一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统

1.一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，包括送粉器(7)，送粉器(7)通过电机(5)控制送粉量，送粉器(7)连接输送管(1)，其特征在于，所述输送管(1)包括一检测段(13)，该检测段(13)外面设置螺旋表面极板电容传感器(2)，螺旋表面极板电容传感器(2)连接充放电式测量电路(3)，该测量电路(3)与电机(5)的控制器(4)连接；其中，所述输送管(1)的检测段(13)的管路中心设有分流器(11)，分流器(11)与螺旋表面极板电容传感器(2)的极板形成同心圆；所述输送管(1)的检测段(13)内壁上设有导流槽(12)。
2.根据权利要求1所述的一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，其特征在于，所述导流槽的形状为锯齿状、波浪状或V形槽，宽度至少为所述送粉器(7)输送的粉末直径的3倍以上。
3.根据权利要求2所述的一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，其特征在于，所述测量电路(3)为基于CMOS工艺的充放电式检测电路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，其特征在于，所述送粉器(7)输送的粉末为2Cr13或者H13金属粉末。
5.根据权利要求4所述的一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，其特征在于，所述螺旋表面极板电容传感器(2)为180°螺旋表面极板电容传感器。

一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统 \n技术领域\n[0001] 本发明属于流量检测技术领域，特别是涉及一种激光再制造用电容式粉末流量检测系统。 \n[0002] 背景技术\n[0003] 目前，激光再制造作为一种新型的材料加工方法被广泛应用于工业制造的各个领域。激光再制造的基础是激光熔覆，而激光熔覆过程中熔覆层的质量(如表面粗糙度等)很大程度上取决于送粉过程是否稳定，此外，送粉率的精确控制也是制造梯度材料零件的基础。所以通过检测装置检测粉末在送粉管里的流量来反应送粉率的稳定与否，对实现粉末的闭环控制并进而提高表面熔覆质量具有重要意义。从国内的文献来看，为了提高粉末输送的稳定性和均匀性，国内学者主要做了以下四方面的工作： \n[0004] (1)通过研究送粉器和送粉头的结构来控制送粉的稳定性、均匀度或实现其他功能； \n[0005] (2)通过研究送粉过程中的工艺参数如粉末流量或研究熔覆层的性能来反求送粉的工艺参数； \n[0006] (3)通过数值模拟研究粉末流对激光熔覆过程的影响； \n[0007] (4)通过改变控制方法和控制策略来达到对送粉的要求。 \n[0008] 其中特别要指出的是，国内在粉末检测装置上的研究还是个空白，要想实现对送粉率的实时监测，进而实现对送粉流量的闭环控制。粉末流量检测装置是必不可少的。 [0009] 发明内容\n[0010] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种激光再制造用粉末流量测量系统，其通过电容传感器对粉末流量进行在线检测，来得知粉末的输送状态，进而实现对送粉流量的闭环控制。 \n[0011] 为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案： \n[0012] 一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，包括送粉器，送粉器通过电机控制送粉量，送粉器连接输送管，所述输送管包括一检测段，该检测段外面设置螺旋表面极板电容传感器，螺旋表面极板电容传感器连接充放电式测量电路，该测量电路与电机的控制器连接。 \n[0013] 作为优选，上述输送管的检测段的管路中心设有分流器。上述输送管的检测段内壁上设有导流槽。上述导流槽的形状为锯齿状、波浪状或V形槽，宽度至少为所述送粉器输送的粉末直径的3倍以上。 \n[0014] 作为优选，上述测量电路为基于CMOS工艺的充放电式检测电路。 [0015] 上述送粉器输送的粉末为2Cr13或者H13金属粉末。 \n[0016] 上述螺旋表面极板电容传感器为180°螺旋表面极板电容传感器。 [0017] 本发明由于采用了以上的技术方案，采用了螺旋表面极板电容传感器来检测粉末流量的变化，采用充放电式测量电路拾取信号并连接送粉器的流量控制装置，从而实现对送粉流量的闭环控制。并且，以2Cr13和H13金属粉末作为输送介质进行测试试验，结果表明以H13粉末为输送介质的情况下获得很好的检测效果，在粉末流量变化大于1g/min时具有较好的分辨率，因而该系统精度完全满足激光再制造熔覆工艺的精度要求。 附图说明\n[0018] 图1是本发明的连接结构示意图； \n[0019] 图2是电容传感器的结构示意图； \n[0020] 图3是本发明的测量原理图； \n[0021] 图4是分流器的顶部剖视图； \n[0022] 图5是本发明的测量电路图； \n[0023] 图6是本发明的粉末流量-占空比曲线图。 \n具体实施方式\n[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。 \n[0025] 实施例1： \n[0026] 如图1所示的一种激光再制造用电容式粉末流量测量系统，包括送粉器7，送粉器\n7上设有料斗6，送粉器7由电机5控制送粉量，送粉器7下面通过输送管1连接送粉头(图上未画出)，在输送管1上设有电容传感器2，电容传感器2连接检测电路3，检测电路3与电机5的控制器4连接。 \n[0027] 电容法测量原理是：当具有不同介电常数的两相流体通过极板间所形成的检测场时，由于固相浓度的变化会引起流体等效介电常数的改变，从而使传感器的电容输出值随之改变，因此电容值的大小即可作为两相流固相浓度的量度。然而，在实际应用中下面两个问题不容忽视：其一，两相流动过程十分复杂，检测场内固相分布不均匀，流型变化快；其二，电容传感器检测场属于“软场”，有其固有的灵敏度分布的不均匀性问题，使测量结果不仅与固相浓度有关，而且受相分布及流型变化的影响很大，测量误差较大。 [0028] 传统的电容传感器结构大多采用直极板，其检测场均匀性的提高主要取决于管壁厚度的增加，也即增大电极板与管内检测场的距离，降低极板的边缘效 应(管截面方向上)，但这种结构不适于工业管道上应用。为了使固相浓度测量少受流型的影响，本发明采用180°螺旋表面极板电容传感器。这是一种新型的传感器结构，如图2所示，由4块极板构成：源极板21，检测极板23，对称两边的保护极板22(张开角为30度)，它们同时沿管道方向扭转180°。检测场发生了扭转，其灵敏度的分布特性发生了很大变化，具有相对均匀的灵敏度分布，本实施例选用内径为6mm，外径为10mm，长度为90mm的橡胶管作为实验检测段；电容传感器电极(极板)选用0.03mm的铜箔，电极紧贴在橡胶管的外壁上，电极外缠绕着矽胶片作为绝缘层，绝缘层外是由金属壳体作为屏蔽层。但是，上述螺旋表面极板电容传感器还只考虑了管外壁电极的结构与分布，未考虑管内两相流动及电容传感器检测场灵敏度分布的不均匀性问题，为了进一步减小测量误差，申请人对电容传感器电极内的管路内结构进行了改进和优化，如图2、图3和图4所示，在外面设置电容极板的输送管检测段的管路中心处布置了分流器11，同时在输送管检测段13内壁上增加了多个导流槽12。本实施例，分流器布置在上述橡胶管中心，与极板形成同心圆，这样减少了检测场的不均匀性；橡胶管内壁设导流槽，气固两相流可沿导流槽通过传感器，减少了紊流，从而减小了对传感器的影响，提高了灵敏度，为了保证导流效果，导流槽宽度至少为粉末直径的3倍以上。气固两相流在通过电容传感器时，由于截面的减小，气固两相流速加快，导流槽的设置也防止了堵管的发生。 \n[0029] 由于激光再制造送粉过程中由于粉末在导管中的变化引起的电容量变化极小，要进行微电容检测，检测电路必须具备以下特点：分辨率要高，灵敏度要稳定；极低的漂移(包括温漂和时间漂移)；对分布电容不敏感；工作频率范围与通用电路器件良好兼容；对外界电场干扰不敏感；针对实际的差动电容式传感器，电路信号输出是 的函数关系；\n电路复杂性低，易于集成。 \n[0030] 本发明采用的测量电路是基于CMOS工艺的充放电式检测电路。本实施例采用一款COMS二元调宽式信号拾取专用集成电路——BH5001，其内部原理结构如图5所示，C1和C2为外接差动式电容传感器的两个可变电容。工作原理如下：设直流电源接通时(例如VDD＝6V)，Q端为高电平，Q端为低电平，则信号控制单元使充放电网络1向电容C1充电，C1上电压渐升，一旦达到电路控制电平值，信号处理单元使Q端立即变为低电平，而Q端为高电平；此时，电容C1上的电压经充放电网络1迅速放电至零，同时信号控制单元使充放电网络\n2向电容C2充电，C2上电压渐升，一旦达到电路控制电平值，信号处理单元再次使Q端为高电平，Q端为低电平；于是又开始下一周期的C1充电C2放电...如此周而复始，在电路的输出端(即Q与Q)各产生一串其宽度受C1和C2电容变化量控制的矩形方波。当被检测的物理量使电容C1＞C2时，两输出端的电压平均值之差为： \n[0031] \n[0032] 其中， \n[0033] \n[0034] \n[0035] U1即为VDD，而U2则为信号控制处理单元所设定的控制电平值，T1和T2分别是Q端与Q端高电平所占的周期时间，R为充电电阻(在充放电网络中)一般取51kΩ～1MΩ。\n将式2和式3代入式1得： \n[0036] \n[0037] 本实施例实验时，C1为固定电容(20pF)，C2为检测电容(即上述的螺旋表面极板电容传感器)；信号的输出和数据的保存由TDS2012B数字存储示波器来完成；送粉器7采用辊轮式送粉器，也可以是采用电机调速的螺旋式、刮板式等送粉装置；调速电机5采用步进电机，也可以采用交流伺服电机；控制器4是使用单片机开发的控制器。 [0038] 本实施例实验条件和过程如下：输送粉末为2Cr13和H13金属粉末，粒度200目左右；环境温度为20℃；不通输送气流；设置电容器的橡胶管安装在送粉器下部漏斗出口处，粉末收集位置在橡胶管下方；每调整一次电机转速，送粉器都要在调整后的电机转速下运行3分钟，以确保达到一个稳定的输送状态；采用BS-224S型电子天平测量了每分钟输送粉末的质量，测量5次取平均值，即为粉末流量。 \n[0039] 实验选取了控制电机转速为20、40、60、80、100r/min作为测试点，所得到的占空比T2/T1即C2/C1与粉末流量之间的关系如图6所示，从图中可以看出随着电机转速的增加粉末流量增加，占空比C2/C1也随之呈较线性的增大。从图6中还可以看出在相同的电机转速下当以H13金属粉末作为输送介质时占空比的变化较2Cr13金属粉末作为输送介质时大些，说明当以H13金属粉末为输送介质的情况下能获得较好的检测效果。这主要是因为H13金属粉末的磁性较好，在相同的粉末流量下具有较大的介电常数。 \n[0040] 表1电容式H13粉末浓度测量系统分辨率 \n[0041] \n 电机转速(r/min) 20 22 24 26 28 30\n 粉末流量(g/min) 11.1 12.3 13.1 13.9 14.5 15.2\n 占空比(C2/C1) 0.70 0.71 0.71 0.72 0.72 0.73\n[0042] 上表为分辨率实验结果，在粉末流量大于1g/min时具有很好的分辨率，完全复合激光再制造熔覆工艺的精度要求。