基于背散射電子的電子束加工過程在線觀測(cè)系統(tǒng)研制*

張紅玉，許海鷹, ，路開通, ，左從進(jìn)

（1.中國航空制造技術(shù)研究院高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室，北京100024；2.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210094）

電子束加工技術(shù)具有能量密度高、參數(shù)易于控制、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊接、增材制造等領(lǐng)域。由于電子束加工過程通常需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，又由于高溫、高金屬蒸汽的影響，使得加工過程的監(jiān)測(cè)十分困難[1]。因此傳統(tǒng)機(jī)器視覺觀測(cè)系統(tǒng)很難適用于電子束加工過程的長期觀測(cè)。

目前利用電子束加工過程中的二次電子和背散射電子信號(hào)來成像的技術(shù)已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用，并且可適用于高金屬蒸汽環(huán)境[2]。相比于傳統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)方法，其觀測(cè)圖像的紋理更為清晰，對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性更好，這對(duì)提高電子束加工的質(zhì)量和效率有著十分重要的意義。國外，德國SST、英國TWI、烏克蘭巴頓所等單位已經(jīng)開展了大量研究工作，并且將其成功應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。而國內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究還處于起步階段。為滿足實(shí)際觀測(cè)需求，本試驗(yàn)采用四極板背散射電子接收傳感器、高頻信號(hào)放大電路、高頻數(shù)據(jù)采集卡、高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)等研制了一套基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)。相比于現(xiàn)有雙極板傳感器方案的觀測(cè)圖像會(huì)出現(xiàn)部分方向紋理不清晰的情況，本試驗(yàn)中采用的四極板傳感器和后期圖像融合算法可以實(shí)現(xiàn)各方向紋理的清晰觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明所研制系統(tǒng)可以滿足電子束加工過程的在線觀測(cè)需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖1。圖中，工控機(jī)用于系統(tǒng)整體邏輯控制與圖像處理；函數(shù)發(fā)生卡用于產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)波形及采集卡的同步觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)；偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路將輸入低壓小電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為較高電壓大電流功率信號(hào)輸出；背散射電子接收傳感器用于收集背散射電子信號(hào)；信號(hào)放大電路放大背散射電子信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)并傳輸給工控機(jī)。由函數(shù)發(fā)生卡、偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路、偏轉(zhuǎn)掃描線圈構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)按照工控機(jī)指令控制電子束逐點(diǎn)掃過被觀測(cè)工件表面。同時(shí)，由背散射電子接收傳感器、高頻信號(hào)放大電路、高頻數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的背散射電子信號(hào)采集電路按照同步時(shí)鐘逐點(diǎn)采集信號(hào)并傳輸給工控機(jī)。工件上被掃描的點(diǎn)會(huì)因?yàn)楸砻嫘蚊不蛘卟牧系牟煌?，使得被反射的背散射電子的發(fā)散角度方向不同，采集信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理后，可以逐點(diǎn)重構(gòu)出工件表面形貌襯度圖。

1.1 背散射電子接收傳感器

傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由4塊扇形銅極板、采樣電阻、銅制外殼組成。其中，4塊扇形銅板可以接收不同反射角度的背散射電子，分別通過各自的采樣電阻與接地的外殼相連，從而將接收的背散射電子的電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，并作為傳感器的輸出。傳感器極板與傳感器外殼通過絕緣材料連接件固定，保證了良好的絕緣性[3]。

圖1 基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of view system based on backscattered electrons

圖2 背散射電子接收傳感器結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.2 Sectional schematic diagram of structure of backscattered electron sensor

傳感器等效電路為RC低通濾波電路，即輸出電壓信號(hào)U與輸入背散射電流信號(hào)I構(gòu)成了一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

其中，R為采樣電阻阻值；C為等效電容；s為傳遞函數(shù)參數(shù)；T為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。等效電容主要包括兩部分，一部分是傳感器極板與接地外殼之間形成的電容，另一部分是傳感器信號(hào)輸出線的分布電容。背散射電子接收傳感器一個(gè)極板的等效電路如圖3所示，傳感器時(shí)間常數(shù)T為RC，增益為R。依據(jù)香農(nóng)采樣定理，傳感器的帶寬不能低于采樣頻率的一半，為了保證傳感器擁有足夠的帶寬[4]，即足夠小的時(shí)間常數(shù)T，一方面采樣電阻采用較小的阻值，另外一方面增加極板與地之間的距離、減短輸出信號(hào)線的長度使得等效電容足夠小。

圖3 背散射電子接收傳感器等效工作電路Fig.3 Equivalent circuit diagram of backscattered electron sensor

