高速摄像机在工程陶瓷复频超声加工技术研究中的应用

       千眼狼高速摄像机助力太原理工大学科研团队研究发现复频超声加工单元异常振动频率的产生原因，改良加工单元中核心部件“自由质量块”的设计，提高此加工方法的精度与GX性。       

       智能电子产品消费浪潮驱动下，电子元器件的高度集成化、封装模块化是发展趋势（见图1），工程陶瓷凭借超高导热性使其成为Z佳的散热承载系统，针对具有硬脆特性的工程陶瓷钻削加工技术的研究亦成为热点课题。

图1 多芯片封装组件

       新型的复频超声加工技术虽然克服了传统加工诸如激光、电火花、单频超声振动等的一些如精度无法保障、磨损严重、成本太高等局限，但亦存在加工不稳定等痛点。故需建立加工单元实验系统（详见图2），对其驱动特性、裂纹产生的临界条件研究，并对关键部件设计优化。

       1.工件 2.工作台 3.钻杆 4.自由质量块 5.变幅杆 6.换能器 7.超声波发生器.

图2 复频超声加工单元实验系统

       加工单元中核心部件——自由质量块（详见图3）起着储存和传递能量的作用。通过自由质量块与变幅杆顶端的碰撞与冲击，引入低频大振幅振动，传递能量给钻杆底端，从而有效提高钻杆输出端的振幅。

图3 自由质量块示意

        复频超声加工单元频率即为单位时间内自由质量块完成的完整碰撞运动的次数。在研究人员测定的频谱图中，主要低频信号峰值附件的异常杂频即为自由质量块异常运动造成，故研究人员采用了千眼狼X系列超高速摄像机X213（详见图）, 满幅分辨率1280×1024，满幅帧率13400 fps，实验裁剪画幅至1280×128，速度匹配为120,000 fps，对高速碰撞运动状态下的自由质量块的运动过程进行反复观测、比对，详见图4、图5：

图4 自由质量块的正常运动图像

图5  自由质量块的异常运动图像

       通过图像对比发现，自由质量块的异常运动是由于碰撞运动过程中存在倾斜偏转以及自由质量块的边缘与上下碰撞表面不完全碰撞造成的（详见图5）。发现原因后研究人员对自由质量块的形状进行削边处理（详见图6），成功消除了异常频率，改善振动效果，提高了复频超声加工的稳定性。

 图6 改进后的自由质量块

       高端加工领域中，类似采用高速视觉技术对自由质量块高速碰撞运动周期进行观测，jing准定位细小异常点从而实现产品设计改良的应用场景不胜枚举，如半导体封测领域观测吸头每一次高速起、落，精密刀具的高速切削等等，千眼狼的研发团队将会持续跟踪关注高端工业设备领域，打磨出更多专业好用的高速视觉.

       激光焊接是材料加工技术应用重要方向之一，因其产能高、自动化程度高、焊缝质量高等特点，被广泛应用于汽车、造船、、造桥等行业。研究影响焊缝效果的因素，如何进一步提升焊接质量，成为行业相关企业研究的热点。

       武汉锐科光纤激光技术股份有限公司专业从事光纤激光器及其关键器件与材料的研发，此次实验主要研究激光焊接功率对焊接效果的影响，特邀千眼狼高速摄像机技术支持工程师用高速图像观测技术，JZ观测材料激光焊接熔池周边和熔池ZX的熔融状态。

       因激光焊接过程中亮度会过曝，普通相机无法拍摄到内部熔池的状态，千眼狼高速摄像机可以采用特殊光源或特殊光路进行拍摄，来观察熔池熔融状态和熔池飞溅方向，如图1。

图1   拍摄现场

       千眼狼高速摄像机技术支持工程师采用特殊光源拍摄两组实验。DY次实验由上至下拍摄，激光焊接机功率2000W，波长1064nm，高速摄像机拍摄工作距离30cm，采用105mm微距镜头，1280X300@6000fps拍摄熔池熔融状态。

       第二次实验激光焊接机功率提高至6000W，拍摄观察熔池ZX迸溅的熔滴与飞溅方向。

上述实验结果表明，激光功率是影响熔池熔融状态与飞溅方向的重要因素。通过高速摄像机观察分析焊接过程中熔池周边和熔池ZX的熔融状态，可研究不同功率下的激光焊接效果，助力生产企业控制生产成本、提高产品质量。

