关键词:传感器;设计;电阻焊
8.3.2.2对传感器(W·Rogowski带)的讨论
按电磁感应定律,线圈中感应电动势与线圈中的磁通变化率成比例,而且电动势的方向是阻止磁通变化的。即
式中,N为线圈总匝数;
式中B为磁通密度;S为传感器横截面积。
磁通密度B和磁场强度H取决于磁通材料
根据全电流定律,磁场强度沿任一闭合路线积分(即磁场强度和它的路径乘积)等于该闭合路径所包围的电流的代数和(假定传感受器为圆形)。则
式(8-10)是所要推导的焊接电流通过传感器所感应的电动势的计算公式=由上式可知,对正弦交流电而言,i与e之间存在非线性关系,影响测量精度。如日本产MM305大电流测量仪,测量范围为10~100kA。在该测量范围内只采用一个传感线圈进行测量,因被测电流的非线性,显然在不同测量区域内测量精度是不同的。为了提高不同测量区域内的测量精度,在与MM305相同的测量范围内,日本制造商把该范围分成3个测量区域,分别选用3个不同的测量参数,设计出3个不同的传感线圈进行测量,如MM12O大电流测量仪就是如此,采用该测量仪的3个不同线圈在10~100kA范围内的3个对应的不同区域进行测量,毫无疑问其误差精度显然高于MM305:其原因是e与i间存在非线性对应关系。对于某一特定传感器而言,要求其检测范围越大,即偏离设计传感器所选用测试参数越大,造成的测试误差亦越大。因此从理论上讲,在一定测量范围内选用的传感器的测试点越多(即测试区域分段越多),测试精度便越高,但这将使所需的对应段的传感器增多。在实际工作中,依据实际情况选择合适的设计参数,使其误差在规定的范围内。
在设计传感器时,实际给定条件以有效值形式来表达,并非瞬时值,因此可将式(8-13)表示为
这就给传感器的设计带来了极大的方便。例如,对于一定形状的待设计的传感器(R、S已定),在其测量范围内确定一参考测试参数(即E、I值),便可以求出该传感器对应的线圈匝数N。
8.3.2.3 设计制作传感器应注意的若干问题
传感器精度的高低直接影响焊接电流的测量误差,它是大电流测量的关键环节。目前所用传感器有软带形、环形和方形3种。由互感常数可知,要想得到一个精确的结果,应是稳定常数,这就要求把线圈绕在一个直径均匀的骨架上。在上述3种线圈中软带形精确度较差,方形最高,环形介于2者之间。无论哪种传感器,其条带均是一个绕了许多匝的线圈,线匝沿带的长度严格均匀分布,条带末端固定。通常为了制作简单和增加使用寿命,线圈绕在圆形的瓷环上,有时为了方便起见也使用软带。
为了尽量减小测量误差、提高精度,使其能正确反映所测焊接电流,还必须注意以下几个问题。
a.绕制。
所测电压应是焊接电流,的磁通在线圈内感应的电动势所引起的,而不应是其他磁场(杂散磁场)在线圈内感应的电动势所引起的。因此,线匝一定要沿空心瓷棒(或其他材料)严格均匀分布,即要保证m的一致性,并要求注意绕向。线圈绕线的首尾应在线圈的同一侧以使杂散磁场在2层中产生大小相等、方向相反的电动势而相互抵消,消除外界杂散磁场干扰。
b.屏蔽。
传感线圈上所产生的感应电动势应是焊接电流的磁通在线圈上感应引起的,而不应是其他杂散磁场在线圈上感应产生。因此,为了正确反映焊接电流I,必须只让电流I产生的磁场经过线圈,而不让杂散磁场进入线圈,所以必须用铁盒屏蔽线圈。但为了使焊接电流I所产生的磁场进入线圈,在屏蔽盒内侧应开有如图8-19所示的缝隙2,否则在铁盒与铁壁的环路中将会感应出电流。
c.线圈的感抗及内阻。
由图8-20可知
上式可计算焊接电流。I=ni要求线圈电感的电压降比线圈电阻RL和外电阻R上的电压降之和要大得多。为满足上述要求,传感线圈必须满足即线圈内阻要求很小,R也要很小,但R又不能太小,否则输出电压过低,这对下一步信号处理提出更高要求。所以应全面考虑R的选择。
我们曾根据以上研究设计了一个直径为30mm的环形传感器,在传感器输出端接采用运算放大器组成的积分环节,通过对检测到的信号进行估算,其结果与用MM305所测试结果较为接近。
8.3.3 微机控制的各种阻焊质量监控器的基本原理与方法
电阻焊是一种生产率高、操作简单、易于实现自动化的焊接方法,广泛应用于汽车、航空及航天工业。随着电阻焊应用领域的不断扩展和深入,对焊接质量也提出更高要求。实际生产中不可避免地存在网压波动、分流、焊接电路阻抗变化、电极磨损等干扰因素,都会影响焊接质量。为此,人们研究了多种类型的阻焊质量监控器,补偿焊接过程中出现的各种干扰,以确保稳定的焊接质量,早期研究的以硬件电路组成的监控器,因其固有的缺点难于满足高的控制性能要求。随着微型计算机控制技术的迅猛发展,现代阻焊质量监控器几乎都采用了微机,以实现快速度、高精度、灵活、多功能的控制要求,提高了电阻焊的质量,扩大了适用范围。目前,阻焊质量监控方法较多,包括恒电流法、势膨胀电极位移法、动态电阻法、超声波法、声发射法、表面温度与红外辐射法等。其中前3种方法应用较成功。除质量监控外,微机还成功用于阻焊的群控、参数监测、电流调制和通用阻焊控制器。
8.3.3.1 恒电流控制法
单相交流点焊机主电力电路与焊接电流波形如图8-21所示。
恒电流控制法是在焊接过程中逐个周波检测焊接电流有效值,并与设定的电流有效值比较,当有偏差时,自动改变下一周波的触发角α,使预期的下一周波电流趋于给定值,在通电期间不断重复上述调节。
a.电流有效值的计算方法与检测电路。
由图8-21b可见交流点焊时电流为非正弦波,为了实时检测电流有效值,一般要采用工程简化方法进行计算,目前主要有以下几种方法:
1)离散化积分法。
该方法中有效值是以半波周期求出的,是将连续函的求解离散化为的数字量求解。其中N为SCR全导通时每半周内采样次数,为电流采样值。由微机在每次采样间隔时间内完成运算,半周结束后对求平均值和开方运算即可得出半波有效值。其检测精度与N有关,N越大则精度越高,但N受A/D转换时间限制。此方法的缺点是占用CPU时间较多。
3)峰值角系数法。
4)电流检测电路。
阻焊大电流的检测通常采用图8-22所示电路,在焊机二次回路中放置环形空心线圈,该线圈输出为电流的微分,经积分电路还原、放大、绝对值电路、A/D转换后送人微机即可。