登录注册   忘记密码

美国国家标准与技术研究院研究出芯片尺寸的激光功率设备,可用于制造过程中激光功率实时测量

激光器在许多制造过程中发挥作用,从焊接汽车零件到使用3D打印机制作发动机部件。为了控制这些任务,制造商必须确保激光器以正确的功率发射。


但到目前为止,还没有办法在激光正在切割或熔化物体时实时精确测量激光功率。如果没有这些信息,一些制造商可能不得不花费更多的时间和金钱来评估其零件是否符合生产后的制造规格。

 

为了满足这一需求,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员一直在开发一种激光功率传感器,可以将其内置到制造设备中进行实时测量。最新的原型成果已发表在2018年10月的IEEE传感器杂志中。

 

新设备的工作方式与团队制造的先前传感器类似,后者使用辐射压力或光对物体施加的力。但不像他们的旧设备 - 用于数千瓦的超高功率激光器的鞋盒大小的“辐射压力功率计”(RPPM),而是设计成芯片大小的“智能镜”,可用于数百瓦的激光器,通常用于制造过程。

TIM截图20181008141919.png

图 智能镜的原型。激光从硅板的高反射表面反射回来,在厚厚的黑色塑料环中间可见。

 

NIST的John Lehman说:“它仍然是一个辐射压力功率计,但更小、更快。它的测量速度是其较大传感器的250倍。智能镜的灵敏度也比RPPM高出约40倍。”

 

应用领域

可能使用这种新技术的制造工艺类型包括从飞机和汽车到手机和医疗设备的所有产品。智能镜也可以集成到增材制造中使用的机器中,这是一种逐层构建物体的3D打印,通常使用激光来熔化形成物体的材料。

 

研究人员说,总有一天,这些小型仪表可能出现在每个增材制造机器和每个激光焊接头中。

 

NIST的Alexandra B. Artusio-Glimpse表示,“这将把NIST的高精度功率测量的设备直接交给运营商,为基于激光的系统提供标准化的质量保证,并有助于加速零件认证过程,确保制造的物体符合工程规范。”


新旧技术对比

用于测量激光功率的新的与旧的传统技术均需要一种装置,来吸收来自光束的所有能量作为热量。研究人员通过测量温度变化来计算激光的功率。

 

这种传统方法的问题在于,如果测量需要吸收激光束的所有能量,那么制造商就无法在实际用于某些东西时测量光束。

 

辐射压力解决了这个问题。光没有质量,但它确实有动量,它可以在撞击物体时产生力。 1千瓦(kW)的激光束具有小但明显的力 - 大约是一粒沙子的重量。

 

通过将激光束照射在反射表面上,然后根据光的压力测量表面移动的程度,研究人员既可以测量激光的力(因此也可以测量其功率),也可以使用直接从表面反射的光。

 

工作原理

NIST团队以前的RPPM,对于多千瓦的光束,通过将激光照射到实验室的秤上来实现测量。但该设备太大,无法集成到焊头或3D打印机中。研究人员还希望系统能够对日常制造过程中使用的更小的力更敏感。

 

新的“智能镜”采用电容器,一种存储电荷的装置。传感器测量两个带电板之间的电容变化。顶板涂有高反射镜,称为分布式布拉格反射器,使用交替的硅和二氧化硅层。激光击中顶板会产生一个力,使板靠近底板移动,改变电容,进而改变其存储电荷的能力。激光功率越高,顶板上的力就越大。

 

用于制造的激光 - 在数百瓦范围内 - 不足以使板移动很远。这意味着房间内的任何物理振动都可能导致顶板移动,从而抵消其设计用于测量的微小信号。

 

因此,NIST的研究人员使他们的传感器对振动不敏感。顶板和底板都通过弹簧连接到设备上。如有人关闭房间的门或走过桌子时的振动,会导致两个板块串联移动。但是仅影响顶板的力会使其独立移动。


利用这种技术,传感器可以对数百瓦的激光进行精确、实时的功率测量,背景噪声水平仅为2.5瓦。

 

工作进展

目前,原型传感器已经在250瓦的激光功率下进行了测试。随着进一步的工作,该范围可能会扩展到高端约1千瓦,低端低于1瓦。雷曼及其同事也在努力提高设备的灵敏度和稳定性。

您的评论:

0

用户评价

  • 暂无评论