一种灯丝定位系统、灯丝定位方法及应用

xiaoxiao2020-10-23 11

一种灯丝定位系统、灯丝定位方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于机械工程与自动化领域，具体涉及一种灯丝定位系统、灯丝定位方法及应用。
【背景技术】
[0002]电子显微镜作为微观形貌观察的有力工具，可以用来观察和分析材料的形貌、组织和结构。它正越来越迅速、广泛地应用于冶金、矿物、化工、医药、生物、生物医学、食品、纳米材料等领域。电子显微镜主要包括透射电子显微镜和扫描电子显微镜。透射电子显微镜(TEM)用聚焦电子束作照明源，使用对电子束透明的薄膜样品，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的的图像来分析试样内部的显微组织结构。扫描电子显微镜是利用二次电子反射的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接收、放大和显示成像，获得测试样品表面二维结构形貌的观察。
[0003]显微镜的整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、CCD等装置。其中由电子枪、聚光镜等装置组成的照明系统为成像系统提供一束亮度高、相干性好的照明光源。电子枪有阴极、控制极(栅极)和阳极构成。在真空中高压加热后从阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速电子流(电子束)。在一定范围内，灯丝电流越大，灯丝温度越高，发射的电子越多，灯丝表面蒸发越快。因而灯丝有一定寿命，如钨灯丝一般是一百多个小时。这就需要经常更换灯丝。
[0004]更换灯丝时，对灯丝的位置也有非常严格的限定。1、灯丝的尖端要求必须位于电子枪的中心位置。如果灯丝的位置偏移，很容易导致灯丝亮度偏暗，操作者需要通过增加偏压或电流来提高亮度，进而造成灯丝损伤。2、灯丝的发射束流与灯丝的加热电流和灯丝高度有关，安装位置越高，灯丝达到饱和点的工作温度就越低，灯丝表面蒸发得也就越慢，灯丝的损耗越小。目前更换灯丝完全依靠手工，不仅浪费了仪器管理人员的大量时间，而且调节栅帽时，人工视觉差异也可能导致灯丝安装位置的不同，这将会在不同程度上影响显微镜成像的使用质量。
[0005]CN 102354647 A公开了一种延长扫描电子显微镜灯丝寿命的装置，包括有220V交流源、直流电源模块，时序组合开关装置，220V交流源供电至直流电源模块、扫描电子显微镜的机械泵，时序组合开关装置包括延时时间可调继电器、高压干簧继电器、真空探测器高压BNC。该发明延长了扫描灯丝的使用寿命。但目前国内外还没有电子显微镜更换灯丝的设备或相关产品。

【发明内容】

[0006]本发明的目的是为了解决现有技术完全依靠手工调节灯丝，灯丝安装位置不准确，导致显微镜成像在不同程度上受影响的问题。
[0007]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一方面，本发明提供了一种灯丝定位系统，所述系统包括定位模块和检测模块；其中，所述定位模块用于灯丝的固定，所述检测模块E用于灯丝位置图像的监测。
[0009]本发明中，所述检测模块能实时监测灯丝位置，再根据灯丝实时图像对定位模块进行调节，从而使灯丝调节至准确的位置。
[0010]优选地，所述的定位模块包括灯丝定位装置和固定灯丝定位装置的固定装置。
[0011]优选地，所述灯丝的固定为将灯丝定位装置放置在固定装置中，进行固定。
[0012]优选地，所述灯丝定位装置为仪器自带的灯丝定位装置，所述仪器自带为显微镜等仪器本身配备的固定灯丝的定位装置，所述定位装置顶端具有一个圆孔，圆孔的圆心作为灯丝定位装置的中心。
[0013]优选地，所述固定装置主要由金属材料和/或高分子材料制备得到。
[0014]作为优选技术方案，所述系统还包括调节模块、驱动模块和控制模块；
[0015]其中，所述控制模块接收所述检测模块的信号并控制所述驱动模块，所述驱动模块驱动所述调节模块，所述调节模块调节所述定位模块中的灯丝定位装置。
[0016]优选地，所述调节模块装有灯丝调节工具。
[0017]本发明中，所述灯丝调节工具可以是内六角扳手。
[0018]优选地，所述驱动模块包括电机和驱动器，所述驱动器驱动所述电机，所述电机控制所述调节模块。
[0019]本发明中，电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源(步进电动机驱动器)。控制器发送信号给驱动器，所述驱动器接收所述信号并驱动电机运转，控制器每发一个脉冲信号，通过驱动器就使电机旋转一个步距角，也就是说电机的转速与脉冲信号的频率成正比，所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。
[0020]优选地，所述电机为步进电机或伺服电机，所述电机的调节精度为〈100 μπι，例如可以是 0.01 μ m、0.1 μ m、0.2 μ m、0.5 μ m、0.6 μ m、0.8 μ m、I μ m、2 μ m、5 μ m、10 μ m、12 μ m、15 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、60 μ m、70 μ m、80 μ m、90 μ m 或 100 μ m0
[0021]优选地，所述调节模块与所述驱动模块通过卡口、焊接或粘接的方式固定。
[0022]优选地，所述控制模块包括控制器和主控电脑。