// 千眼狼高速摄像机5F01

● 全幅ZD分辨率1280×1024，小画幅最快可达128000FPS；

● 具备智能帧率、分辨率动态调整功能；

● 具备USB3.0、TRIG、SYNC IN、SYNC OUT等功能接口；

● 具有外同步功能，支持多台摄像机同步拍摄；

● 应用于机械运动、燃烧、微流体微流控、结构力学等领域研究。

      多相微流控系统是包含两种及两种以上流体或相态的微流控系统，其流道的典型尺度在纳米到亚毫米量级。因其所需流体量少，热质传输响应速率快，产生污染物少等优点，被应用于热控、生物芯片、YL、化工、能源等各个领域。但因流体细小、速度快，存在研究时无法直接清晰观测其流体运动状态和流体运动流速的痛点。

       中科院化学所乔燕教授研究多相微流体试验时，利用千眼狼高速摄像机与显微镜组合拍摄观察微流体中液滴状态及液体流速。此次试验将高速摄像机通过C口转接环连接显微镜镜头上方，以10倍放大倍数清晰拍摄微流体控制过程，如图1所示。

图1 试验现场

       高速摄像机可以每秒1000~10000帧的速度记录，可拍摄整个流体流动过程的动态画面，并能取得精确的微流体尺寸和速度信息。

       试验中通过千眼狼高速摄像分析系统慢放观看微流体中液滴运动过程，如图2所示，并分析得到微流体试验时液相油相不同配比流速时的实验数据，包括液滴直径，液滴数量等相关数据。

图2 慢放帧画面

       多相微流体系统研究对微流控技术发展非常关键。如何建立多相微流体系统相关研究基础理论，解析其反应过程与机制，实现对流体流动及反应的JZ调控，高速摄像机及测量技术可在此研究过程中发挥重要作用。

       千眼狼高速焊接测量系统成功助力奇瑞新能源焊接实验室（MIG焊设备）工程师们成功观测到熔滴过渡全过程，提高焊接稳定性。

MIG焊及熔滴过渡形式简介

       MIG焊（melt insert-gas welding）熔化极惰性气体保护焊与TIG焊（常见非熔化极）不同，MIG焊采用可熔化的焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属。焊丝不断熔化以熔滴形式过渡到焊池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。

       熔滴过渡是指在电弧热作用下，焊条/丝端部的熔化金属形成熔滴，受外力作用从焊条/丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。熔滴过渡与焊接过程稳定性、焊缝成形、飞溅大小等有直接关系，进而影响焊接质量和生产效率。

       熔滴过渡按电流电压参数的不同可分为：1短路过渡、2滴状过渡、3喷射过渡。

       1、短路过渡是指焊条/丝端部的熔滴与熔池短路接触，过热和磁收缩的作用下使其爆断过渡到熔池。

千眼狼高速摄像机拍摄的短路过渡图片

       2、滴状过渡是当电弧长度超过一定值时，熔滴依靠表面张力作用可保持在焊条/丝端部自由长大，当促使熔滴下落的力（如重力，电磁力）大于表面张力时，熔滴就离开焊条/丝过渡到熔池。

千眼狼高速摄像机拍摄的滴状过渡图片

       3、喷射过渡是指细小颗粒熔滴以喷射状态快速通过电弧空间过渡到熔池。高速摄像机可助力应用工程师们捕捉上述3种熔滴过渡的全过程。

千眼狼高速摄像机拍摄的喷射过渡图片

实验装置

实验装备：

       千眼狼高速相机5KF20一台、激光光源一台、滤光片一片、采集软件与播放软件各一套。

实验步骤：

       1.架设相机，安装滤光片至相机CMOS图像传感器芯片前，安装微距镜头；

       2.选择焊接位置，激光光源光斑照射至拍摄位；

       3.调整相机拍摄角度，拍摄焊接位置，调节镜头，使成像清晰；

       4.设置采集软件参数，进入采集画面；

       5.开始焊接，触发保存，拍摄焊接过程。

实验亮点

       通过激光光源与相应波长的滤光片搭配，并对相机曝光参数设置可过滤MIG焊焊接时的白色强光，便于仔细观察熔滴滴落的程。通过二次开发，支持每一帧图像对应的焊接机实时电流、电压值同步显示在播放软件上，为工程师们研究焊接稳定、焊接质量、提高生产效率提供有效帮助。

选用合适的高速摄像机—工程师对高速高清均衡型产品的需求

       焊接时熔滴形成到滴落过程通常可达10ms级，工程师们希望能对每个滴落过程进行细微、有效视场的观测，即需要5000 fps以上速度且具有较大视场的高速摄像机。千眼狼5KF20，拥有3000 fps@1920×1080的均衡参数，通过裁剪画幅至1920×528分辨率下实测速度可达到5880 fps，针对每个关键的熔滴过程为应用工程师们定格约50张图片进行分析。

