第4章 焊接传感器-5CCD、超声波课件

主讲教师:陈银银chenAgAg@163.co四章焊接自动化传感技术(面阵CCD)摄像机传感器摄象机传感器一般有两种工作方式，一为结构光式，即把外加光源作成一条或多条窄光带形状．另一种为直接拍摄电弧的方式。1．结构光式

传感器的光源可以是激光或白光，它被作成一条或多条窄带形状，故称结构光．该光带位于焊炬前方，以450方向斜射在工件上，见图4.26，摄象机在工件正上方，拍摄到光带和工件的交线．其图形如图4.27所示．此图形能反映坡口的形状，深浅，能求出工件的三维尺寸，故称三维传感器。由微机对图象进行处理后，可求出焊缝位置及坡口尺寸．由于信息量大，故处理时间较长，一股约0.3s处理一幅图象。图4.27跟踪特点：由于跟踪信号直接取自电弧，故没有传感器位置的附加导前误差．同时它能测量熔池宽度等参数，能对焊接规范进行自动控制，故其功能很强。2．直接拍摄电弧式将摄象机置于电弧前方，从450角度直接拍摄电弧，熔池，焊丝等图象。如图4.28所示．所得的图形是倒象，下部的黑色凸起是焊丝，上部的白色凸起是焊缝缝隙，大块白色区域是熔池．由图可求出焊丝对焊缝中心的偏移量，从而输出跟踪信号。图4.28

CCD在焊接中的应用－激光扫描传感器这是一个精密的电子—光学—仪器系统。用途：它能探测坡口的高度尺寸。1．工作原理激光扫描传感器的工作原理见图4.29，He—Ne激光束打在工件上，光点经过透镜在线阵CCD元件上成象,由于透镜平面与激光束成一倾斜角度，故不同的工件高度位置的光点对应于水平安放着的CCD元件上不同的成象点.即A1对应成象点B1,A2

对应成象点B2换句话说，不同工件高度位置的反射光点，一一对应于CCD上感光的光敏元件的号码,由CCD输出的光电信号图可确定感光元件的号码，从而探测出工件的高度位置,当激光束进行扫描时，即可探测坡口形状。图4.29应用实例：（1）结构：激光扫描传感器结构如图4.30所示,激光束从水平方向射到扫描轴的镜子上再射到工件上，从工件上反射的光经扫描轴的另一镜子射到透镜并在线阵CCD元件上成象，扫描在马达正反转驱动下不停的来回转动，而使激光束在工件焊缝处横向扫描，马达转角甲决定扫描范围。扫描频率为l0Hz，测量高度位置的精度为±0.2mm。激光束在电弧前方约35mm处。它已用于弧焊机器人的焊缝自动跟踪，还可以进行焊接规范自动控制。

图4.30（2）激光扫描传感器的信号处理该传感器的信号处理框图见图4.31，激光器加上电源后，扫描马达正反转动，CCD探测出在每个扫描角度甲时的工件高度，经坐标变换，把极坐标r，变成直角坐标x、y，并显示出光点的扫描图形即坡口形状；然后计算坡口中心位置以进行焊缝自动跟踪(控制机器人各轴的运动)，还可以计算坡口的面积以进行焊接规范的自动控制．这是具有智能的最新一代的传感器。图4.31超声波传感器

1.背景知识振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104HZ之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。如图所示。利用超声波的物理性质

超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在校测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速浏量、超声显微镜及超声成像等。

超声波种类由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的被，称为纵波。它能够在固体、液体和气体中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的被，称为检波。它只能在固体中传播；③表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加面迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传波方向，质点位移的短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。

纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度。由于气体和液体的剪切模量近似为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速为344m／s、液体中声速在900—1900m／s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半。表面波声速约为横波声速的90％。波理论常用定律（测量用到）(1)反射定律入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角等于反射角。(2)折射定律

入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波中介质的波速C1与折射波中介质的速C2之比，即

2.超声传感器的工作原理（1）焊缝跟踪利用超声波脉冲在金属内传播时的界面反射现象，可以接收到反射波脉冲，由入射—反射波脉冲的行程，即可测得界面位置．一般用横波探头作为焊缝跟踪传感器，见图4.32，当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化时，接收到的反射波脉冲的时间就发生变化，

前提：探头与焊炬刚性固定，当焊炬与焊缝对中时，探头的位置即为平衡位置，其对应的声程(时间)即为标准声程。

应用时：当焊炬偏离焊缝中心时，其获得的声程与标准声程之差即为左右跟踪信号。波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头，这就是超声波测距原理

（2）熔池深度测量由于流动的液体不传播横波，超声波不可能透射到焊接熔池中去，即它在固—液界面也要反射，利用这一特性就能测量熔池深度，见图4.33。两横波探头置于焊缝两侧，它们是两套彼此独立的系统，因此不需要对称配置．当熔深减小时，声程长度增大，熔深增大时，声程变短，与预定的标准声程作比较即可实时测量及反馈控制熔深，用两套系统的好处是：若有一探头由于钢板表面粗糙而暂时不能接触时，第二个探头还在跟踪和控制熔深，

图4.3333.工业应用（1）常用探头超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。超声波探头的具体结构如图10—3所示。（2）焊缝跟踪可在工业上应用的超声波焊缝跟踪兼熔深控制器的外形见图4.34，由于它放在电弧的侧面，故没有传感器导前的跟踪附加误差。超声传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，一般用1.25MHz和2.5MHz的晶体，频率越高则误差越小，目前已有5MHz的晶体，声程长度测量总精度达到±lmm。图4.34超声波焊缝跟踪及熔深控制器（3）超声传感器的适用范围