[0023]优选地，所述主控电脑连接所述检测模块和所述控制器，所述控制器控制所述驱动器。
[0024]优选地，所述主控电脑通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理、灯丝位置图像识别和灯丝位置调节动作指令的下达。
[0025]优选地，所述集成控制软件包括进行灯丝位置图像检测和处理的软件、进行灯丝位置图像识别的软件和进行灯丝位置调节动作指令下达的软件。
[0026]优选地，所述灯丝位置图像检测和处理为将采集到的灯丝位置图像信息转化为计算机可识别的信息，能实现所述图像检测和处理功能的软件均可实现本发明。
[0027]优选地，所述灯丝位置图像识别为通过灯丝位置图像灰度来识别灯丝尖的位置及灯丝定位装置中心，以此计算出灯丝位置图像上灯丝尖与灯丝定位装置中心之间的距离，再用标定的方法将上述距离转换为实际的驱动距离，能实现所述图像识别功能的软件均可实现本发明。
[0028]本发明中，所述标定的方法为本领域公知的方法。
[0029]优选地，所述灯丝位置调节动作指令下达为计算控制电机的轴数、轴距、转动的角度和进给步数，并下达调节动作指令，能实现所述灯丝位置调节动作指令下达的软件均可实现本发明；
[0030]电机进给步数=实际的驱动距离/电机步长。
[0031]本发明中，主控电脑接收检测模块检测的灯丝位置的图像，集成控制软件对灯丝位置图像进行检测和处理，再进行识别，并下达灯丝位置调节动作指令，控制器接收该指令后发送信号给驱动器，所述驱动器接收所述信号并驱动电机运转，调整灯丝的位置，最终使灯丝尖达到灯丝定位装置中心位置，完成灯丝定位。
[0032]第二方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述的灯丝定位系统进行灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤:
[0033](I)定位模块固定灯丝；
[0034](2)通过所述的检测模块E对灯丝位置进行实时监测，通过检测模块显示的图像观察灯丝位置，手动逐步调节灯丝至灯丝定位装置中心，实现灯丝定位。
[0035]优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置中，进行固定。
[0036]第三方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述的灯丝定位系统进行灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤:
[0037](I)定位模块固定灯丝；
[0038](2)通过所述的检测模块对灯丝的位置进行实时监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑上，通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离；
[0039](3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过驱动模块手动调节电机的步进，调节模块调节灯丝的位置至灯丝定位装置中心，实现灯丝定位。
[0040]优选地，所述手动调节电机的步进通过得到的实际的驱动距离手动调节电机的步进，肉眼观察图像，直至灯丝移动到灯丝定位装置中心。
[0041]优选地，所述手动调节电机的步进为:通过集成控制软件的灯丝位置调节动作指令下达的软件进行计算电机的轴数、轴距、转动的角度和进给步数，再根据上述参数手动调节电机，直至灯丝移动到灯丝定位装置中心；
[0042]电机进给步数=实际的驱动距离/电机步长。
[0043]优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置中，进行固定。
[0044]第四方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述的灯丝更换定位系统进行更换灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤:
[0045](I)定位模块固定灯丝；
[0046](2)通过所述的检测模块E对灯丝的位置进行实时监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑上，通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离；
[0047](3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过集成控制软件计算电机的轴数、轴距、转动的角度和进给的步数，并下达灯丝位置调节动作指令，控制器接收该指令后，发送信号给驱动器，驱动器接收信号并驱动电机运转，调节模块调节灯丝至灯丝定位装置中心，实现灯丝定位。
[0048]本本发明中，电机进给步数=实际的驱动距离/电机步长。
[0049]本发明中，电机的轴数、轴距和转动的角度可由电机的型号与实际驱动距离根据本领域公知的方法通过灯丝位置调节动作指令下达的软件进行计算。
[0050]在通过灯丝位置调节动作指令下达的软件进行计算得到电机进给步数、电机的轴数、轴距和转动的角度后，该软件同时下达灯丝位置调节动作指令，进而实现灯丝定位。
[0051]优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置中，进行固定。
