Частотная селекция сигналов датчиков для получения информации о положении и фокусе электронного луча


Frequency selection signal sensors for obtaining information about the position and focus of the electron beam



Скачать 312.12 Kb.
страница2/3
Дата10.01.2018
Размер312.12 Kb.
ТипЛекция
1   2   3
Frequency selection signal sensors for obtaining information about the position and focus of the electron beam

This article studies secondary electrons or X-rays - based joint tracking and focus stabilization with harmonic deviation of the controlled parameters and processing the signals at frequencies that represent combinations of input harmonic components. These parameters are position of the beam relative to position of the joint and focal plane of the beam relative to the surface of the welded parts. Due to the frequency selection noise immunity of the control devices is increased.

Keywords: electron beam welding, secondary electron emission, X-rays, the deflection of the beam from the junction, focal length, frequency selection

Вопросы обеспечения точного позиционирования луча по стыку свариваемых деталей при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) остаются актуальными особенно при сварке протяженных стыков. Стабильность положения фокуса луча обеспечивает требуемое формирование сварного шва.

В качестве источника информации о положении луча относительно стыка можно использовать тормозное рентгеновское излучение (РИ) и вторично-электронную эмиссию, сопутствующие процессу ЭЛС.

Известны соотношения, определяющие зависимость вторично-эмиссионного тока и зависимость интенсивности РИ от положения луча относительно стыка при ЭЛС однородных материалов [1]:

, (1)

где Iвэ(ε)– вторично-эмиссионный ток; J(ε)–интенсивность РИ; ψ – коэффициент вторичной эмиссии; Квэ – коэффициент, учитывающий долю вторичных электронов, пришедших на датчик; Кр– коэффициент, учитывающий долю РИ, прошедшего через площадь кристалла датчика [1]; Cкоэффициент пропорциональности; U – ускоряющее напряжение; I – ток луча; Z – атомный номер мишени – свариваемых деталей; ε смещение луча относительно стыка свариваемых деталей; σ – среднеквадратическое отклонение электронов от оси пучка; х1 и х2 – координаты кромок стыка (х1-х2=∆ - зазор в стыке).

Сравнение соотношений(1) свидетельствует об одинаковом характере (экстремальном) зависимостей интенсивности РИ и вторично-эмиссионного тока от положения луча относительно стыка. Это, в свою очередь, предполагает возможность использования одинакового математического аппарата для анализа характеристик и применения известных методов поиска экстремума для реализации управления положением и фокусировки электронного луча. В дальнейшем приведенные соотношения будут рассматриваться в относительных единицах в виде некоторой функции F:

. (2)

Представление в формулах среднеквадратического отклонения электронов не отражает связи с параметрами электронно-оптических систем электронно-лучевых пушек и зависимости σ от смещения поверхности свариваемых деталей относительно плоскости острой фокусировки. В связи с этим предлагается следующее определение среднеквадратического отклонения:



, (3)

где σ0 – минимальное σ; ∆σ(∆b)- приращение σ в зависимости от смещения Δb поверхности свариваемых деталей относительно плоскости острой фокусировки; Δσ(ΔIф) – приращение σ в зависимости от приращения токаIф) фокусирующей системы относительно тока острой фокусировки.


Рис.1. К расчету зависимости σ от Δb и ΔIф.

Допустим, при токе фокусирующей системы (ФС) Iф1 электронный луч сфокусирован на поверхности свариваемых деталей с фокусным расстоянием f1 (рис.1). При значении тока фокусирующей системы Iф2фокус луча окажется на расстоянии f2. Изменение тока фокуса на ΔIф приводит к увеличению σ наΔσ. Из рисунка видно, что



,

где R1 – средний радиус рассеяния электронов в пространстве ФС. Отсюда



.

Абсолютное значение Δσ(ΔIф) свидетельствует о том, что изменение тока ФС ΔIф относительно тока острой фокусировки приводит к увеличению σ относительно σmin.

Известно соотношение, связывающее фокусное расстояние с параметрами ФС и током фокуса [2]:

,

где Iф – ток ФС; W – количество ФС; U – ускоряющее напряжение; D ≈ 48R – параметр ФС; R – средний радиус обмотки. С учетом этого



, (4)

где Iф2 = Iф1 + ΔIф.

На рисунке 2 приведен график зависимости (4) для электронно-лучевой пушки КЭП-2М (R1 ≈ 10 мм; W = 5000; U = 25 кВ; Iф1 50 мА).

Рис. 2. Зависимость приращения радиуса луча от приращения тока фокуса.

Представляет интерес зависимость смещения плоскости острой фокусировки Δb от приращения ΔIф. Из рисунка 1 видно, что:

(5)

График зависимости (5) для электронно-лучевой пушки КЭП-2М приведен на рисунке 3. Видно, что приращение тока ФС на 1 мА приводит к смещению плоскости острой фокусировки почти на 40 мм. Это свидетельствует о необходимости стабилизации тока фокусирующей системы.


Рис. 3. Зависимость смещения плоскости острой фокусировки

от приращения тока фокуса.

