2.3. Спектральные характеристики датчика

-3— 6---- А

Рис. 2.11. Зависимость ат(е) при А = 1, 8m / а = 1

На рис. 2.12 показаны зависимости амплитуды второй гармоники от смещения стыка при различных зазорах в стыке. Из этих характери­ стик видно, что абсолютное значение второй гармоники возрастает при увеличении отношения Д/а. Аналогичное увеличение претерпевает кру­ тизна характеристики первой гармоники при смещении стыка. Оказыва­ ется, что амплитуда второй гармоники при 8 = 0 характеризует чувстви­ тельность датчика положения стыка. Эта величина может быть использо­ вана для контроля степени фокусировки электронного пучка, изменения величины зазора в стыке и как характеристика достоверности наведения электронного пучка на стык. Если амплитуда второй гармоники равна нулю, то стык под сканирующим пучком отсутствует.

На рис. 2.13 изображены зависимости нечетных гармоник от по­ ложения пучка электронов относительно бурта. Как и при рассмотре­ нии статических характеристик, гармонические составляющие смеща­ ются от бурта на заниженную поверхность, что приводит к методиче­ ской погрешности в позиционировании электронного пучка относи­ тельно бурта.

- 2 - 1 0 1 2

1— д

Рис. 2.12. Зависимость а2(г): 1 - Л - 0,25; 2 - Д = 0,75; 3 - 1,25

- 4 - 3 - 2 -1 0 1 2 3 4 5

1 ^ — ,

Рис. 2.13. Зависимость bjz) при z = 20, ёт = 1

Для управления процессом ЭЛС необходимо иметь информацию как о положении стыка свариваемого изделия, так и о положении фоку­ са относительно поверхности изделия. Положение острой фокусировки соответствует максимальному значению амплитуды второй гармоники. То есть если использовать вторую гармонику для контроля и слежения

за положением фокуса, то структура системы управления представляет собой экстремальный регулятор. Для того чтобы получить сигнал, про­ порциональный отклонению тока фокусирующей линзы от положения острой фокусировки, вводится гармоническая составляющая в ток фо­ кусирующей линзы с частотой ©2. При этом луч сканируется поперек стыка с частотой ©ь Положение фокальной плоскости может быть определено по гармонической составляющей Ътпс боковыми частотами 2©1±©2(рис. 2.14).

Рис. 2.14. Зависимость ^(Д/ф) при Д = 1, 6 = 0, о т = 0,1

Любая из боковых составляющих однозначно определяет поло­ жение острой фокусировки на поверхности свариваемого изделия. Сле­ дует заметить, что в соответствии с изложенным методом удается оп­ ределить ток фокусирующей линзы, соответствующей острому фокусу, но при этом значение эффективного диаметра пучка или ст не контро­ лируется.

2.4. Построение измерительных устройств по методу синхронного детектирования

Известные в настоящее время методы приема сигналов могут быть сведены к интегральной операции вида [162]

где F(t) -j{t) + п(0 ~ сумма сигнала и помехи; ср(г) - весовая функция, определяющая способ приема, так, например, имеем:

ф(/) = 1 - метод накопления;

ф(/) = F(t - т) - автокорреляционный прием;

ф(0 =fo(t) - когерентный прием;

Ф(/) = g ( T - 1), где g{t) - импульсная функция фильтра - фильтра­

ция.

Методы, описываемые формулой (2.28), дают результаты, близ­ кие к предельному соотношению сигнал/помеха [162]. Это означает, что вопрос о выборе метода приема перемещается в область техниче­ ских или технико-экономических соображений. С технической стороны требованиям относительной простоты аппаратных средств отвечают методы фильтрации и когерентного приема. Применение этих методов предполагает наличие в сигнале КВЭ спектральных Тб^йвляющих, несущих информацию о положении стыка и фокальной плоскости от­ носительно поверхности свариваемых деталей. Синхронное детектиро­ вание относится к способам когерентного приема. В этом случае в качестве весовой функции используется гармоническая или переклю­ чающая функция с частотой, равной или кратной частоте соответст­ вующих сканирований. Для того чтобы получить информационный сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорциональный от­ клонению стыка, необходимо сигнал с датчика вторичных электронов пропустить через избирательный фильтр и демодулировать.