1.2 高頻信號(hào)放大電路

為了保證背散射電子接收傳感器的帶寬足夠高，所選用的采樣電阻較小。這使得傳感器增益較小，所以需要帶寬高于傳感器的信號(hào)放大電路增強(qiáng)信號(hào)，提高信噪比[5]。因此設(shè)計(jì)了圖4所示的高頻信號(hào)放大電路。在每個(gè)傳感器極板信號(hào)輸出端均連接一路信號(hào)放大電路，所有信號(hào)放大電路安裝于背散射傳感器內(nèi)部，既可以通過傳感器的外殼避免輻射和電磁干擾，又可以減少傳感器與信號(hào)放大器之間的電纜長度，從而使傳感器的等效電容降低。在信號(hào)輸入端設(shè)置D1、D2箝位二極管，可以有效防止電壓突變對(duì)后級(jí)電路的危害。

1.3 高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)

高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)由圖5所示的偏轉(zhuǎn)掃描線圈及其驅(qū)動(dòng)電路組成。為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，偏轉(zhuǎn)掃描線圈采用無磁芯結(jié)構(gòu)的Helmholtz 線圈結(jié)構(gòu)，由4 股漆包銅線并行繞制而成[6-8]，可有效降低趨膚效應(yīng)和電感值，保證高動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)Helmholtz 線圈產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均勻性較好，從而保障電子束掃描精度。

圖4 高頻信號(hào)放大電路Fig.4 Circuit diagram of high-frequency signal amplifier

圖5 高頻偏轉(zhuǎn)掃描線圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of high-frequency deflection and scanning coils

圖6 高頻偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Circuit diagram of high-frequency deflection and scanning driver

功率驅(qū)動(dòng)電路是一種基于功率運(yùn)算放大器的負(fù)反饋控制電路。由于受到功率運(yùn)算放大器壓擺率和最大輸出電壓等參數(shù)的限制，采用單個(gè)功率運(yùn)算放大器的功率驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度較慢。而采用一對(duì)相反極性輸出的功率運(yùn)算放大器同時(shí)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的兩端，可以有效提高感性負(fù)載兩端驅(qū)動(dòng)電壓的變化速率和最大值，從而提高了功率驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。此外，電流檢測(cè)采用高頻霍爾電流傳感器，避免了由反饋延遲引起的振鈴現(xiàn)象。最終，所設(shè)計(jì)的高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的帶寬為41kHz。圖6所示為高頻信號(hào)放大電路。

此外，所研制系統(tǒng)還包括了工控計(jì)算機(jī)、高頻采集卡、高頻函數(shù)發(fā)生卡，其均為商品化產(chǎn)品，使用方法查閱使用手冊(cè)即可，在此不再贅述。

2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件使用C++語言開發(fā)，整體框架如圖7所示，包括設(shè)備接口類、圖像處理模塊、界面交互類3個(gè)部分。設(shè)備接口類抽象于函數(shù)發(fā)生卡與高頻采集卡的開發(fā)庫和驅(qū)動(dòng)程序，集成了設(shè)備連接、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備釋放等接口功能；圖像處理模塊基于開源的計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV4 開發(fā)，主要完成圖像逐點(diǎn)重構(gòu)、去噪聲、顯示等功能[9]；界面交互類繼承于開源計(jì)算機(jī)C++庫QT5，主要提供了界面交互、多線程通信、業(yè)務(wù)邏輯等功能。

2.1 軟件工作流程

軟件的主要流程如圖8所示，包括程序啟動(dòng)、設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)采集、圖像處理、程序結(jié)束等步驟。考慮到采集卡數(shù)據(jù)交換與處理需要占用較多計(jì)算機(jī)資源，程序開啟了兩個(gè)線程。其中主線程負(fù)責(zé)程序交互界面、設(shè)備初始化等工作；第2 線程負(fù)責(zé)采集卡數(shù)據(jù)交換、圖像處理等計(jì)算量密集型任務(wù)。

2.2 圖像采集與重構(gòu)

圖像的采集重構(gòu)算法流程如圖9所示。其中，傳感器與信號(hào)放大電路將信號(hào)輸出給高頻采集卡，采集卡的4個(gè)通道工作在單點(diǎn)觸發(fā)模式，其觸發(fā)時(shí)鐘由函數(shù)發(fā)生卡給定，同步時(shí)鐘信號(hào)保證了采集卡與電子束偏轉(zhuǎn)掃描位置逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)。采集卡與計(jì)算機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互采用DMA（直接內(nèi)存存?。┓绞?，即采集卡將高速采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集卡板載FIFO 內(nèi)存上，再通過PCI 接口與計(jì)算機(jī)內(nèi)存上開辟出的一段緩存區(qū)直接交互，隨后以中斷觸發(fā)的模式與應(yīng)用程序交互。應(yīng)用程序讀取緩存數(shù)據(jù)后，將4個(gè)通道的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)提取出來，并單獨(dú)重構(gòu)為4幅32位浮點(diǎn)型灰度圖像。

4幅灰度圖像分別對(duì)應(yīng)于傳感器4個(gè)極板，其灰度值與對(duì)應(yīng)極板接受的散射電子數(shù)量相關(guān)。將關(guān)于中心軸對(duì)稱的兩對(duì)極板所對(duì)應(yīng)的灰度圖像分別作差，得到對(duì)應(yīng)于X、Y兩個(gè)方向的差分圖像[10]。再對(duì)其作對(duì)比度與飽和度調(diào)節(jié)，可得到形貌襯度較為清晰的兩幅圖像。

