專利名稱：：一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于流量檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種激光再制造用電容式粉末流量檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，激光再制造作為一種新型的材料加工方法被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造的各個(gè)領(lǐng)域。激光再制造的基礎(chǔ)是激光熔覆，而激光熔覆過程中熔覆層的質(zhì)量(如表面粗糙度等)很大程度上取決于送粉過程是否穩(wěn)定，此外，送粉率的精確控制也是制造梯度材料零件的基礎(chǔ)。所以通過檢測(cè)裝置檢測(cè)粉末在送粉管里的流量來反應(yīng)送粉率的穩(wěn)定與否，對(duì)實(shí)現(xiàn)粉末的閉環(huán)控制并進(jìn)而提高表面烙覆質(zhì)量具有重要意義。從國內(nèi)的文獻(xiàn)來看，為了提高粉末輸送的穩(wěn)定性和均勻性，國內(nèi)學(xué)者主要做了以下四方面的工作(1)通過研究送粉器和送粉頭的結(jié)構(gòu)來控制送粉的穩(wěn)定性、均勻度或?qū)崿F(xiàn)其他功能；(2)通過研究送粉過程中的工藝參數(shù)如粉末流量或研究熔覆層的性能來反求送粉的工藝參數(shù)；(3)通過數(shù)值模擬研究粉末流對(duì)激光熔覆過程的影響；(4)通過改變控制方法和控制策略來達(dá)到對(duì)送粉的要求。其中特別要指出的是，國內(nèi)在粉末檢測(cè)裝置上的研究還是個(gè)空白，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉流量的閉環(huán)控制。粉末流量檢測(cè)裝置是必不可少的。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種激光再制造用粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其通過電容傳感器對(duì)粉末流量進(jìn)行在線檢測(cè)，來得知粉末的輸送狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉流量的閉環(huán)控制。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，包括送粉器，送粉器通過電機(jī)控制送粉量，送粉器連接輸送管，所述輸送管包括一檢測(cè)段，該檢測(cè)段外面設(shè)置螺旋表面極板電容傳感器，螺旋表面極板電容傳感器連接充放電式測(cè)量電路，該測(cè)量電路與電機(jī)的控制器連接。作為優(yōu)選，上述輸送管的檢測(cè)段的管路中心設(shè)有分流器。上述輸送管的檢測(cè)段內(nèi)壁上設(shè)有導(dǎo)流槽。上述導(dǎo)流槽的形狀為鋸齒狀、波浪狀或V形槽，寬度至少為所述送粉器輸送的粉末直徑的3倍以上。作為優(yōu)選，上述測(cè)量電路為基于CMOS工藝的充放電式檢測(cè)電路。上述送粉器輸送的粉末為2Crl3或者H13金屬粉末。上述螺旋表面極板電容傳感器為180°螺旋表面極板電容傳感器。本發(fā)明由于采用了以上的技術(shù)方案，采用了螺旋表面極板電容傳感器來檢測(cè)粉末流量的變化，采用充放電式測(cè)量電路拾取信號(hào)并連接送粉器的流量控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉流量的閉環(huán)控制。并且，以2Crl3和H13金屬粉末作為輸送介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明以H13粉末為輸送介質(zhì)的情況下獲得很好的檢測(cè)效果，在粉末流量變化大于lg/min時(shí)具有較好的分辨率，因而該系統(tǒng)精度完全滿足激光再制造熔覆工藝的精度要求。圖1是本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的測(cè)量原理圖；圖4是分流器的頂部剖視圖；圖5是本發(fā)明的測(cè)量電路圖；圖6是本發(fā)明的粉末流量-占空比曲線圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做一個(gè)詳細(xì)的說明。實(shí)施例1:如圖1所示的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，包括送粉器7，送粉器7上設(shè)有料斗6，送粉器7由電機(jī)5控制送粉量，送粉器7下面通過輸送管1連接送粉頭(圖上未畫出)，在輸送管1上設(shè)有電容傳感器2，電容傳感器2連接檢測(cè)電路3，檢測(cè)電路3與電機(jī)5的控制器4連接。電容法測(cè)量原理是當(dāng)具有不同介電常數(shù)的兩相流體通過極板間所形成的檢測(cè)場(chǎng)時(shí)，由于固相濃度的變化會(huì)引起流體等效介電常數(shù)的改變，從而使傳感器的電容輸出值隨之改變，因此電容值的大小即可作為兩相流固相濃度的量度。