       燃烧学在能源、、工业等领域中发挥着重要作用，但因燃烧中速度过快、气体燃烧无法观测等痛点，成为该领域科技创新发展的难题。发动机燃烧机理研究是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。作为国产高速视觉测量仪器，千眼狼高速摄像仪在燃烧领域的研究中具有重要价值。

       上海交通大学学院科研老师在模拟发动机腔体燃烧试验中，利用千眼狼高速摄像仪采集发动机腔体内火焰点燃后持续燃烧再到暗淡的完整过程。

       试验过程中，千眼狼技术工程师将5KF20高速摄像仪放置模拟发动机腔体正前方位置，完整采集到火焰从腔体内右侧被点燃后，持续往左侧燃烧的整个过程，可以观测到火焰是呈递进的形式往左侧行进。

       通过观察测定腔体燃烧效率及点火、火焰稳定性，研究燃烧过程的质量平衡及能量平衡、燃烧室的工作过程和特性，提升发动机腔体燃烧的稳定性。千眼狼高速摄像仪及专业测量分析技术能够在燃烧学试验中提供高速图像采集及JZ测量技术支持。

实验名称：功率放大器ATA-4051在单信号激励的弯弯复合超声电机的正反向运动实验中的应用

研究方向：超声电机

测试目的：验证基于8字形振动轨迹的超声电机的工作原理的可行性

测试设备：函数信号发生器，ATA-4051功率放大器，激光位移传感器，激光转速计。

实验内容：用单路特殊激励信号（由频率比为1:2两个正弦波形叠加而成）驱动弯弯复合超声电机，测试其驱动足的运动轨迹和样机基本输出特性

实验过程:

（1）测试驱动足轨迹。用两个激光位移传感器分别对准驱动足的上表面和右表面，用函数信号放大器产生信号，经过功率放大器（ATA4051）放大后施加到超声电机上，打开传感器采集功能，完成振动轨迹采集。改变激励信号中两种信号的相位差，从0~360度范围内，每15度测试一次，共测24次。

实验装置

（2）测试输出特性。驱动足处放置一个小滑轮，侧面贴放光纸，拨动滑轮每转一周，观察转速计计数是否正常。之后用信号发生器和功放产生激励信号并施加到超声电机上，测试电机在不同波形（两种频率成分正弦的相位差）下的输出速度。

测试结果:

1. 驱动足处在波形相位差为165度和-15度时都可以获得8字型轨迹，轨迹的运动方向相反；

2. 所提出的基于8字型轨迹的超声电机，的正反向输出特性差异小于4%，推动直径为22mm转子运动时ZD输出速度为1373rpm；

3. 所提出的基于8字型轨迹的超声电机只需单向激励信号就能实现双向输出运动，压电元件无闲置，摩擦耦合效率高，在航空航天等高可靠性应用领域具有潜在应用价值。

轨迹运动测试结果

机械输出特性测试结果

本文实验素材由西安安泰整理发布，安泰功率放大器广泛应用于压电陶瓷驱动、超声波测试、声呐系统应用和MEMS测试等，可提供免费样机SY服务，如果想了解功率放大器更多应用，欢迎访问安泰测试网。

       高速摄像机是一种能够以小于1/1000秒的曝光或超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像的设备。它用于将快速移动的物体作为照片图像记录到存储介质上。高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时,所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

       如今高速摄像机的飞速发展，使得高速摄像机应用于众多领域，如张建花等^【1】针对某型飞机飞行试验中，无法采用常规机载影像测量方法精确计算飞机滑跑过程偏心定位距的问题，设计了一套基于地面多像机视场拼接的影像测量方案。通过在跑道边多点交错布设高速像机阵列，组成高速像机测量控制网,实现飞机滑跑过程影像的全覆盖；采用多摄像机交会接力测量以及数据拼接的方式，实现飞机偏心定位距的测量。实验仿真结果表明，采用该方案偏心定位距Z大测量误差不大于3cm，满足飞行试验精度要求。 

