第4章焊接傳感器-4紅外、CCD

1、主講教師主講教師: : 陳銀銀陳銀銀1582480778315824807783第四章第四章 焊接自動化傳感技術焊接自動化傳感技術脈沖調制型紅外雙向跟蹤傳感器脈沖調制型紅外雙向跟蹤傳感器 激光傳感器尚有兩點不足之處，一是一是HeNe激光管的電源有千余伏特高壓，對人身安全不利，而且激光功率尚嫌不足，二是二是抗弧光干擾性能還需進一步完善。采用脈沖調制型半導體紅外光源就可以免除高壓，將發(fā)光功率提高一個數量級以上，并可大大提高抗弧光干擾性能。1、傳感器構造和線路工作原理紅外雙向跟蹤傳感器的構造與激光傳感器相似。也是以坡口棱邊為跟蹤基準用砷化鎵砷化鎵(GaAs)半導體半導體紅外發(fā)光管作光源，工作在脈沖狀

2、態(tài)其發(fā)光峰值波長為0.93微米，為近紅外光它的控制線路框圖見圖4.18。在脈沖期間，若有干擾光存在，則光電管接收的光信號包括在脈沖期間，若有干擾光存在，則光電管接收的光信號包括了正常信號光和干擾光噪聲信號，在脈沖休止期間，光電管了正常信號光和干擾光噪聲信號，在脈沖休止期間，光電管只接收干擾光噪聲信號，只接收干擾光噪聲信號，用電子開關及采樣保持錢路分別控制兩種采樣時機并令其所保持的信號相減，則可以去掉干擾光信號，這就是自適應噪聲抵消原理自適應噪聲抵消原理 自適應噪聲抵消線路實例自適應噪聲抵消線路原理見圖4.19，各點電壓波形如圖4.20所示。（基本電路圖）（基本電路圖）設信號光電壓為UG 干擾光

3、噪聲電壓為UD。各點信號如下：F：為脈沖發(fā)生器時鐘信號CP，它驅使電子開關工作(與紅外發(fā)光管同步)，在脈沖期間它接通D、E處的開關，在休止期間它接通C處的開關。A:為光電管接收的信號。C：為電容上采集并保持的信號，是干擾光噪聲電壓UD。D：噪聲信號UD經電子開關在脈沖期間接通，并送入第一個運算放大器的輸入端與UA相減(因UD的相位與UA相反)。B；在脈沖期間UB=UA-UD。經電子開關的作用，脈沖期間接通E點，故E點輸出電壓就是信號光電壓UG，從而消除了干擾光的噪聲信號。為了消除光電管接收特性的非線性影響，D點信號可經一定比例放大后，再與A點信號相減。光電數字傳感器光電數字傳感器光電數字傳感器

4、適用于窄間隙氣體保護焊，它體積小、抗干擾能力強，且能直接以數字形式給出偏移量的大小，便于用單板微機控制。主要適用于：主要適用于：窄縫焊接定義： 光導纖維：光導纖維：傳導光的細絲，將光纖一端的光傳導到另一端光電池光電池：利用光生伏特效應，把光直接轉變成電能的器件光電數字傳感器的工作原理光電數字傳感器的工作原理 窄間隙氣體保護焊時，坡口內充滿強烈的弧光，從工件表面來觀察，亮度分布如圖4.21a所示，它以坡口棱邊為亮暗的分界。傳感器由多根光導纖維緊密地排成一列，橫跨于焊縫上方，光纖間距為0.2mm。每根光纖各接一光電池光電池，當光纖接收弧光時，輸出光電信號為1，否則為0傳感器由RL兩組光纖光纖組成(

5、見圖4.21b)，坡口兩邊各有一組(例如8根)設開始時傳感器與焊縫對中，左右兩組光纖L和R均有n0根光纖接受光照，則輸出狀態(tài)為： 若此后的焊接過程中，傳感器往左移動0.2mm，則狀態(tài)改變?yōu)椋?該狀態(tài)表明產生了數字偏差信號。顯然左、右兩組光纖輸出的“1”的個數之差正比于傳感器相對于焊縫的偏移量止例兩邊“1”的個數相差2個，偏移量為0.2 mm，故偏移量(mm)=(nL-nR)0.1。該傳感器具有以下特點：1精度高傳感器精度為0.2 mm；2抗干擾力強這是數字信號的特點；3. 易與微機連接數字信號不需AD轉換；4. 體積小，安裝方便因為用光纖采集信號。應用實例應用實例傳感器與焊炬固定在一起，控制系

6、統(tǒng)框圖見圖4.22。傳感器輸出的數字信號經放大電路及數字標準化電路后送入TP80l單板微機，經數據處理后驅動步進馬達，進行實時跟蹤本系統(tǒng)還可以在焊炬擺動時實現(xiàn)自動跟蹤，這是由軟件來實現(xiàn)的俯視圖俯視圖CCD視覺傳感器視覺傳感器CCD(ChargeCoupled Devices)即電荷耦合器件，是一種半導體集成光電敏感元件。它分為它分為：線陣(一列光敏元件)和面陣(多列光敏元件)兩種，其功能功能和攝象管類似，但與傳統(tǒng)的真空管式光導攝象管相比，有體積小巧。耐震動、無高壓等一系列優(yōu)點，且其制造工藝和一般半導體集成電路的制造工藝相比并不十分復雜。 因而自70年代出現(xiàn)以來獲得了飛速的發(fā)展；1.線陣CCD在