然而，在實(shí)際應(yīng)用中下面兩個(gè)問題不容忽視其一，兩相流動(dòng)過程十分復(fù)雜，檢測(cè)場(chǎng)內(nèi)固相分布不均勻，流型變化快；其二，電容傳感器檢測(cè)場(chǎng)屬于"軟場(chǎng)"，有其固有的靈敏度分布的不均勻性問題，使測(cè)量結(jié)果不僅與固相濃度有關(guān)，而且受相分布及流型變化的影響很大，測(cè)量誤差較大。傳統(tǒng)的電容傳感器結(jié)構(gòu)大多采用直極板，其檢測(cè)場(chǎng)均勻性的提高主要取決于管壁厚度的增加，也即增大電極板與管內(nèi)檢測(cè)場(chǎng)的距離，降低極板的邊緣效應(yīng)(管截面方向上)，但這種結(jié)構(gòu)不適于工業(yè)管道上應(yīng)用。為了使固相濃度測(cè)量少受流型的影響，本發(fā)明采用180°螺旋表面極板電容傳感器。這是一種新型的傳感器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由4塊極板構(gòu)成:源極板21，檢測(cè)極板23，對(duì)稱兩邊的保護(hù)極板22(張開角為30度)，它們同時(shí)沿管道方向扭轉(zhuǎn)180。。檢測(cè)場(chǎng)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，其靈敏度的分布特性發(fā)生了很大變化，具有相對(duì)均勻的靈敏度分布，本實(shí)施例選用內(nèi)徑為6mm，外徑為10mm，長度為90ram的橡膠管作為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)段；電容傳感器電極(極板)選用0.03mm的銅箔，電極緊貼在橡膠管的外壁上，電極外纏繞著矽膠片作為絕緣層，絕緣層外是由金屬殼體作為屏蔽層。但是，上述螺旋表面極板電容傳感器還只考慮了管外壁電極的結(jié)構(gòu)與分布，未考慮管內(nèi)兩相流動(dòng)及電容傳感器檢測(cè)場(chǎng)靈敏度分布的不均勻性問題，為了進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，申請(qǐng)人對(duì)電容傳感器電極內(nèi)的管路內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，如圖2、圖3和圖4所示，在外面設(shè)置電容極板的輸送管檢測(cè)段的管路中心處布置了分流器ll，同時(shí)在輸送管檢測(cè)段13內(nèi)壁上增加了多個(gè)導(dǎo)流槽12。本實(shí)施例，分流器布置在上述橡膠管中心，與極板形成同心圓，這樣減少了檢測(cè)場(chǎng)的不均勻性；橡膠管內(nèi)壁設(shè)導(dǎo)流槽，氣固兩相流可沿導(dǎo)流槽通過傳感器，減少了紊流，從而減小了對(duì)傳感器的影響，提高了靈敏度，為了保證導(dǎo)流效果，導(dǎo)流槽寬度至少為粉末直徑的3倍以上。氣固兩相流在通過電容傳感器時(shí)，由于截面的減小，氣固兩相流速加快，導(dǎo)流槽的設(shè)置也防止了堵管的發(fā)生。由于激光再制造送粉過程中由于粉末在導(dǎo)管中的變化引起的電容量變化極小，要進(jìn)行微電容檢測(cè)，檢測(cè)電路必須具備以下特點(diǎn)分辨率要高，靈敏度要穩(wěn)定；極低的漂移(包括溫漂和時(shí)間漂移)；對(duì)分布電容不敏感；工作頻率范圍與通用電路器件良好兼容；對(duì)外界電場(chǎng)干擾不敏感；針對(duì)實(shí)際的差動(dòng)電容式傳感器，電路信號(hào)輸出是Sl的函數(shù)關(guān)系；電路復(fù)雜性低，易于集成。本發(fā)明采用的測(cè)量電路是基于CMOS工藝的充放電式檢測(cè)電路。本實(shí)施例采用一款C0MS二元調(diào)寬式信號(hào)拾取專用集成電路一一BH5001，其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖5所示，Cl和C2為外接差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)可變電容。工作原理如下設(shè)直流電源接通時(shí)(例如VDD二6V)，Q端為高電平，5端為低電平，則信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元使Q端立即變?yōu)榈碗娖?，?端為高電平；此時(shí)，電容C1上的電壓經(jīng)充放電網(wǎng)絡(luò)1迅速放電至零，同時(shí)信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元再次使Q端為高電平，5端為低電平；于是又開始下一周期的(]1充電〔2放電...如此周而復(fù)始，在電路的輸出端(g卩Q與5)各產(chǎn)生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當(dāng)被檢測(cè)的物理量使電容C1〉C2時(shí)，兩輸出端的電壓平均值之差為其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>仏即為V,而U2則為信號(hào)控制處理單元所設(shè)定的控制電平值，L和T2分別是Q端與巧端高電平所占的周期時(shí)間，R為充電電阻(在充放電網(wǎng)絡(luò)中)一般取51kQlMQ。