（材料加工工程专业论文）电阻焊参数测量仪的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 斫归歹7 j| f 电阻焊是一种重要的焊接方法，在工业生产中得到极为广泛的应用，其焊接质 量对焊接构件的使用性能和使用寿命有着极大的影响。而焊接电流又是影响焊接质 量的最重要的因素之，因此对电阻焊电流参数进行测量有着重要的意义5 ，由于焊接电流的特殊性，必须用专用仪表进行测量，而国内在此方面的仪表研 究不多，因此，我们尝试自行设计研究一台电阻焊参数测量仪，测量电阻焊焊接电 流有效值、焊接时间以及晶闸管的导通角，主要研究了焊接电流的测量冉课题着 重对测量仪的硬件设计、采样和误差分析以及软件部分进行了详细的研究。 在硬件电路设计中，由于传感器获得最原始的测量信号，极为重要，因而对本 测量仪传感器的选用、原理和设计进行了详细的研究。采用单片机对测量系统进行 控制，不采用传统测量仪表的实时显示，利用单片机的记忆功能，对测量数据进行 存储，便于数据的记忆和分析。并通过按键来设置测量方式，增强了人机对话功能。 突出了仪表的智能性。在采样和误差分析方面，对测量仪的数据转换系统进行了详 细的分析，包括该系统的结构、功能以及采样转换的误差来源，并讨论了减小误差、 提高精度的措施。在仪表软件设计方面，阐述了测量仪的软件结构体系，包括各组 成模块的相互关系、结构和功能，重点分析了h s i 中断服务程序和数据处理程序， 数据处理程序中重点分析了浮点数开平方运算、标度变换子程序和滤波子程序。并 简述了系统的软件抗干扰设计。 厂 最后，对研究工作进行了总结，并提出进步的研究发展。力7 关键词：电阻焊参数测量单片机 i | ，。 、鬣 。l 囊蘸豁施二鬣：巍乳：鳓括 r 。-，。，。 华中科技大学硕士学位论文 r e s i s t a n c ew e l d i n gi sa l li m p o r t a n tw e l d i n gt e c h n i q u e ，w l f i c hi sw i d e l yu s e d i nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h ew e l d i n gq u a l i t y a f f e c t st h ep e r f o r m a n c ea n dl o n g e v i t yo f s e r v i c eo ft h ew e l d i n gm e m b e rg r e a t l y s oi ti sam a t t e ro fg r e a ti m p o r t a n c e t om e a s u r e t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sw h i c h a f f e c tt h ew e l d i n g q u a l i t yi nah i g hd e g r e e w e l i d n gc u r r e n ti so n eo f t h e f a c t o r sa f f e c t i n gw e l d i n g q u a l i t y , h o w e v e r , b e c a u s eo f i t sp a r t i c u l a r i t y , i tm u s tb em e a s u r e db yas p e c i f i ci n s t r u m e n tw h i c hi s n o tn o te n o u g h s t u d yi nc h i n a f o rt h i sr e a s o n ，w e 仃y t od e s i g na l li n s t r u m e n tt om e a s u r et h ew e l d i n g p a r a m e t e r si n c l u d i n g v i r t u a lv a l u eo f t h ew e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gt i m ea n d t h ew i d t h o ft h ei m p u l s e t h i st h e s i se m p h a s i z e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e ，s o f t w a r e ，s a m p l i n g a n de r r o ra n a l y s i s i nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，s e n s o rw h i c hg e t st h eo r i g i n a lm e a s u r es i g n a li ss o i m p o r t a n t t h a ti t sc h o i c e ，p r i n c i p l ea n dd e s i g ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h em e a s u r e s y s t e m i sc o n t r o l l e db yas i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rw h o s em e m o r yc a ns a v em e a s u r ed a t a i ti s c o n v e n i e n tt om e m o r i z ea n da n a l y z et h ed a t a , a n dt h i si n s t r u m e n tb r e a k st h r o u g ht h e t r a d i t i o n a r yd i s p l a y j i m e a s u r e c o n t r o l l i n gk e y - p r e s s e n f o r c e sm a i l m a c h i n e c o n v e r s a t i o nf u n c t i o na n de m p h a s i z e st h ei n s t r u m e n t si n t e l l i g e n c e o fs a m p l i n ga n d e r r o ra n a l y s i s ，t h ei n s t r u m e n t st r a n s i t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es y s t e m s s t r u c t u r e ，f u n c t i o na n do r i g i ne r r o r , a n dd i s c u s s e st h ew a yo f h o wt om i n i s ht h ee r r o ra n d i m p r o v et h ei n s t r u m e n t sp r e c i s i o n t h es t r u c t u r es y s t e mo f t h es o f t w a r ei se x p a t i a t e di n t h es o f t w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dt h ec o n n e c t i o no fa l lt h e m o d u l e ，a n de m p h a s i z st h eh s li n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a m ，d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m w h o s ef l o a t p o i n t d a t ae x t r a c t c a l c u l a t i o n ，m e a s u r e m e n tt r a n s f e ra n df i l t e rm o d u l e p r o g r a ma r ed i s c u s s e di n d e t a i l a tt h es a n l e t i m e ，d e s i g nf o rd i s t u r bi n t e r f e r e n c e p r o g r a m i sd i s c u s s e d a tl a s t ，t h er e s e a r c hi ss u m m a r i z e d ，a n d t h ef u r t h e r s t u d y i sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：r e s i s t a n c e w e l d i n g p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r u 华中科技大学硕士学位论文 1绪言 1 _ l 电阻焊在工业生产中的应用 ，电阻焊方法自1 9 世纪末问世以来发展迅速，尤其是随着汽车工业等大批量 生产企业的兴起，其应用日趋广泛。