專利名稱：檢測焊接溫度場用電荷耦合器件圖象傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種圖象傳感器，尤其涉及一種檢測焊接溫度場用的電荷耦合器件(CCD)圖象傳感器的結構設計，屬于焊接工藝及設備自動化技術領域。
目前，現(xiàn)有技術中對于焊接溫度場的研究有兩個方面的途徑，一是建立在傳熱學理論基礎上的溫度場計算，二是實際測量焊接溫度場。就總體而言，由于焊接傳熱過程十分復雜，要解一個非線性解析方程的解是十分困難的。所進行的數(shù)學分析幾乎都是在材料熱物理性質不隨溫度變化的假定條件下進行的，也都假定焊接熱源集中在一點上。由于這些假設并不符合焊接的實際情況，因此使數(shù)學分析的各種焊接傳熱計算不能得到滿意的結果，這是數(shù)學分析法的最大弊端。對于焊接溫度場的實際測量，主要有熱電偶測溫法和紅外輻射測溫法。熱電偶測溫是最經典的高溫測量方法，有較高的測溫精度，直到現(xiàn)在還被經常采用。但是這種方法用于測量某點的溫度很合適，對于測量溫度場有較大困難。而紅外輻射測溫是一種非接觸測溫方法，是靠接收熱物體發(fā)出的紅外輻射來測量物體溫度的。紅外輻射與電磁波一樣是以光速傳播的，因此紅外輻射測溫的速度只取決于測溫儀器自身的響應時間。輻射測溫的另一個優(yōu)點是很容易實現(xiàn)溫度場的測量，并易于利用其測量結果進行焊接過程實時控制。為了消除輻射測溫中距離及材料輻射系數(shù)的影響，必須要采用比色測溫法。即是在傳感器的光路中交替的放入兩種具有不同波長的干涉濾光片，來獲取兩幅圖象，再將這兩幅圖象進行比較而最后得到所需的焊接溫度場的圖象。比色測溫傳感器在光路結構上有兩種方案可供選擇，即單通道型和雙通道型。所謂雙通道型是指熱輻射體的輻射束被分光后分別通過兩路的濾光片后入射到兩個數(shù)字攝像機上。而單通道型是指通過在同一個光路上切換不同的兩組濾光片來得到的。雙通道型響應較快，不需轉動切換裝置，但光路復雜不便調整，成本也高。單通道型其結構緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且光路結構簡單便于調整。但是由于要在光路上切換濾光片，所以速度較慢。但與溫度場的熱慣性相比要小得多，因此在比色測溫傳感器上使用完全沒有問題。但是對于濾光片的切換，如何準確定位，快速切換，也是必須解決的問題。
蘇勇在其學位論文“焊接溫度場的圖象比色檢測系統(tǒng)”(清華大學博士學位論文，1993年8月)中采用比色測溫法，利用圖象采集卡作為CCD圖象傳感器與計算機的接口。焊接開始后，由安置在工件背面的CCD圖象傳感器將焊縫背面的溫度場圖象采集下來，存入圖象采集卡，然后傳送給計算機。所用的傳感器就是采用單通道型。它實現(xiàn)在同一個光路上切換不同的兩組濾光片，其結構及工作過程如下在一個扇形板上裝有兩個不同波長的干涉濾光片，由步進電機的正反轉來帶動扇形板左右擺動，使兩種干涉濾光片交替的轉入和轉出光路。扇形板擺到左右兩側的定位是利用光電發(fā)射管和光電接收管來實現(xiàn)的，當扇形板擺到左側時，扇形板就擋在左側的光電發(fā)射管和光電接收管之間，使光電接收管接收不到信號，系統(tǒng)以此作為使電機停止轉動的信號。該結構的不足之處在于在整個檢測過程中，為了實現(xiàn)在同一個光路上切換不同的兩組濾光片，扇形板必須一直左右擺動；扇形板在左右兩側停下來是靠光電信號電路。顯然這種結構長期使用容易出現(xiàn)松動、損壞等問題，例如若光電信號電路出現(xiàn)故障，扇形板就會重擊在兩側的壁上，使結構受到損壞；光電發(fā)射管和光電接收管也還有一個安裝定位的問題，對于干涉濾光片的快速準確切換，這也是一個隱患。
