形成采样信号。
53.作为一种可选的实施方式，振荡电路202用于输出占空比为50％的方波电压。其中，占空比是指信号的高电平占周期的比重，占空比50％表示高电平与低电平各占一半时间；当3脚输出高电平时，q1开通q2截止，当输出低电平时q1截止q2开通，因而实现q1q2的导通时长一致，实现隔离采样变压器的原边绕组接收到同等时间的交流输入电压，否则将导致变压器偏磁无法工作。
54.综上，电子束灯丝加热电流实时测量装置实现过程为：直流稳压电源100在半桥逆变电路101的作用下，转变成幅值固定占空比可调的交流方波电压，该电压经过灯丝变压器102进行降压后分别给灯丝整流滤波电路103和供电电源201供电；经过灯丝整流滤波电路103的作用后获得可调直流电压，实现对灯丝的加热；灯丝变压器102副边的输出电压经过供电电源201的作用后，获得振荡电路202的供电电压，振荡电路202开始工作并输出脉冲驱动信号，驱动推挽及隔离变压器采样电路203工作；推挽及隔离变压器采样电路203的晶体管q1与q2交替开关，实现隔离变压器原边绕组t2a与t2b交替接入灯丝加热回路中，对其加热电流进行采样，并转换至副边绕组t2c后经全桥整流电路整成直流，最终在采样电阻r4上获得灯丝加热电流的实时采样信号。通过测量采样电阻r4的电压，并根据采样变压器的变比，可以将采样信号值换算成灯丝加热电流值。
55.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
56.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。