目前电阻焊方法己占整个焊接工作量的左右， 岂是零部件的毛坯准备，组合件制造的重要工艺方法之一。与通常的熔焊工艺相比， 电阻焊具有如下主要优点：i u l 2 1 热量集中，加热时间短，焊接变形小； 2 冶金过程简单，一般不需要填充材料及溶剂，不需要保护气体： 3 能适应多类同种及异种会属的焊接，包括镀层钢板的焊接； t _ l 艺过程简单，易于实现机械化及自动化上岗前不需要对焊工进行长期培 训； 5 焊接生产率高，成本低； 6 劳动环境好，污染小。 随着相关技术的发展，电阻焊技术在现代生产中日趋得到广泛的应用。目前， 电阻焊已广泛应用于汽车、航空、家电等工业领域中。焊接质量的好坏，关系到整 个焊接构件的使用性能和使用寿命，因此控制焊接质量己成为广大焊接工作者的重 要研究内容之。表征焊接质量的方法有很多种，可以测量的参数也有很多，其中 翌接电i ，i l j 焊接质量的影响最大，所以对焊接电流的测量有着重要的意义。 1 2 电阻焊电流及其测量 乜阻焊电流，实质上是一种瞬时、短路大电流。它具有以下一些特点： l 也流人其数值一般为几千安培到几万安培，甚至_ l 万安培以上。而且在焊 接过程中电流值不断变换： 2 日寸问短点焊时一般焊接时问为零点几秒，在电容储能焊接中，这个时| 1 j j 更 短，通常为f 分之几秒： 3 电流波形不规范焊接电流波形不定为正弦波，有相位控制波、三相低频 l 鑫鑫囊鲰碍i 蕊。蕊岛；蟪耋套撼避囊鲰碍i 滋。蕊岛；墓蓬套 华中科技大学硕士学位论文 波、单极以及三相整流波、脉冲波等，甚至还有脉冲，即使是正弦波，有时也包含 高次谐波成分。 由于以上特性，给焊接电流的测量带来了一定的困难。【3 】 目前常用电阻焊机的主要类型有：单相交流式、三相低频式、单相和三相整流 式、电容贮能式和次级整流式等焊机。通常，对于单相交流式焊机，焊接电流用有 效值表示，对于三相低频式焊机，焊接电流用幅值表示：对于单相和三相整流式焊 机，焊接电流用电流的幅值和该幅值的脉宽表示。在近代交流焊机中，通常采用晶 。 闸管式相位控制器来调节电流，当晶闸管的控制角n 不同时，焊接电流也不相同。 所以也有用它来表示焊接电流的。【4 ) 【5 】 对于焊接电流的测量，分为两种，即通用仪表测试法和专用仪表测试法。前者 主要用通用式的电子示波器或光线记录示波器对经过处理后的信号进行显示和记 录，在早些时候这种方法用的比较多；由于专用仪表具有结构紧凑、使用方便等优 点，所以现在普遍使用专用仪表进行测量。 专用仪表分为模拟式和数字式。在专用仪表测量焊接电流的表示方法中，有平 均值电流法、幅值表示法和有效值表示法。 1 平均值电流表 其原理是用交流电流的绝对值在一个周期内的平均值来表示焊接电流，它的数 学表达式是： 1， ，= 【| f ( f ) i d t 2 幅值电流表 电阻焊过程的电流方程为 f = i ms i n ( o j r + 口一妒) + ，ms i n ( a p ) p 7 ，。： 凡= 了j 垒垒= 篙，全导通时的峰值电流； r 2 + 脚2 l 2 r ：f = 妄，时间常数，l ，r 为负载电感和电阻； 盯， p ：电压初始相位角 口：控制角 3 有效值电流表 2 夕， 华中科技大学硕士学位论文 这种仪表应用最为普遍，其原理为：设两个阻值相同的电阻，- + n g n 电， 另一个通交流电。如果在一定时阳j 内，它们所产生的热量相等，则直流电流的数值 即被认为是交流电流的有效值。下面进一步阐明上述关系。 i1 有效值电流表基本原理 【殳n 父流 u个周期( t ) 内，直流电通过电阻( r ) 产生的热量为9 7 ，则 o = ，二r t ( 1 - 1 ) 交流电流是瞬时变化的，但瞬时值i 在微小的时间d t 内，可以认为是恒量。 在d ih ? i 日j 内电阻r 上产生的热量为蛔= f ：r 西，则在一个周期内所产生的热量为 0 ：fd o ：rf i - 西( 1 2 ) 山 山 根捌有效值定义，在同一时间t 内，它们所产生的热量应相等，即q = q ， 域表万、为，! 