Структурная схема измерительного устройства для контроля по­ ложения стыка, работающего по методу синхронного детектирования, изображена на рис. 2.15.

С помощью генератора Г осуществляется формирование двух периодических составляющих: поискового синусоидального и опорно­ го прямоугольного сигнала с частотой w\. Первая составляющая через сумматор и усилитель мощности поступает в отклоняющую систему электронно-лучевой пушки и формирует сигнал сканирования стыка пучком с частотой и амплитудой ет. Вторая составляющая поступает

сигнала второй гармоники указывает на достоверный захват стыка следящей системой. Поэтому эта величина может служить мерой на­ дежности функционирования системы.

На рис. 2.16, а, б изображены функциональные схемы измери­ тельного устройства.

б

Рис. 2.16. Функциональныесхемыизмерительногоустройства

Функциональная схема рис. 2.16, а представляет собой систему с амплитудной модуляцией на несущей переменного тока. Собственно вторично-эмиссионный датчик представляет собой элемент сравнения двух координат: стыка Х„ и луча Х„ - и модулятор, представляющий собой устройство умножения. Помеха т) действует на входе вторично­ эмиссионного датчика и имеет ту же природу, что и координата стыка, и вследствие этого модулируется так же, как и отклонение стыка. К таким помехам относятся различные царапины, неровности поверхно­ сти свариваемых деталей, непостоянства химического состава материа­ ла и загрязнения, приводящие к изменению коэффициента вторичной эмиссии. Помеха / на выходе вторично-эмиссионного датчика пред­ ставляет собой различные наводки, а также компоненты сигнала вто­ рично-эмиссионного датчика, имеющие частоты, отличные от <0!. На выходе вторично-эмиссионного датчика подключен избирательный

усилитель с передаточной функцией й'н.уСО* Демодулятор математиче­ ски представляет собой устройство умножения на функцию A ^sin со^. На выходе демодулятора подключен фильтр нижних частот с переда­ точной функцией Жф(л’). В соответствии со структурной схемой изме­ рительное устройство представляет собой систему на несущей пере­ менного тока. Для того чтобы использовать аппарат преобразования Лапласа и частотные характеристики, определяют передаточную функ­ цию по огибающей элемента динамической системы, размещенного между модулятором и демодулятором [70; 81].

На рис. 2.16, б изображена функциональная схема измеритель­ ного устройства на несущей переменного тока. Здесь W3(s) - переда­ точная функция на несущей переменного тока последовательного со­ единения модулятора, избирательного усилителя и демодулятора, оп­ ределяемая по формуле

где Rej обозначает реальную часть выражения, заключенного в фигур­ ные скобки, относительно оператора у. Выражение (2.29) является ос­ новным соотношением при анализе систем управления на несущей. Применительно к нашему случаю мы имеем в качестве четырехполюс­ ника, размещенного между модулятором и демодулятором, избира­ тельный усилитель, настроенный в резонанс на частоте ©i. Предполо­ жим, что число избирательных каскадов равно п. Тогда передаточная функция избирательного усилителя имеет вид

Подставляя выражение (2.30) в (2.29) и проводя некоторые уп­ рощения, передаточная функция по огибающей может быть представ­ лена в виде [129]

(2.3 i)

2 П ^ + 1

где Кн у - общий коэффициент усиления избирательного усилителя на резонансной частоте ©f,

где Q, - добротность /-го резонансного каскада усилителя;

_©i_

Q« = Дш,’

где Д©( = lithfi, Afi - полоса пропускания i-го каскада на уровне ослаб­ ления, равном 0,7.

Из выражения (2.31) видно, иго эквивалентная передаточная функция по огибающей представляет собой последовательное соедине­ ние / апериодических звеньев по числу резонансных каскадов, причем постоянная времени звеньев определяется добротностью соответст­ вующих избирательных каскадов. Зная эквивалентную передаточную функцию Wa(s), в соответствии с функциональной схемой измеритель­ ного устройства (рис. 2.16, б) анализ и синтез системы слежения может быть произведен известными методами теории автоматического управ­ ления [116].