       曹恒将等^【2】安全阀是液压支架的重要保护元件，基于综采工作面上覆岩层的"砌体梁"结构力学模型，液压支架承受的是静态负载和动态负载的总和，基于此，提出了安全阀动静组合加载试验台(其中蓄能器的载荷模拟静态载荷，气体爆炸产生的载荷模拟动态载荷)。实验初始条件如下:LPG-空气混合气体爆炸前的压力为1. 6 MPa，安全阀的调定压力为45 MPa，蓄能器的充液设定压力为31. 5 MPa。实验结果表明：被试安全阀压力超调量为5 MPa，约为调定压力的11%，被试安全阀压力稳定时间为0. 017 s。采用ANSYS Fluent对安全阀的流场进行仿真，通过高速摄像机得到了安全阀溢流过程的照片，验证了安全阀流场的仿真结果。

       黄鹏飞等^【3】设计出了一种新的高速摄像拍摄技术，可以拍摄脉冲焊中任意时刻电流对应的电弧。利用脉冲焊中电流周期性变化的规律，在不同脉冲电流周期的相同点拍摄几十张照片并取其直径的平均数，解决了一般性能的高速摄像机拍摄速度低于超高频脉冲电流变化速率的问题。基于自主研制的高频TIG焊接设备进行了工艺焊接试验，并利用MATLAB技术处理图像，研究了基值电流I_b为50 A，峰值电流I_p为100 A的焊接电弧。结果表明，电弧随脉冲变化时间常数为几十微秒。在脉冲电流突变时，对脉冲电弧加热及散热进行了分析,发现电弧扩张速度大于收缩速度。

高速摄像机拍摄弹弓弹射玻璃杯破裂场景

       一般摄像机的工作原理通常是把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。高速摄像机工作原理是什么？

       高速运动物体受到光照射产生反射光，亦或是本身发光，这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。

（内容来源于网络）

参考文献

[1]张建花,张杰. 基于多视场拼接的飞机偏心定位距精确测量[J]. 应用光学,2018,(3).doi:10.5768/JAO201839.0303002.

[2]郭永昌;廉自生;袁红兵;廖瑶瑶;崔红伟;;液压支架用大流量安全阀性能分析[J];液压与气动;2019年01期

[3]黄鹏飞;丁斌;胡伊通;周震国;卢振洋;超高频脉冲TIG焊电弧形态分析[J];焊接学报;2018年02期

       高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。正因为如此多的的优点广受消费者的青睐，但是市面上高速摄像机的品牌众多，如何选择合适的高速摄像机？可以从以下几个方面来选购：

1.帧数率

       即FPS，指每秒钟刷新的图片的帧数，高速摄像机的帧速率越高，就意味着它每秒钟拍摄获得的图像帧数就越多，呈现出的动画效果自然也会更加逼真生动。选择高速摄像机的帧速率要结合自己的实际情况来决定，越高的帧速率，往往价格也越贵。

2.分辨率

       指高速摄像机一次采集图像的像素点数。一般是直接与图像传感器的像素总数对应的，用水平和垂直方向总像素数表示。 千眼狼高速相机、高速摄像机有100万像素、400万像素、1600万像素、2000万像素等多种型号. 可以根据需要拍摄的范围、观察精度来确定需要的分辨率. 例如, 拍摄范围为2米x 1米, 而观察精度为1mm时, 分辨率要大于2000×1000。

3.曝光时间

       高速摄像机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在传感器上留下影像。曝光时间越长， 图像越明亮，但并不是曝光时间越长也好，曝光时间过长，会出现过曝光，部分图像变成白色；如果拍摄运动的物体，曝光时间过长，还会出现运动模糊。 为了拍清楚运动物体，一般要求在曝光时间内，CMOS内图像的移动不超过2个像素。 例如，距离5M拍摄运动目标，目标运动速度为70M/S。如果使用焦距为50mm的镜头，成像放大倍数为0.01。千眼狼2F04的CMOS传感器像元大小为7um，因此，要获得边沿清晰的图像， 曝光时间应小于7 X 2 / 0.01 / 70 = 20u。

4.传感器

       高速摄像机的传感器主要有两种类型：CCD和CMOS。CCD信号采集能力更强，但由于技术要求高、制作工艺复杂、成品率低，因此成本也比较高；CMOS生产工艺简单、集成度高，缺点在于信号采集能力更差、噪音比较大。