圖7 軟件框架示意圖Fig.7 Software framework diagram

2.3 圖像融合

由于差分計(jì)算特性，工件中與圖像差分方向垂直的紋理在圖像中呈現(xiàn)得非常明顯，而平行方向的紋理則非常模糊甚至不可見。所以X方向的差分圖像可以清晰地呈現(xiàn)工件表面Y方向的紋理；而Y方向的差分圖像則可以清晰地呈現(xiàn)工件表面X方向的紋理。圖10所示的圖像融合算法可以將X、Y方向的差分圖像有效融合，從而完整地呈現(xiàn)工件表面的形貌特征。

首先，通過將X、Y方向的差分圖像加權(quán)疊加到一幅灰度圖中，并同時(shí)使用中值濾波將圖像中的椒鹽噪聲去除。直接合并的圖像已經(jīng)有效融合X、Y方向的紋理特征。其次，為了增強(qiáng)圖像中的紋理特征，通過將圖像與其高斯模糊圖像作差提取出圖像中的高頻部分，而高斯模糊圖像則為圖像中的低頻部分。圖像的高頻部分反映了圖像的紋理特征，而圖像的低頻部分反映了圖像的背景特征[11]。將圖像的高頻部分放大后與低頻部分合并，則可以增強(qiáng)圖像的紋理特征，使得圖像紋理更有辨識(shí)度。

圖8 軟件工作流程圖Fig.8 Software work flow chart

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

圖9 圖像重構(gòu)算法流程圖Fig.9 Image reconstruction algorithm flow chart

圖10 圖像融合算法流程圖Fig.10 Image fusion algorithm flow chart

試驗(yàn)使用中國航空制造技術(shù)研究院自主研發(fā)的60kV/15kW 直熱式電子束設(shè)備。背散射電子接收傳感器安裝在圖11所示的電子束出口處，與其保持同軸。工作臺(tái)距離背散射電子接收傳感器500mm。如圖12所示的鈦合金試驗(yàn)樣件擺放在工作臺(tái)中央位置。

試驗(yàn)時(shí)，加速電壓為60kV，聚焦電流為387mA，采用1.55mA 小束流電子束逐行快速掃描試件，基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)試件的局部和整體進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)使用傳統(tǒng)的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)真空室內(nèi)的試驗(yàn)樣件，并將兩種觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 結(jié)果與分析

對(duì)試件局部觀測(cè)時(shí)，分別得到X、Y方向上的差分圖像。兩幅圖像都反映了試驗(yàn)樣件的形貌襯度，圖13（a）所示的X方向上的差分圖像更加顯著地呈現(xiàn)了Y方向上的紋理；而圖13（b）所示的Y方向上的差分圖像則顯著地呈現(xiàn)了X方向上的紋理。

圖14（a）所示的圖像由X、Y方向上的差分圖像直接合并而成，其已經(jīng)明顯包括了試件X、Y兩個(gè)方向上的形貌特征。圖14（b）所示的最終融合圖像，所呈現(xiàn)的試件形貌紋理比直接合并的形貌圖像更為清晰與明顯。

圖11 傳感器安裝圖Fig.11 Sensor installation diagram

圖12 試驗(yàn)樣件Fig.12 Test sample

圖13 差分圖像Fig.13 Difference image

圖14 圖像融合Fig.14 Image fusion

對(duì)試件整體觀測(cè)時(shí)的圖像如圖15所示，工件整體形貌清晰，其觀測(cè)幀數(shù)可以達(dá)到6 幀/s，分辨率可以達(dá)到512 像素×512 像素，觀測(cè)范圍達(dá)到100mm×100mm。

使用傳統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)拍攝的圖像如圖16所示，其觀測(cè)范圍較小，清晰度較低。并且在設(shè)備工作一段時(shí)間后，光路被金屬蒸氣嚴(yán)重污染，觀測(cè)效果更加模糊。

試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)在電子束加工過程中，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┣逦膶?shí)時(shí)觀測(cè)畫面，方便使用者及時(shí)了解零件加工狀態(tài)。

圖15 大范圍觀測(cè)圖像Fig.15 Wide-area view image

圖16 傳統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)拍攝圖像Fig.16 Images taken with traditional optical view system

4 結(jié)論

（1）研制了一套基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電子束加工過程的清晰觀測(cè)。

（2）所研制的基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)可以有效觀測(cè)100mm×100mm 范圍內(nèi)的工件，圖像分辨率為512 像素×512 像素，圖像處理幀數(shù)可以達(dá)到6 幀/s。

（3）所研制的基于背散射電子的觀測(cè)系統(tǒng)可以適用于高溫、高金屬蒸汽的電子束加工過程，觀測(cè)清晰度及范圍優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)。