[0052]第五方面，本发明还提供一种如第一方面所述的灯丝更换定位系统的用途，所述系统可用于但不限于显微镜装置的灯丝定位。
[0053]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0054](I)与现有的灯丝更换系统相比，本发明系统原理简单，操作方便，机械驱动(或手动)与软件检测协同工作，能够为显微镜的灯丝更换提供定位，并同时为其它需要定位的部件提供了一种潜在的应用；
[0055](2)本发明能够将现在纯手工更换灯丝的过程，代替为机械帮助下更换灯丝，最大限度地减少了人为因素的影响。这不仅能够提高成像质量、延长灯丝寿命，还使更换灯丝变得简便快捷，为仪器管理人员节约了大量的时间，而且使得灯丝的定位更加精准，使仪器更有效的工作；
[0056](3)本发明系统是仪器设备在维护和保养时一种非常重要工具，不仅有利于科研工作中成像研宄的进行，而且能够保证灯丝使用质量、提高广大仪器用户工作效率。
【附图说明】
[0057]图1为本发明系统的示意图；
[0058]其中，图中A-灯丝定位装置；B_固定装置；C_调节模块；D_电机；E_检测模块；F-驱动器；G_控制器；H_主控电脑；1_控制模块；J_定位模块；Κ_驱动模... 包括:定位模块J、检测模块E、调节模块C、驱动模块K和控制模块I。
[0101]具体半自动更换显微镜灯丝工作过程包括以下步骤:
[0102](I)将显微镜自带的灯丝定位装置A放置在灯丝定位系统的固定装置B中，进行固定;
[0103](2)通过所述的检测模块E对灯丝的位置进行监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑H上，经过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离；
[0104](3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过驱动模块K手动调节电机D的步进，调节模块C调节显微镜灯丝的位置至灯丝定位装置A中心，实现灯丝定位。
[0105]可选地，所述手动调节电机的步进可通过得到的实际的驱动距离手动调节电机的步进，肉眼观察图像，直至灯丝移动到灯丝定位装置中心。
[0106]可选地，所述手动调节电机的步进可通过集成控制软件的灯丝位置调节动作指令下达的软件进行计算电机的轴数、轴距、转动的角度和进给步数，再根据上述参数手动调节电机，直至灯丝移动到灯丝定位装置中心；
[0107]电机进给步数=实际的驱动距离/电机步长。
[0108]实施例4:全自动定位显微镜灯丝
[0109]显微镜灯丝定位系统包括:定位模块J、检测模块E、调节模块C、驱动模块K和控制模块I。
[0110]具体全自动更换显微镜灯丝工作过程包括以下步骤:
[0111](I)将显微镜自带的灯丝定位装置A放置在灯丝定位系统的固定装置B中，进行固定;
[0112](2)通过所述的检测模块E对灯丝的位置进行监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑H上，经过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离；
[0113](3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过集成控制软件计算电机D的轴数、轴距、转动的角度和进给的步数，并下达灯丝位置调节动作指令，控制器G接收该指令后，发送信号给驱动器F，驱动器F接收信号并驱动电机D运转，调节模块C调节灯丝至灯丝定位装置A中心，实现灯丝定位。
[0114]其中，集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离，计算控制电机D的轴数、轴距、转动的角度和进给步数；
[0115]电机进给步数=实际距离/电机步长。
[0116]综合实施例1-4，本发明在更换灯丝时可以精确的进行灯丝位置定位。与现有的灯丝更换相比，本发明系统原理简单，机械驱动(或手动)与软件检测协同工作，精准快捷；本发明最大限度地减少了人为因素的影响，这不仅能够提高成像质量、延长灯丝寿命，还为仪器管理人员节约了大量的时间，而且使得灯丝的定位更加精准，使仪器更有效的工作；本发明系统是仪器设备在维护和保养时一种非常重要工具，不仅有利于科研工作中成像研宄的进行，而且能够保证灯丝使用质量、提高广大仪器用户工作效率。
[0117]申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
【主权项】
1.一种灯丝定位系统，其特征在于，所述系统包括定位模块(J)和检测模块(E); 其中，所述定位模块(J)用于灯丝的固定，所述检测模块(E)用于灯丝位置图像的监测。2.根据权利要求1所述的灯丝定位系统，其特征在于，所述的定位模块(J)包括灯丝定位装置(A)和固定灯丝定位装置(A)的固定装置(B); 优选地，所述灯丝的固定为将灯丝定位装置(A)放置在固定装置(B)中，进行固定；优选地，所述灯丝定位装置(A)为仪器自带的灯丝定位装置，所述定位装置(A)顶端具有一个圆孔，圆孔的圆心作为灯丝定位装置(A)中心；优选地，所述固定装置(B)主要由金属材料和/或高分子材料制备得到。3.根据权利要求1或2所述的灯丝定位系统，其特征在于，所述系统还包括调节模块(C)、驱动模块⑷和控制模块⑴；其中，所述控制模块(I)接收所述检测模块(E)的信号并控制所述驱动模块(K)，所述驱动模块(K)驱动所述调节模块(C)，所述调节模块(C)调节所述定位模块(J)中的灯丝定位装置㈧。4.