本實用新型的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種檢測焊接溫度場用的電荷耦合器件圖象傳感器，主要包括數(shù)字攝像機，不同波長的兩種干涉濾光片，用于驅動干涉濾光片切換的步進電機，其特征在于在步進電機的軸上裝有一轉盤，所述兩種波長的干涉濾光片交替均勻放置在轉盤上，在所述轉盤的圓周上開有與干涉濾光片相對應的缺口，該傳感器還包括一個與缺口相配合來使轉盤實現(xiàn)定位的反射型光電開關。
所述轉盤上交替均勻放置有兩種四個濾光片；所述步進電機和數(shù)字攝像機分別安裝在轉盤的兩側。
本實用新型由于采用了開有缺口的轉盤結構，在轉盤上可交替均勻放置不同波長的兩種干涉濾光片，使缺口與反射型光電開關相配合來使轉盤實現(xiàn)準確定位。因此，該傳感器可在單光路中實現(xiàn)對兩種干涉濾光片的快速、準確的切換，而且不易損壞，具有結構合理、運行可靠、使用壽命長等優(yōu)點。
圖2為轉盤的結構示意圖。
圖3為

圖1中的A-A剖面圖。
圖4為圖1中的B-B剖面圖。
圖5為現(xiàn)有技術中焊縫背面溫度場檢測及控制系統(tǒng)流程框圖。
為了使所研制的CCD圖象傳感器能具體實施，必須有相應配套的執(zhí)行機構(如圖5所示)。被焊接的工件放置在一個導軌上，導軌可以帶著工件沿直線運動。焊炬在工件的上方，傳感器被安裝在工件的下方，其中心線與水平線成一定的角度。在焊接過程中，焊炬及傳感器固定不動，工件以確定的焊接速度沿直線向前移動。
為了使所研制的CCD圖象傳感器能具體實施，還必須有一套計算機圖象采集，處理及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用圖象采集卡作為CCD圖象傳感器與計算機的接口。焊接開始后，由安置在工件背面的CCD圖象傳感器將焊縫背面的溫度場圖象采集下來，存入圖象采集卡，然后傳送給計算機。計算機又向步進電機3發(fā)出指令，驅動轉盤10轉動，同時計算機對從圖象卡傳送來的溫度場的圖象進行比較處理，最終根據(jù)所得到的誤差值控制焊接電源，調整焊接電流，實現(xiàn)對背面焊縫的熔透及熔寬的控制。
權利要求1.一種檢測焊接溫度場用電荷耦合器件圖象傳感器，主要包括數(shù)字攝像機，不同波長的兩種濾光片，用于驅動干涉濾光片切換的步進電機，其特征在于在步進電機的軸上裝有一轉盤，所述不同波長的兩種干涉濾光片交替均勻放置在轉盤上，在所述轉盤的圓周上開有與干涉濾光片相對應的缺口，該傳感器還包括一個與缺口相配合來使轉盤實現(xiàn)定位的反射型光電開關。
2.按照權利要求1所述的電荷耦合器件圖象傳感器，其特征在于所述的轉盤上交替均勻放置有兩種四個濾光片。
3.按照權利要求1或2所述的電荷耦合器件圖象傳感器，其特征在于所述步進電機和數(shù)字攝像機分別安裝在轉盤的兩側。
專利摘要檢測焊接溫度場用電荷耦合器件圖象傳感器，涉及一種(CCD)圖象傳感器的結構設計。本實用新型主要包括數(shù)字攝像機，不同波長的兩種干涉濾光片，用于驅動干涉濾光片切換的步進電機，其特征在于在步進電機的軸上裝有一轉盤，所述不同波長的兩種干涉濾光片交替均勻的放置在轉盤上，在所述轉盤的圓周上開有與干涉濾光片相對應的缺口，該傳感器還包括一個與缺口相配合來使轉盤實現(xiàn)定位的反射型光電開關。本實用新型由于采用了開有缺口的轉盤結構，使缺口與反射型光電開關相配合來使轉盤實現(xiàn)準確定位。因此，該傳感器可在單光路中實現(xiàn)對兩種干涉濾光片的快速、準確的切換，而且不易損壞，具有結構合理、運行可靠、使用壽命長的優(yōu)點。
文檔編號G01J5/60GK2529223SQ02204910
公開日2003年1月1日 申請日期2002年3月1日 優(yōu)先權日2002年3月1日
發(fā)明者王克爭, 何方殿 申請人:清華大學