凡7 = r f j ! 新，化简后得到 气胁 s ) !f j 效值j 己流表基本f 巳路 根据上述电流有效值的数学表达式 车u 简化的电流表框i n ( b ) ，如图l - l 所示。 可以给出焊接电流表的电子线路框i g lc a ) i环形线罔 i积分器 【波形处理计算电路 l i 0 忆协：持电路 i t 丧小i 也路 a ) b 倒1 1电流表的电子线路框图( a ) 和简化的电流表框图( b ) 3 h 一 ，疵一蒸 华中科技大学硕士学位论文 框图( a ) 由积分电路、多倍放大器、绝对值变换器、平方器、开方器、信号保持 电路和指示电路组成。 1 3 电阻焊参数测量仪的发展概况 焊接电流测量仪器已经过了几代更迭，起初采用通用电表，测量焊接变压器的 一次电流，根据变压比求得焊接电流的大小，之后出现了由独立元件组合电路的测 试仪表。5 0 年代，国外研制了指针式峰值焊接电流表。我国也在6 0 年代初研制成 功。6 0 年代后，逐渐出现了采用集成元件的焊接电流表，测量精度进一步提高。 随着电子技术的发展，特别是微处理器的普遍应用，逐渐出现了应用微机处理的检 测系统，这种仪表精度高，以数字显示，可以记录或打印，使用方便。 目前，用得较为普遍的国外电阻焊测试仪有日本m i y a c h i 公司的m m 3 1 5 a ， 英国b t i t i s h if e d e r a l 公司的p w a 1 ，美国a t l a n t i cs p o tw e l d i n g 公司的 w s 一1 0 m ，这些仪表准确度高，携带方便，但这些仪表采用手动量程切换，而且普 遍价格昂贵。国内微处理器控制的焊接电流测量仪发展较晚，现在天津7 0 7 研究所 正在开发研制此类仪表。1 6 1 4 本文研究的目的、意义和重要内容 此次设计的目的是较低的成本设计并开发一台电阻焊参数测量仪，取代普通电 阻焊电流表；并以较低的成本取代国外昂贵的测量仪表。这对于推广电阻焊参数测 量仪的使用有着重要的意义。 这次设计的主要任务是设计一台电阻焊参数测量仪，测量电阻焊电流有效值、焊接 时间和晶闸管导通角，主要工作是对焊接电流进行测量。 华中科技大学硕士学位论文 2 。1 引言 2 测量仪的总体设计 测量仪器应根据测量原理以及所要求达到的目标，进行设计和制作。本测量仪 表不追求多功能模式和复杂设计，在满足仪器必需功能的基础上，尽量简化仪器结 构和电路设计。充分利用单片机的强大功能，设计由单片机控制的测量仪表。尽量 利用软件实现仪器的功能，进一步降低仪器功耗，简化仪器结构。 7 1 2 2 测量仪设计原理 模拟式电流表的有效值测量原理如第一章所述。但在本系统中，单片机只能分 时采集数据，所得到的信号是离散的。电流波形的分解如图2 1 。1 8 】 、 新 l 弋 弋 k = i v ， j r ( ，) 图2 - i 电流波形的分解 图2 2 数值积分的物理意义 由数学分析的方法可知，对于一个周期为t 的函数f ( t ) ，在区问【o ，丁 上的积 分均值如果用表示，并且将区间 ot 上积分均值化成n 个小区间f ，。 ( i = 0 ， 1 ，n - 1 ) 上函数f ( t ) 的积分之和，则可表示成： 冗= 手j r ，c ，) 研= ；霎“厂( ，出c i = o , l - n - 1 ) c 。一， 5 1 芝? 一 ， i 滋，惑i 。麓。：蕊赫耋碟一 华中科技大学硕士学位论文 式中，“：o ，f 。：r ，r = l 。t 。对于每个小区间n ，m 】上的阴影矩形面积近似表 示，其物理意义如图2 2 所示。图中，( f ，) 、，o 。) 分别表示对应f 、f 一点的函数值 在数学上用矩形面积表示这个积分的近似值，可写成 r ，( f ) z ( f 一r ，) 厂( f ，) ( 2 - 2 ) 由于f 。一f 。；坐7 一三r = 三，所以，式( 2 1 ) 可简化为 r f ( t ) d t = 。- - f ( t ，) ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 得到在区间 0 ，丁】上的积分均值为 r 2 ；胁) 弧去莓饨- ) ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 称为函数在区间上的复化矩形数值求积公式。 知，周期为t 的交流电流砸) ，其有效值表示为： l = 氍而t 由电路的基本理论可 ( 2 5 ) 假设采样时，在时间t 轴上等间隔地在“、，。时刻采样被测电流的瞬时值 i ( t 。) 、f “) f o 。) ，所以式( 2 5 ) 可表示为： ，= 骶 ( 2 6 ) 根据上述原理，用传感器获得采样信号后，再进行一系列变换，离散成一系列 数字信号，分时等间隔的采样并进行模数转换，然后用软件进行平方、累加和以及 开方等一系列计算，最后送显示。 2 3 测量仪的结构及功能 2 3 1 测量仪的结构 根据上述原理，本系统由信号拾取、信号转换、信号处理和信号显示等几部分 图2 - 3 仪表结构方框示意图 6 华中科技大学硕士学位论文 组成。其方框图如图2 3 所示：伸1 1 信号拾取电路采用方形磁位计作为本系统传感器。 2 信号转换电路传感器输出多为连续模拟量电信号，需要离散化处理，将 其变换成便于微机处理的数字信号。在离算变换之前尚要作其他形式的预变换，如 将电流变为电压量，适当放大及滤去噪声干扰，变成单极性信号，并为了测量周波 个数( 焊接时间) ，需通过一个整形电路。 3 信号处理电路也是本测量仪核心部分，采用高集成度的8 0 c 1 9 6 k b 单片机， 利用软件对数据进行计算和处理。 4 信号显示电路为了直观显示测量值，采用l e d 显示，并为了进行更好的 人机对话，设置6 个按键，用来操作该测量仪表。 2 3 2 测量仪的功能及测量范围 1 测量仪的测量参数和量程范围如下： ( 1 ) 焊接电流： 测量值：有效值 量程：1 k a 9 9 9 k a ( 低量程) 5 k a 4 9 9 k a ( 高量程) 精度：2 以内 ( 2 ) 通电时间：周波数 量程：1 9 9 精度：误差为零 ( 3 ) 导通角 测量值：焊接结束前一个周波导通角 量程：3 0 。1 8 0 。 精度：5 以内 ( 4 ) 显示：8 位l e d 显示 电流显示：3 位 周波显示：2 位 j 。，f、i 巍蘸漆i ；i 遴。激曩；锺塞磊 华中科技大学硕士学位论文 导通角显示：3 位 j ) 己忆功能f 1 十个电流周波的导通角、有效值。 较传统的测量仪表，本系统有两个较明显的不同之处： 除了作为整个焊接装置的控制系统，单单对于某一次或几次焊接电流的测 量，则对本测量系统的实时性要求不高，因为整个焊接过程是极为短暂的。例如板 厚1 。1 m m 的低碳钢板，其点焊规范如表2 1 。i “j j 表2 11 十1 m m 低碳钢板点焊规范 f 类掣焊接电流焊接时间电极压力 电极头端直 熔核直径拉中剪切载 | 规范 ( i a )( t s )( f 。n )径( d m m l ( d m m ) 荷( f ，n ) f 最f t 规范 8 8 0 0o1 62 2 5 06 45 36 1 0 0 ，- ，j _ = 1 l 他 7 ：0 0o3 415 0 064545 4 0 0 替通规范 5 6 0 0o6 07 5 06 4535 3 0 0 由表可见，最佳规范的焊接时间只有o 1 6 s ，即使一般的普通规范，焊接时间 也只有o6 0 s 。在这么短的时i 、日j 内，即使焊接电流实时显示出来，如果不是作为对 整个焊接过程进行监控的装置，单靠手动来调节，是不可能的。所以本测量仪表不 采用实时显示。而是在焊接过程完成之后，再对焊接电流予以显示并分析。 凶为仪表不需实时显示故必须利用存贮器对所测参数予以保存。这样， l j 以没旨我们感兴趣的脉冲和周波进行分析。例如，点焊有以下几个过程：预压， 通电加热，冷却结晶，休止。所以整个焊接过程有好几个脉冲，而选择我们需要详 细了解的脉冲进行测量并加以保存，有利于我们的分析，所以通过设旨对所测量的 姝。p 域1 1 ；1 也流 l ! | ：j 波于以选定。当丹永冲问闯隔大fo 5 s ，则下一个电流周波到来之时 算作另。个脉冲。充分利用c p u 的存贮记忆功能，设置仪表的i 己忆功能，在焊接 过程完成之后，提取焊接电流值和导通角予以分析。当测量仪的测量方式设定后， 仪表从所设旨数字的后一个脉冲或周波丌始测量，静面的予以忽略。如图2 - 4 ，当 我们设定周波数为2 时，则仪表开始从第三个电流周波开始测量，而且电流的有效 值只根据所测量的周波进行计算。这样的好处是操作人员可以对比较重要的或者比 较感兴趣的 乜流波段进行分析，而且对同焊接过程中的电流变化情况有更好的了 州返j 分埘j 冀缺陷，l 殳进“接j 艺仃比较匝要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 c y c e s1 23456 j 一i ， 幽：4周波数设置为2 的电流洲鼙示意幽 2 4 测量仪的结构设计 8 智能仪器的没汁应考虑三方面的内容：硬件选择、硬件和软件的配台以及软件 喷号i “ 1 硬件选择： i 自付选择：除考虑经济指标外，还应考虑使用集成度高、功能多、性能好的元 “f ，；斌j 、仪我的儿器件数量和硬件规模，在 定程度上可以解决仪表中诸如高频特 性、电磁兼容和可靠性等问题。