Зависимость Δσ от Δb можно определить следующим образом. Из рисунка 1 видно, что

или


(6)

График зависимости (6) показан на рисунке 4. Расчеты произведены для электронно-лучевой пушки КЭП-2М, с углами сходимости электронного пучка αп ≈ 0,01÷0,03 рад. Из графика видно, что ∆σ менее критично к ∆b, чем к изменению ∆Iф

Очевидно, что результаты ЭЛС электронно-лучевыми пучками с меньшими углами сходимости менее подвержены дестабилизирующим факторам.
Рис. 4. Зависимость приращения радиуса луча от смещения

плоскости свариваемых деталей

Подставим (4) в (2):

(7)

Соотношение (7) описывает зависимость интенсивности рентгеновского излучения или вторично-эмиссионного тока от положения луча относительно стыка при различных токах расфокусировки электронного луча (рис. 5). При расчетах зазор в стыке Δ = х2х1 принят равным 0,1 мм, σ0 = 0,1 мм. Видно, что с увеличением ΔIф относительное изменение Fуменьшается, т.е. уменьшается чувствительность метода.

Явление изменения F при расфокусировке луча можно использовать для контроля и управления положением фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей.
Рис. 5.Зависимость F от положения луча относительно стыка при различных

токах расфокусировки (мА): 1 – ΔIф=0; 2 – ΔIф=0,1; 3 – ΔIф=0,5; 4 –ΔIф=1.

С другой стороны, необходимо учитывать это явление при реализации средств позиционирования луча по стыку. Из графиков видно, что заметные изменения F происходят уже при токах расфокусировки, составляющих доли миллиампер (рис.5). Поэтому нестабильность тока ФС может стать причиной ложных срабатываний - изменение, например, РИ в то время, когда положение луча относительно стыка постоянно.

В связи с этим представляет интерес возможность определения причины изменения F(изменение положения луча или изменение положения острой фокусировки луча). Такую возможность дает, например, частотная селекция сигнала рентгеновского или вторично-эмиссионного датчиков при наличии в параметрах электронного луча периодических составляющих с известными частотами.

При введении периодических составляющих в параметры ε, и σ, (сканирование стыка лучом, сканирование поверхности свариваемых деталей фокальной плоскостью луча) выходной сигнал датчика представляет почти периодический процесс [3], составляющие которого находятся в определенном соответствии с положением луча относительно стыка и фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей. Другими словами, выделяя информацию на заданных частотах, можно определить причины изменения F и управлять по соответствующему параметру. При этом вероятность прохождения помех на этих заданных частотах мала.

Представим величины ε, и σ, входящие в выражение (2) следующим образом:

ε = ε0 + εmsinω1t; (8)

σ = σ0 +|∆σ| + |σmsinω2t (9)

где ε0 – рассогласование положений луча и стыка; εm – амплитуда поискового движения в направлении, перпендикулярном линии стыка; ω1 – частота поискового движения по стыку; σ0 – минимальное среднеквадратическое отклонение пучка электронов от оси луча; Δσ – приращение σ; σm– амплитуда поискового движения по каналу фокуса; ω2 – частота изменения σ; t – время.

Перепишем формулу (2) с учетом выражений (8) и (9):



(10)

где α = ω1t; β = ω2t.

Изменение Fво времени в зависимости от ε0, σ0, можно представить, например, в виде кратного ряда Фурье в тригонометрической форме (в данном случае кратность равна двум) [4]:

(11)

где a00, amn, bmn – коэффициенты ряда.

В дальнейшем нас будут интересовать синусоидальные составляющие, т.е.

Если Fне зависит от переменных αи β, т.е. отсутствуют поисковые движения (ω1 = ω2 = 0), то ряд(11) вырождается в соотношение (2).

На рисунке 6 представлены характеристики изменения Fот положения луча относительно стыка при сканировании стыка лучом с частотой ω1, рассчитанные по формуле (ω2=0):

где α = ω1t; εm = 0,5 мм – амплитуда сканирования стыка лучом.


Рис. 6. Зависимости амплитуд синусоидальных составляющих с частотами (2i+1)ω1 (i=0, 1, 2,...) от положения луча относительно стыка: σ = 0,1мм; Δ = 0,1мм.
Из графиков (рис.6) видно, что при сканировании стыка лучом с частотой ω1 в спектре сигнала присутствуют переменные составляющие с частотами (2i + 1)ω1, i = 0, 1, 2, ... (нечетные гармоники). Амплитуды этих составляющих в окрестностях стыка пропорциональны смещению ε0 луча относительно стыка, а фаза или знак составляющей определяет направление смещения. Первая гармоника (составляющая с частотой ω1) имеет наибольший коэффициент и динамический диапазон. При этом нулевое значение b1 (когда ε0 = 0) совпадает с положением экстремума соответствующей статической характеристики (2). Отсюда следует, что, выделяя из общего сигнала датчика первую гармонику, можно реализовать способ позиционирования луча по стыку свариваемого соединения.

Если осуществлять сканирование стыка лучом с частотой ω1 и амплитудой εm и изменять ток фокуса с частотой ω2 и амплитудой ΔIфm, то в спектре одновременно возникают составляющие, амплитуды и фазы которых несут информацию о положении луча относительно стыка и положении фокуса относительно плоскости свариваемых деталей.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница