一种电子束二次电子采集装置及电子束设备
技术领域
[0001] 本
发明涉及电子束技术领域，具体涉及一种电子束二次电子采集装置及电子束设备。
背景技术
[0002] 电子束
焊接是利用空间定向的高速运动电子束撞击
工件表面，电子的
动能转
化成热能使被焊金属
熔化，熔融的金属冷却结晶后形成
焊缝。电子束焊接具有加热功率
密度高、焊缝深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接
变形小、焊缝纯度高、焊接工艺参数调节范围广、适应性强和可焊材料多等诸多优点。
[0003] 电子束焊接采用的电子束焊机是一种技术密集型设备，其综合了
真空物理、电子技术、电子光学、高
电压技术、计算机和控制技术等多种高新技术。尽管电子束焊机设备价格昂贵，但因其优越的
焊接性能，在国防工业、宇航工业、仪器仪表工业、
汽车制造业等诸多领域中倍受欢迎。尤其是在特大厚焊件和微小型元件的精密焊接方面更显出其他焊接方法无可比拟的优越性。
[0004] 目前的电子束焊机在焊接过程中无法对被焊接工件进行细微观察，如焊缝的对准、焊接效果的好坏判断等等，不仅造成废品率高，而且加工效率低下，间接导致加工成本大幅提高等诸多弊端。
[0005] 为了提高电子束焊机的焊接
质量(如加工好坏和焊缝的对准等)，相关技术人员在电子束焊机中安装了二次电子采集装置，二次电子采集装置是利用电子束特性的成像装置。二次电子是被入射电子轰击出的
原子的核外电子，其主要特点包括
能量小于50eV，在固体样品中的
平均自由程只有10～100nm。在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，基本上不会向侧向扩散；二次电子的数量依赖于电子束与工件表面法线间的夹
角，夹角越大的面发射的二次电子多，反之则少。
发明内容
[0006] 本发明
实施例的目的在于提供一种电子束二次电子采集装置及电子束设备，用以解决现有电子束焊机中焊接过程中无法观察观察，导致废品率高和加工效率低的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明实施例的技术方案为提供一种电子束二次电子采集装置，所述电子束二次电子采集装置包括采集板、
采样电路、
信号调理电路和成像系统，所述采样电路的输入端与所述采集板电连接，所述采样电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，所述信号调理电路的输出端与成像系统电连接。
[0008] 其中，所述采样电路包括采样
电阻，所述采样电阻的两端分别与所述采集板和地电连接，所述信号调理电路的两个输入端分别电连接所述采样电阻的两端，所述信号调理电路用于对采样信号进行滤波和衰减处理。
[0009] 其中，所述信号调理电路包括信号放大单元、第一电源供给及滤波单元、第二电源供给及滤波单元和信号输出单元，其中，所述信号放大单元用于对所述采样电路获得的信号进行放大以获得放大信号，所述第一电源供给及滤波单元用于对所述放大信号进行滤波；所述第二电源供给及滤波单元用于对所述放大信号再次滤波，所述信号输出单元用于将滤波后的信号输出至成像系统。
[0010] 其中，信号放大单元包括第一
放大器U1、第二放大器U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一可调电阻RW1、第二可调电阻RW2，其中，第二电阻R2的第一端电连接采样电阻R1的两端，第二电阻R2的第二端电连接第一放大器U1的
反相输入端；第一放大器U1的同相输入端接地；第一可调电阻RW1的第一端电连接第一放大器U1的反相输入端，第一可调电阻RW1的第二端电连接第一放大器U1的输出端；第三电阻R3的第一端电连接第一放大器U1的输出端，第三电阻R3的第一端电连接第二放大器U2的同相输入端；第二可调电阻RW2的第一端接地，第二可调电阻RW2的第二端电连接第二放大器U2的反相输入端；第四电阻R4的第一端电连接第二放大器U2的反相输入端，第四电阻R4的第二端电连接第二放大器U2的输出端。
[0011] 其中，所述第一电源供给及滤波单元包括第一直流电源、第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5、第九电阻R9、第十电阻R10、第一发光
二极管D1和第二
发光二极管D2；其中，第一电容C1的正极电连接直流电源的正极，第一电容C1的正极接地；第二电容C2的正极接地，第一电容C1的负极电连接第一直流电源P1的负极；第四电容C4的第一端电连接第一直流电源P1的正极，第四电容C4的第二端接地；第五电容C5的第一端接地，第五电容C5的第二端电连接第一直流电源P1的负极；第一发光二极管D1的正极电连接第一直流电源P1的正极，第一发光二极管D1的负极电连接第九电阻R9的第一端；第九电阻R9的第二端接地；第二发光二极管D2的负极电连接第一直流电源P1的负极，第二发光二极管D2的正极电连接第十电阻R10的第一端，第十电阻R10的第二端接地。
[0012] 其中，所述第二电源供给及滤波单元包括第二直流电源P2、第三电容C3、第六电容C6、第三发光二极管D3和第十一电阻R11，其中，第三电容C3的正极电连接第二直流电源P2的正极，第三电容C3的正极接地；第六电容C6的第一端电连接第二直流电源P2的正极，第六电容C6的第二端接地；第三发光二极管D3的负极电连接第二直流电源P2的正极，第三发光二极管D3的正极电连接第十一电阻R11的第一端，第十一电阻R11的第二端接地。
[0013] 其中，所述信号输出单元包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第三放大器U3，其中，第五电阻R5的第一端电连接信号放大单元的输出端，第五电阻R5的第二端电连接第三放大器U3的反相输入端，第六电阻R6的第一端电连接第二电源供给及滤波单元，第六电阻R6的第二端电连接第三放大器U3的正相输入端；第七电阻R7的第一端电连接第三放大器U3的反相输入端，第七电阻R7的第二端接地；第八电阻R8的第一端电连接第三放大器U3的输出端，第八电阻R8的第一端接地。
[0014] 其中，所述采样电阻的阻值为1-3欧姆，述信号调理电路用于将采样
信号处理成0V～1V的信号。
[0015] 其中，所述采样电路还包括
放电管，所述放电管的两端分别电连接所述采集板和地。
[0016] 另外，本发明还提供一种电子束设备，包括电子枪和电子束二次电子采集装置，所述电子枪用于向被焊接工件发射熔融所述被焊接工件的电子束，所述电子束二次电子采集装置用于采集二次电子，所述二次电子是所述
电子束照射所述被焊接工件时产生的核外电子，电子束二次电子采集装置采用本发明提供的所述的电子束二次电子采集装置。
[0017] 本发明具有如下优点：
[0018] 本发明提供的电子束二次电子采集装置，利用采集板获得被焊接工件表面原子的核外电子(即二次电子)，通
过采样电路和信号调理电路处理后传输至成像系统，用户可从成像系统观察焊缝的
位置及焊接质量，掌握焊接过程中的动态，及时发现和纠正焊接过程中出现的问题，从而降低废品率及提高焊接效率。
附图说明
[0019] 图1为本发明实施例提供的电子束二次电子采集装置的结构示意图。
[0020] 图2a为本发明实施例1提供的信号调理电路中信号放大单元的电路图。
[0021] 图2b为本发明实施例1提供的信号调理电路中第一电源供给及滤波单元的电路图。
[0022] 图2c为本发明实施例1提供的信号调理电路中第二电源供给及滤波单元的电路图。
[0023] 图2d为本发明实施例1提供的信号调理电路中信号输出单元的电路图。
[0024] 图3为本发明实施例提供的电子束设备的结构示意图(图中，带箭头的虚线表示二次电子，实线表示电子束)。
[0025] 附图标号：
[0026] 1-采集板，2-采样电路，3-信号调理电路，4-成像系统，5-放电管，R-采样电阻，6-被焊接工件，7-电子枪。
具体实施方式
[0027] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例提供一种电子束二次电子采集装置。如图1所示，电子束二次电子采集装置包括采集板1、采样电路2、信号调理电路3和成像系统4，采样电路2的输入端与采集板1电连接，采样电路2的输出端与信号调理电路3的输入端电连接，信号调理电路3的输出端与成像系统4电连接。
[0030] 在本实施例中，采集板1采用导电良好的金属板，如
铜板。采集板1用于采集二次电子，这里所指的二次电子是电子束照射被焊接工件时被轰击出来的被焊接工件的原子的核外电子。二次电子具有以下特点：能量小于50eV，在固体样品中的平均自由程只有10～100nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，基本上未向侧向扩散；二次电子的产额依赖于电子束与工件表面法线间的夹角，夹角越大发射的二次电子多，反之则少。
[0031] 采样电路2包括采样电阻R1，采样电阻R1的两端分别与采集板1和地电连接，采样电阻的阻值为1-3欧姆，优选1欧姆。二次电子被采集板1接收后会通过采样电阻R1流到大地，并在采样电阻R1上产生电压。由于被焊接工件6的形状和表面凹凸不平，产生的二次电子的数量随之相应的变化，采样电阻R1上的电压也会随着在之间变化。
[0032] 信号调理电路3的两个输入端分别电连接采样电阻R1的两端，信号调理电路3用于对采样信号进行滤波和衰减处理，获得0V～1V的直流信号。
[0033] 信号调理电路3包括信号放大单元、第一电源供给及滤波单元、第二电源供给及滤波单元和信号输出单元；其中，信号放大单元用于对采样电路获得的信号进行放大以获得放大信号，第一电源供给及滤波单元用于对放大信号进行滤波；第二电源供给及滤波单元用于对放大信号再次滤波，信号输出单元用于将两次滤波后的信号输出至成像系统。
[0034] 具体地，如图2a所示，信号放大单元包括第一放大器U1、第二放大器U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一可调电阻RW1、第二可调电阻RW2，其中，第二电阻R2的第一端电连接第一接线
端子P1，第一接线端子P1为信号调理电路3的信号输入端，第一接线端子P1的两个
接线柱与采样电阻R1的两端电连接，第二电阻R2的第二端电连接第一放大器U1的反相输入端；第一放大器U1的同相输入端接地；第一可调电阻RW1的第一端电连接第一放大器U1的反相输入端，第一可调电阻RW1的第二端电连接第一放大器U1的输出端；第三电阻R3的第一端电连接第一放大器U1的输出端，第三电阻R3的第一端电连接第二放大器U2的同相输入端；第二可调电阻RW2的第一端接地，第二可调电阻RW2的第二端电连接第二放大器U2的反相输入端；第四电阻R4的第一端电连接第二放大器U2的反相输入端，第四电阻R4的第二端电连接第二放大器U2的输出端，第二放大器U2的输出端为TOCOMPR端。
[0035] 第一电源供给及滤波单元提供15V的直流电压。如图2b所示，第一电源供给及滤波单元包括第一直流电压P2、第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5、第九电阻R9、第十电阻R10、第一发光二极管D1和第二发光二极管D2，其中，第一电容C1和第二电容C2为
电解电容，第四电容C4和第五电容C5为无极性电容，第一发光二极管D1发绿色光，第二发光二极管D2发黄色光。第一电容C1的正极电连接第一直流电源的正极，第一电容C1的正极接地；第二电容C2的正极接地，第一电容C1的负极电连接第一直流电源的负极；第四电容C4的第一端电连接第一直流电源的正极，第四电容C4的第二端接地；第五电容C5的第一端接地，第五电容C5的第二端电连接第一直流电源P1的负极；第一发光二极管D1的正极电连接第一直流电源P1的正极，第一发光二极管D1的负极电连接第九电阻R9的第一端；第九电阻R9的第二端接地；第二发光二极管D2的负极电连接第一直流电源P1的负极，第二发光二极管D2的正极电连接第十电阻R10的第一端，第十电阻R10的第二端接地。
[0036] 第二电源供给及滤波单元提供24V的直流电及滤波。如图2c所示，第二电源供给及滤波单元包括第二直流电源P2、第三电容C3、第六电容C6、第三发光二极管D3和第十一电阻R11，其中，第三电容C3为电解电容，第三发光二极管D3发红光。第三电容C3的正极电连接第二直流电源P2的正极，第三电容C3的正极接地；第六电容C6的第一端电连接第二直流电源P2的正极，第六电容C6的第二端接地；第三发光二极管D3的负极电连接第二直流电源P2的正极，第三发光二极管D3的正极电连接第十一电阻R11的第一端，第十一电阻R11的第二端接地。
[0037] 如图2d所示，信号输出单元包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第三放大器U3，其中，第五电阻R5的第一端电连接信号放大单元中的第二放大器U2的输出端TOCOMPR，第五电阻R5的第二端电连接第三放大器U3的反相输入端，第六电阻R6的第一端电连接24V直流电源的正极，第六电阻R6的第二端电连接第三放大器U3的正相输入端；第七电阻R7的第一端电连接第三放大器U3的反相输入端，第七电阻R7的第二端接地；第八电阻R8的第一端电连接第三放大器U3的输出端，第八电阻R8的第一端接地。第三放大器U3的输出端是信号输出单元的信号输出端。
[0038] 作为本实施例的一个优选实施例，采样电路还包括放电管5，放电管的两端分别电连接采集板1和地，即放电管5和采样电阻R1并联，一端电连接采集板1，另一端接地。放电管5优选采用气体陶瓷放电管。
[0039] 在本实施例中，成像系统4可以采用采用现有的成像系统，只要能获得0～255级灰度图即可满足本实施例的基本需求。
[0040] 本实施例提供的电子束二次电子采集装置，利用采集板获得被焊接工件表面原子的核外电子(即二次电子)，通过采样电路和信号调理电路处理后传输至成像系统，用户可从成像系统观察焊缝的位置及焊接质量，掌握焊接过程中的动态，及时发现和纠正焊接过程中出现的问题，从而降低废品率及提高焊接效率，以及降低加工成本，改善工人劳动强度等优点。
[0041] 实施例2
[0042] 本实施例提供一种电子束设备。如图3所示，电子束设备包括真空室(图中未示出)、电子枪7和电子束二次电子采集装置，电子枪1和电子束二次电子采集装置均设置于真空室内，其中，电子枪用于向被焊接工件3发射电子束，电子束可以熔融被焊接工件3，电子束二次电子采集装置用于采集二次电子，这里所指的二次电子是电子束照射被焊接工件时被轰击出来的被焊接工件的原子的核外电子。在本实施例中，电子束二次电子采集装置采用实施例1提供的电子束二次电子采集装置，具体结构在此不再赘述。需要说明的是，采集板1设置在被焊接工件6和电子枪7之间。
[0043] 本实施例提供的电子束设备通过电子束二次电子采集装置可以观察焊缝的位置及焊接质量，掌握焊接过程中的动态，及时发现和纠正焊接过程中出现的问题，从而降低废品率及提高焊接效率。
[0044] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明
基础上，可以对之作一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