根据权利要求2或3所述的灯丝定位系统，其特征在于，所述调节模块(C)装有灯丝调节工具；优选地，所述驱动模块⑷包括电机⑶和驱动器(F)，所述驱动器(F)驱动所述电机(D)，所述电机(D)控制所述调节模块(C); 优选地，所述电机(D)为步进电机或伺服电机；优选地，所述电机(D)的调节精度为〈100 μπι; 优选地，所述调节模块(C)与所述驱动模块(K)通过卡口、焊接或粘接的方式固定。5.根据权利要求2-4中任一项所述的灯丝定位系统，其特征在于，所述控制模块(I)包括控制器(G)和主控电脑⑶；优选地，所述主控电脑(H)分别连接所述检测模块(E)和所述控制器(G)，所述控制器(G)控制所述驱动器(F)。6.根据权利要求5所述的灯丝定位系统，其特征在于，所述主控电脑(H)通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理、灯丝位置图像识别和灯丝位置调节动作指令的下达；优选地，所述集成控制软件包括进行灯丝位置图像检测和处理的软件、进行灯丝位置图像识别的软件和进行灯丝位置调节动作指令下达的软件；优选地，所述灯丝位置图像检测和处理为将采集到的灯丝位置图像信息转化为计算机可识别的信息；优选地，所述灯丝位置图像识别为通过灯丝位置图像灰度来识别灯丝尖的位置及灯丝定位装置(A)中心，以此计算出灯丝位置图像上灯丝尖与灯丝定位装置(A)中心之间的距离，再用标定的方法将上述距离转换为实际的驱动距离；优选地，所述灯丝位置调节动作指令下达为计算控制电机的轴数、轴距、转动的角度和进给步数，并下达调节动作指令。7.采用如权利要求1-6中任一项所述的灯丝定位系统进行灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤: (I)定位模块(J)固定灯丝； (2)通过所述的检测模块(E)对灯丝的位置进行监测，通过检测模块(E)显示的图像观察灯丝位置，手动逐步调节灯丝至灯丝定位装置(A)中心，实现灯丝定位；优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置(A)放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置(B)中，进行固定。8.采用如权利要求6所述的灯丝定位系统进行灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤: (1)定位模块(J)固定灯丝； (2)通过所述的检测模块(E)对灯丝的位置进行监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑(H)上，通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离； (3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过驱动模块(K)手动调节电机(D)的步进，调节模块(C)调节灯丝的位置至灯丝定位装置(A)中心，实现灯丝定位；优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置(A)放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置(B)中，进行固定。9.采用权利要求6所述的灯丝定位系统进行灯丝定位的方法，所述方法包括以下步骤: (1)定位模块(J)固定灯丝； (2)通过所述的检测模块(E)对灯丝的位置进行实时监测，监测得到的灯丝位置图像显示在主控电脑(H)上，通过集成控制软件进行灯丝位置图像检测和处理，以及灯丝位置图像识别后，得到实际的驱动距离； (3)根据步骤(2)得到的实际的驱动距离，通过集成控制软件计算电机(D)的轴数、轴距、转动的角度和进给的步数，并下达灯丝位置调节动作指令，控制器(G)接收该指令后，发送信号给驱动器(F)，驱动器(F)接收信号并驱动电机⑶运转，调节模块(C)调节灯丝至灯丝定位装置(A)中心，实现灯丝定位；优选地，步骤(I)所述的固定灯丝为将灯丝固定定位装置(A)放置在灯丝更换定位系统的定位固定装置(B)中，进行固定。10.一种如权利要求1-6中任一项所述的灯丝定位系统的用途，其特征在于，所述系统用于显微镜装置的灯丝定位。
【专利摘要】本发明属于机械工程与自动化领域，具体涉及一种灯丝定位系统、灯丝定位方法及应用。所述系统包括定位模块(J)和检测模块(E)；其中，所述检测模块(E)用于所述定位模块(J)上灯丝位置实时图像的监测。本发明系统原理简单，操作方便，能自动定位灯丝，最大限度地减少了人为因素的影响。这不仅能够提高仪器的成像质量、增加灯丝寿命，而且为仪器管理人员节约了大量的时间。所述灯丝定位系统使得灯丝的定位更加精准，不仅有利于科研工作中成像研究的进行，而且能够保证灯丝使用质量、提高广大仪器用户工作效率。
【IPC分类】H01J9/18
【公开号】CN104882348
【申请号】CN201510295891
【发明人】甘雅玲, 胡西学, 郭宏博, 王东亮, 王昱青, 何芳菲, 常怀秋, 徐晓慧, 范伟民
【申请人】国家纳米科学中心
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月2日

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2012-2014专利技术

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