激光弱化加工热释电方式探测剩余厚度

热电型红外探测器是由具有“自发极化” 现象的热电晶体(也被称为“铁电体”)制成 的。铁电体的特点为：其极化强度 Ps(单位 面积上的电荷)与温度有关，温度升高，极 化强度会降低；温度升高到“居里温度” 时，自发极化突然消失。
热释电探测器

热释电探测器的热模型
图3 热释电探测器等效热回路
W(t)为入射辐射功率；Hp 为热释电探测器的热容；Gp 为热释电探测器 的灵敏元与周围环境之间的热导；T(t)为热释电探测器灵敏元上的温度。

探测器受到辐射功率 W（t）的照射下，当入 射辐射在探测器灵敏元上被均匀吸收，则其热 平衡方程如下。
解上述一阶非齐次线性微分方程，并根据脉冲辐 射时的辐射功率，即可得T(t)的具体表达式。
热释电探测器的热电电流和热电电压

热电电流
热释电探测器的热电电流由下式确定
由前面得到的T(t)具体表达式，结合上式即可得 到I（t）的具体表达式，则将光信号的辐射功率转化 为电学量电流，从而为后面的热电电压的计算作铺 垫。
热释电探测
弱化加工方案



方案一：工件固定，激光相对运动。为适应工 件的曲面，需要引入多轴关节机器人。将光路 系统，激光头与机器人整合。光路系统设计复 杂，精度不容易保证。 方案二：激光头固定，工件相对移动。通过机 器人抓取工件，使加工柔性化。 在工件的非加工面，需要有与激光同轴的检测 系统，以监控激光弱化后的效果。一般为保证 检测器与激光的同轴，只能选择方案二，固定 激光，采取机器人抓取工件的方式。

反馈信号处理
理论设计反馈信号处理电路并进行仿真分析；设计反 馈信号处理电路板，验证理论设计的可行性。 激光弱化质量的要求是：在弱化出的无缝加工线区域， 其断裂强度要比较均匀，而且要比周围区域的断裂强度低。 根据工件对激光透过率的不同，大致可以形成两种无缝加 工线。分别是固定残余厚度的无缝加工线和形成有微穿孔 的无缝加工线，加工线的种类取决于加工工件的激光透过 率。 反馈控制系统的核心是要精确的控制激光器的关断， 关断时间要小于一个脉冲周期。控制策略如图2所示。


总的来看，热释电探测器就是将弱化加工 过程中产生的光信号转化为电信号，而电 压是集成电路控制中最常用的量，因此应 用起来比较方便实用。 当然热释电探测方式是配合同轴监测系统 进行实现的，其他方式有待挖掘。但目前 来看，该种探测方式精度较高，实现较为 容易，应用较为广泛。


激光弱化设备的研制主要涉及到机械结构 设计、电气控制设计、反馈控制设计和人 机界面设计。 反馈控制是激光弱化设备的一个关键指标， 其作用是对弱化剩余厚度进行实时控制。
反馈控制模块

反馈信号采集
分析激光弱化过程向外辐射的信号，确定待采 集的信号；选择恰当的传感器，并理论分析探测方 案的可行性；设计信号采集装置，包括电路板的设 计，验证理论设计的可行性。 图 1形象的表现了激光切割金属材料时辐射的各 种光声信号，这些信号能直接或间接的反映切缝的 质量。
图2 反馈控制策略
探测器选择
由于待探测的信号是弱化过程中透射的激光， 即待探测的信号是波长为 10.6μm的红外激光。 而对红外激光的探测：可以选择光电型红外 探测器，如 HgCdTe 探测器；也可以选择热电 型红外探测器，如热电偶、热释电探测器等。


光电型红外探测器利用了物质的光电效应。 热电型红外探测器的原理是利用入射辐射 引起探测器的敏感元器件的温度变化，进 而使其有关物理参数发生相应的变化，通 同测量变化的物理量来得出入射辐射的大 小。 热电型红外探测器的主要类型为：气动探 测器、热敏电阻、热电偶及热电堆和热释 电探测器
热电电压 热释电探测器的电压响应原理如图 4 所示。

பைடு நூலகம்图4 热释电探测器电压响应原理图
图 4中，R 和 C 是探测器和前置放大器总的电阻和电容。
探测器的电压响应方程式如下式
解上式微分方程并结合前面得到的I（t）表达式， 即可得到V（t）的具体表达式，则将前面的热电电 流转化为热电电压，电压是集成电路中最常用的量， 因此极大地方便了系统的运作。
图1 激光切割金属过程中产生的各种辐射
激光弱化时，弱化对象为非金属材料并且不需 要将工件切穿，因此火花簇射将不会发生。这些辐 射信号与切割质量有着莫大的关系。很多学者利用 各种探测器探测上述辐射信号，开发出了不同的在 线质量检测系统。这些在线检测系统根据探测器的 不同，可以分为：光探测检测系统、温度探测检测 系统和声波探测检测系统；根据探测器放置的位置 不同，可以分为：同轴检测系统和离轴检测系统。 在激光弱化加工过程中，由于工厂环境比较恶 劣，有效声音信号的采集较困难，因此常选择的探 测方式采集弱化过程辐射的光信号。