7、單列上集成的光敏單元數目，分256、512、1024、2048等多種型號，2.面陣CCD則能進行平面成像，用它制成的攝象機傳感器當然功能最強，但很復雜，計算機的信息處理量也很大，運算較慢(一般每秒處理幾幅圖象)相對而言，線陣CCD視覺傳感器價格賴佩功能很強，能測出焊縫位置和縫隙寬度，運算快(一般每秒處理幾十幅圖象) 故更具有實用意義。. CCD. CCD的工作原理的工作原理 (1) (1)MOSMOS光敏元陣列光敏元陣列- -結構結構圖723是MOS光敏元的結構原理圖 。它是在半導體基片上(如P型硅)生長一種具有介質作用的氧化物(如二氧化硅)，又在其上沉積一層金屬電極，這樣就形成了一種金屬氧化

8、物一半導體結構元(MOS)。（2 2）工作原理）工作原理： 從半導體原理知道，出在金屬電極上施加一正電壓時，在電場的作用下，電極下的P型硅區(qū)域里的空穴被趕盡，從而形成一個耗盡區(qū)，對帶負電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域，這部分稱為“勢阱”。如果此時有光線入射到半導體硅片上，在光子的作用下，半導體硅片上就產生了電子和空穴，由此產生的光生電子就被附近的勢阱所吸收(或稱為“浮獲”)，而同時產生的空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時勢阱內所吸收的光生電子數量與入射到勢阱附近的光強成正比。人們稱這樣一個MOS結構元為MOS光敏元或叫做一個象素；把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。 （1）電荷存儲電荷存

9、儲 構成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導體)結構。如圖所示，在柵極G施加正偏壓UG之前，p型半導體中空穴(多數載流子)的分布是均勻的。當柵極施加正偏壓UG（此時UG小于p型半導體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產生耗盡區(qū)，如圖所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向半導體體內延伸。當UGUth時，半導體與絕緣體界面上的電勢(常稱為表面勢，用表示)變得如此之高以致于將半導體體內的電子(少數載流子)吸引到表面，形成一層極薄的(約)但電荷濃度很高的反型層。如圖(c)所示；反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。表面勢表面勢隨反型層電荷濃度QINV、柵極電壓UG的變化表示在下圖中，圖2中

10、的曲線表示的是在摻雜為1021cm-3的情況下，對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢與柵極電壓UG的關系曲線。圖3為柵極電壓不變的情況下，表面勢與反型層電荷密度的關系曲線。 然而當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，輕摻雜半導體中的少數載流子很少、不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進一步向體內延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數載流子，那么耗盡區(qū)將收縮表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當提供足夠的少數載流子時，表面勢可降低到半導體材料費密能級的兩倍。例如，對于摻雜為cm3的p半導體，費密能級為0.3V：耗盡區(qū)收縮到最小時表面勢下

11、降到最低值0.6v。其余電壓陣在氧化層上。勢阱勢阱：對帶負的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域半導體物理中的“勢阱”概念描述。電子所以被加有柵極電壓UG的MOS結構吸引到氧化層與半導體的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度深度”與柵極電壓與柵極電壓UG的關系恰如與的關系恰如與UG的線性關系的線性關系，如圖34a空勢阱的情況；圖3-4(b)為反型層電荷填充13勢阱時，表面勢收縮、表面勢與反型層電荷量QINV間的關系如圖33所示。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，降到此時表面勢不再束縛多余的電子，電子特產生“溢出”現(xiàn)象。這樣，表面表面勢可作為勢阱深

12、度的量度勢可作為勢阱深度的量度而表面勢又與柵極電壓UG、氧化層的厚度dOX有關，即與MOS電容容量COX與UG的乘積有關。 通常在半導體硅片上制有幾百或幾千個相互獨立的MOS光敏元，若在金屬電極上施加一正電壓時，則在這半導體硅片上就形成幾百個或幾干個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖象。 (2)(2)讀出移位寄存器讀出移位寄存器下圖是表示讀出移位寄存器的結構原理圖。它也是MOS結構，即由金屬電極、氧化物和半導體三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于：在半導體的底部覆蓋上一層遮光層，防止由于外來光線的干擾；它由三組

13、(也有二組、四組的)十分鄰近的電極組成一個耦合單元(亦即 傳 輸 單 元 ) ， 在 這 三 個 電 極 上 分 別 施 加 脈 沖 波1,2,3，如圖724b所示。在時刻t1，第一相時鐘1處于高壓，23處于低壓。這時第一組電極下形成深勢阱，信息電荷存貯其中，如圖c所示。在t2時1電壓減小，2處的電壓升高，在第一組電報下的勢阱減小，而第二組電根下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉移。直到t3, 2為高壓，13為低壓，信息電荷全部轉移到第二組電極下面。至此信息電荷轉移了一位。這樣，信息電荷不斷向右轉移，直到最后位依次不斷地向外輸出。電荷的輸出，通常采用反偏壓輸出二極管把信息電荷收集并送入前置放大器。根據輸出先后可以辨別出電荷是從哪位光敏元來的，并根據輸出電荷量，可知該光敏元受光的強弱。無光照處則無光生電荷。焊接線陣焊接線陣CCD傳感器焊縫跟蹤的應用傳感器焊縫跟蹤的應用傳感器固定在焊