將式2和式3代入式1得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>本實(shí)施例實(shí)驗(yàn)時(shí)，Cl為固定電容(20pF)，C2為檢測(cè)電容(即上述的螺旋表面極板電容傳感器)；信號(hào)的輸出和數(shù)據(jù)的保存由TDS2012B數(shù)字存儲(chǔ)示波器來完成；送粉器7采用輥輪式送粉器，也可以是采用電機(jī)調(diào)速的螺旋式、刮板式等送粉裝置；調(diào)速電機(jī)5采用步進(jìn)電機(jī)，也可以采用交流伺服電機(jī)；控制器4是使用單片機(jī)開發(fā)的控制器。本實(shí)施例實(shí)驗(yàn)條件和過程如下輸送粉末為2Crl3和H13金屬粉末，粒度200目左右；環(huán)境溫度為20^;不通輸送氣流；設(shè)置電容器的橡膠管安裝在送粉器下部漏斗出口處，粉末收集位置在橡膠管下方；每調(diào)整一次電機(jī)轉(zhuǎn)速，送粉器都要在調(diào)整后的電機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行3分鐘，以確保達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的輸送狀態(tài)；采用BS-224S型電子天平測(cè)量了每分鐘輸送粉末的質(zhì)量，測(cè)量5次取平均值，即為粉末流量。實(shí)驗(yàn)選取了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為20、40、60、80、100r/min作為測(cè)試點(diǎn)，所得到的占空比L/L即C2/d與粉末流量之間的關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加粉末流量增加，占空比C2/d也隨之呈較線性的增大。從圖6中還可以看出在相同的電機(jī)轉(zhuǎn)速下當(dāng)以Hl3金屬粉末作為輸送介質(zhì)時(shí)占空比的變化較2Crl3金屬粉末作為輸送介質(zhì)時(shí)大些，說明當(dāng)以H13金屬粉末為輸送介質(zhì)的情況下能獲得較好的檢測(cè)效果。這主要是因?yàn)镠13金屬粉末的磁性較好，在相同的粉末流量下具有較大的介電常數(shù)。表1電容式H13粉末濃度測(cè)量系統(tǒng)分辨率<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上表為分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在粉末流量大于lg/min時(shí)具有很好的分辨率，完全復(fù)合激光再制造熔覆工藝的精度要求。權(quán)利要求1.一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，包括送粉器(7)，送粉器(7)通過電機(jī)(5)控制送粉量，送粉器(7)連接輸送管(1)，其特征在于，所述輸送管(1)包括一檢測(cè)段(13)，該檢測(cè)段(13)外面設(shè)置螺旋表面極板電容傳感器(2)，螺旋表面極板電容傳感器(2)連接充放電式測(cè)量電路(3)，該測(cè)量電路(3)與電機(jī)(5)的控制器(4)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述輸送管(1)的檢測(cè)段(13)的管路中心設(shè)有分流器(11)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述輸送管(1)的檢測(cè)段(13)內(nèi)壁上設(shè)有導(dǎo)流槽(12)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)流槽的形狀為鋸齒狀、波浪狀或V形槽，寬度至少為所述送粉器(7)輸送的粉末直徑的3倍以上。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量電路(3)為基于CMOS工藝的充放電式檢測(cè)電路。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述送粉器(7)輸送的粉末為2Crl3或者H13金屬粉末。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋表面極板電容傳感器(2)為180。螺旋表面極板電容傳感器。全文摘要本發(fā)明公開了一種激光再制造用電容式粉末流量測(cè)量系統(tǒng)，包括送粉器，送粉器通過電機(jī)控制送粉量，送粉器連接輸送管，所述輸送管包括一檢測(cè)段，該檢測(cè)段外面設(shè)置螺旋表面極板電容傳感器，螺旋表面極板電容傳感器連接充放電式測(cè)量電路，該測(cè)量電路與電機(jī)的控制器連接。本技術(shù)方案采用了螺旋表面極板電容傳感器來檢測(cè)粉末流量的變化，采用充放電式測(cè)量電路拾取信號(hào)并連接送粉器的流量控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉流量的閉環(huán)控制。文檔編號(hào)G01N27/22GK101629929SQ20091010127公開日2010年1月20日申請(qǐng)日期2009年7月27日優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日發(fā)明者周正強(qiáng),姚建華,毅張,鄭宏曄申請(qǐng)人:浙江省電力試驗(yàn)研究院;浙江工業(yè)大學(xué)