       事实上，在经过一系列技术改造，CMOS传感器的感光性能已有了很大改进，完全可以媲美CCD传感器的效果。目前市场上的摄像机传感器也都以CMOS为主。

5.内存

       高速摄像机不太适合长时间记录动作，内存越大，可以连续高速采集的时间就越长，需要根据自己的实际情况来选择合适的内存。

6.售后服务

       高速摄像机售后服务很重要，国外进口的一线品牌在国内dai理商有些不具有维修服务，还需要到国外维修，增加了成本，选择具有完善售后服务的品牌高速摄像机很重要。

       富煌君达拥有完全自主知识产权的“君达超眼”高速视觉感知技术，打破了日本、美国、欧洲的技术垄断。集成君达超眼技术的“千眼狼”高速摄像系统，广泛应用于科研、工业、等领域。公司拥有快速定制响应能力，可提供便捷、优质的高速视觉解决方案，满足用户个性化应用需求。公司在瞬态过程分析、运动轨迹测量、目标跟踪与识别、实时画面录播及观测、产品性能试验、在线故障分析、在线质量检测等领域积累了丰富的经验和Z佳应用实践。

（内容来源于网络）

分子蒸馏亦称短程蒸馏,是一项较新的尚未广泛应用于工业化生产的分离技术,其应用能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。分子蒸馏是一种特殊的液一液分离技术,它依据分子运动平均自由程的差别,能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离,特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物质的分离。分子蒸馏进行时,液体混合物被加热,能量足够的分子逸出液面,轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程较小,若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面,轻分子达到冷凝面后被冷凝,从而使其不断yi

随着电子信息技术发展的日新月异，人们对电子测量技术及仪器的重视力度也得到了明显提升。很多业内人士更因电子测量技术应用领域广、高、深等特点，对测试速度也提出了更高的要求，高速测试逐渐成为电子专业测量的主要实现方式。

TH2840系列测试速度高达0.56ms（1800次/秒）(＞10kHz)，能够超高效帮助客户提高测试准确性，分析故障的原因，是目前同惠电子在高速测试中的佼佼者，也在国内乃至国际测试无源器件和高频变压器行业中名列前茅。

TH2840系列由于创新性地采用了双CPU架构，测试和显示由两个系统分开独立完成，在保证正常显示的情况下，测试速度最快可达0.56ms/次，即每秒钟可进行1800次测试。TH2840系列支持高频变压器测试的型号为TH2840X，最多支持6块内置扫描版、扩展至288PIN脚。

那么，如此高效的测试速度可以应用在哪些领域呢？今天我们将通过几个案例来讲解TH2840系列的广泛应用。

一、网络变压器的扫描测试

TH2840X拥有10.1寸电容式触摸屏，所有设置参数一目了然，并且采用图形化脚位关联的设计，带给您前所未有的便捷测试体验。

TH2840系列最突出的性能特点，就在于其业界领先的测试速度，以12Port网络变压器为例，测量速度由上代旗舰机型TH2829X的18S缩短到5.9S，整整提高了3倍效率，测试脚位也由最高192PIN提高到了288PIN。

二、电子元器件的瞬态测试和分析

基于电容式传感器的发展，通过采集和分析电容的瞬间变化数据，可以计算出受力的大小和变化，例如，手指触摸到电容式触摸屏到离开触摸屏的短暂过程，电容容值瞬间的曲线变化，反映了屏幕受力的细微变化。由于TH2840系列具有高达每秒钟1800次的测试速度，可以精确到ms级别画出电容变化的曲线。

在电子皮肤领域中，一些以往只能由皮肤感受到的定性数据，例如硬度、力度等，如今已经可以用定量的方式表达出来。通过使用模仿人体末梢神经的电子传感器，电子皮肤可以帮助机器人敏感获知环境信息。将TH2840与电子皮肤一起集成到机械手或机器人表面，通过触觉感知及触觉信息采集实现机器人的触觉感知能力。在某高校的电子皮肤科研项目中，TH2840系列以0.56ms/次的采样频率完美胜任了该测试任务。

三、测量容性器件C-V特性的响应时间

在电子元器件的实际应用中，我们经常需要给被测件加偏压来模拟元器件在不同环境下的表现，增加偏压后的响应时间Th也是该元件的重要参数之一。

如上图，给某个电容施加20V直流偏置电压时，电容值会从初始值C0开始增加，经过一段时间后最终稳定在C1，从C0到C1所消耗的时间即为响应时间Th。由于器件被施加偏压后的瞬态变化非常快，需要测试仪器的采样时间小于1ms（即1000次/s），才能得到精确的响应特性曲线。TH2840系列不仅可以达到0.56ms的最高采样速度，同时又能保证测试参数的高精度，并且自带±40V偏压，支持多通道测试，是高速测试的不二选择。

以上内容由安泰测试Agitek为您分享，安泰测试作为国内专业测试仪器综合服务服务平台，为客户提供丰富的测试产品选择、完整的系统测试解决方案、全面的技术支持和售后等一站式服务，帮助客户更好的解决测试问题。https://www.agitek.cn/cp/1230.html