而且要考虑元器件的来源和兼容性，防止因淘汰而 影蚓仪表的生产、维修、扩展和升级等。 为了提高仪表的可靠性，提高集成度，减小i 吴差，我们采用高集成度的芯片， 8 0 ( j 9 6 k bf 为夺测量故表的核一2 ，部件( j 芋绌内容见33 芏也路j 。、j 然，在仪表 门艘i 1 ，外g - 没备占有很大比重。单片机矧j 分通过输入、输出通遁，经测量元件 、u 执 j 器直谖连t 被测或被控对象；还通过各种接u 与键盘、显示器和打印机等相 琏。| 丕此，输入输出通道和人机接口电路等外部设备的设计也是研制仪表硬件的主 。炭i i i = ，膻力水u j 靠实削c 住设计l = ，我们反复参考多种设计方j 案，选择最适合的 一。器( i t 见筑摹1 。【9 i 二馊1 u 年u 软件配合： 多硝硬件u r 以提高仪器的工作速度，减轻软件负担，但结构复杂，而软件刚好 日反r 山于采用了单片机，以软件代替硬件可以使仪器的结构简化、功能增强、体 i 遴螽曩b 。滏潮磊，囊：是、腻 华中科技大学硕士学位论文 积缩小、功耗减小、成本降低及可靠性增加，还可以在仪表的设计之初预先留出部 分稗序窄问待试用一段时间后再根据用户要求进行调整和修改，而且修改软件比 修改硬件要容易得多，因此在仪器设计中，尽量多采用软件是优先考虑的问题。当 然，由于新的高性能器件不断涌现而价格下降，速度加快，软件和硬件往往是可以 互换的。但既然采用微处理器，就该在工作速度允许的条件下，尽量发挥软件的作 用。并且本测量系统对速度的要求不是很高，所以多采用软件，而硬件电路相对比 较简单。 3 软件质量： 智能仪表与其他模拟电路和数字电路的最大区别就在于它是在软件指挥下工 作的，软件是智能仪表的“灵魂”，硬件功能只有在软件的协调控制下才能充分发 挥作用，因此软件的质量非常重要。 本测量系统的软件按照用途可以分成监控软件、测控软件和辅助软件等。 监控软件主要功能为： 1 ) 仪表硬件和软件的初始化。如中断的管理、定时器的应用、仪表的自我诊断 和故障处理。 2 ) 基本输入和输出的管理和实现。如键盘和显示的管理和服务等。 3 ) 仪表内部的组态。如仪表各通道的仪表系数和滤波器类型的选择，控制模块 类型的选择、参数的设置等。 4 ) 仪表的任务调度。如a d 转换采用频率的设置，控制周期的选择等。 测控软件实现仪表具体的测量和控制功能，包括各输入通道的数据采集模块和 数值处理模块，控制量的输出。本系统中主要是采样、计算和送显示。 辅助软件主要是浮点数的辅助软件。 为j 碰j j 二编： j | j 的概念清晰和便r 维护，奉系统采用模块化编程。将软件分成具 f r 独a ，。i 1 的模块，每个模块的入口参数和出e l 参数具有准确的定义，完成单的功 能。这样，即使对某一模块进行修改也不会对其他模块产生影响。 单片机8 0 c 1 9 6 k b ，可以获得高级编程语言的支持，当然，采用高级语言可以 降低编程成本和缩短产品开发周期，但是，只有采用汇编语言j 能获得最优化的、 效率最t 岛的软件。本系统采用汇编语言+ 编写。“” 华中科技大学硕士学位论文 3 硬件电路设计 根据前述的电流数学表达式，电阻焊参数测量仪的硬件方框图如图3 1 。传感 器产生的感应信号送入积分电路，将f 比于焊接电流的微分信号还原成与焊接电流 成l i 二比的信号，经积分还原后送入自动量程切换电路进行放大，以满足不同幅值的 焊接电流放大要求，然后送入绝对值电路将双极性信号变成单极性信号，再路经 a d 转换器送入c p u ，计算电流有效值；另一路经整形后送入c p u 高速输入端口， c p u 据此计算焊接电流周波数和波形宽度( 即工频电阻焊机晶闸管的导通角) 。 节曼即! 兰h 删h 整形1 3 1 传感器 检测与控制系统的技术关键之一是信扈、感知问题。传感器是信息感知、获取的 基本器件。为了测量电流有效值，应首先获得电流瞬时值的信号，也就是要通过仪 器的最前端的部分即信号拾取电路。通常对焊接电流的取样有分流器法、霍尔效 府洼和环形线圈注。 i 分流器法： 分流器法是将电阻串联连接在电路中，通过它可以扩大电流表的测量范围，根 掘标准分流器额定电压降和额定电流值的固定关系，求出焊接电流表测量得到的电 。- _ 。 _ _ _ _ 。? 。_ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 ，啦 i 鑫囊象m 蕊，滋磊 华中科技大学硕士学位论文 流的大小，进而得到电流实际值。但是采用分流器法耗材、耗电并且增大体积，而 且分流器通常放在电路初级一侧，与被测电路有电的直接联系，与主电路阃有相互 影响，误差较大。 2 霍尔效应法5 川6 1 霍尔传感器的基本原理是利用载流半导体在磁场中产生霍尔电势u 。来测量电 流的。 1 u h = r h ，b s i n a ( 3 1 ) 。= 二( 女。为霍尔系数) p 1 1 ：单位体移 电子数 e ：单位电子电荷量 i ：载流体中的激励电流 b ：磁场的磁感应强度 d ：霍尔片厚度 o ：，和b 之1 日j 的夹角 霍尔器件用于测量焊接电流时，在实 际应用中会产生多方面误差，包括零位误 a 导线居中b 导线偏旁 图3 2 用霍尔传感器测电 ，自，j - 血流 u 铅误差，感应零位电势误差和臼激磁场零位电势误差，更主要的是 ”r 外界干扰引起的误差和温度引起的误差。在焊接车间，各带电体在其周围形成 各自的磁场，凶而不仅被测电流所形成的磁力线穿过霍尔片，而且其他电流的磁力 线也穿过该霍尔片。即使排除外界干扰，由于被测带电导体在霍尔传感器中的位置 不同，也将测得不同的值。如图3 2 霍尔传感器在a 和b 两种不同的位置，所测 的电流值也不相同，a 所测量电流大。 霍尔传感器另外个主要的误差是由于温度变化引起的，霍尔传感器的霍尔系 1 数。一1 p ，半导体材料的电阻率p 和迁移率u 都是温度的函数，且温度 朋已 系数都f 【 人，p 、j 1 1 l j 温度的影响将造成温度洪差。为了在温度变化的悄况卜保持霍尔 i u 坍4 ；7 竖，除选川温度系数小的材料外，还得采用适当的补偿电路，这势必增加电 1 2 酝 。l 。盔。 华中科技大学硕士学位论文 路的复杂性和仪表的成本。 3 环形线圈法1 7 1 环形线圈法取得电流信号值的测量原理如下： 传感器通常是个环形空心线圈，即罗柯夫斯基磁带。测量电流时必须将传感 器套在焊接回路的导体上。当焊接电流流过时，线圈上产生的感应电势就是焊接电 流的微分形式。传感器的作用原理基于全电流定律。该定律是：在均匀磁性介质中， 沿闭合回路的磁场强度的线积分等于围绕该电路的电流之和，即 4 h d l = i ( 3 2 ) 式中h 一磁场强度： l 一回路长度： i 一导体内流过的焊接电流。 在空气中，磁感应强度b = 2 。h ，则式3 2 变为 q b 刎= z o i( 3 - 3 ) 如粜认为线匝的截面积s 的数值很小，则可假设线匝截面积范围内的磁感应强 度为恒值，因而在长度为无限小的回路d l 内，线匝的磁链为 却：孚扯w _ s b c 。s 口d l ( 3 - 4 ) 芑中矽一切割一个线匝的磁通： b c o s a 一磁感应强度矢量在线匝平面法线上的分量； w 一线圈的线匝数； l 一线圈回路的长度； s 一线圈单线匝的横截面积。 通过线幽全部线匝的磁链为 = 孚s 扣c o s “甜= 学跗 ( 3 - 5 ) 传感器所产生的感应电势等于磁链的变化率，即 鲁= - , u o s 孚罢 s ， 馥fd t ? 式中一p i , s 项是传感器本身几何尺寸固有参数，所以有p 虻_ a l 。即传感器输出宅 l 豢基蕊。e 。麓漱；懿蠢箍 华中科技大学硕士学位论文 压值f 比于被测电流值。 为了满足假定条件，我们用一种特殊的材料和特殊的工艺绕制一空芯线圈，包 围被测载流体，沿闭合轮廓l 的线圈截面a 相等，且相对于载流体导体而言它很 小。为了提高测量精度，把磁位计做成方形，因为环形柔软磁位计很难满足截面均 匀和线匝绕制均匀的条件。用绕线机绕制，保证了单位长度线匝密度沿闭合轮廓相 等。 在测量交流电流时，先把线圈套在焊接回路上，不需移动就可以测量出焊接电 流。 片j 磁位计束测量电流有以下几个明显的优点： 1 抗外磁场能力特别强： 2 测量准确度高： 3 可用于测量交直流大电流： 4 使h j 方便，可在多种场合使用。 同时住绕制嵫伉计时需特别注意的几个问题： l 磁位计截面要小； 2 磁位计的必须均匀绕制； 3 为了消除外界杂散电磁场的影响，磁位计应绕成偶数层。 3 2 信号前期转换处理电路 传感器输出的模拟信号，需要进行一系列形式的变换，才能进行离散化处理。 本系统的前期处理电路主要有积分变换、放大、整流和整形电路。 3 2 1 积分电路 该电路由运算放大器，电容器和电阻等元件组成，其电路如图3 - 3 ( b ) 所示。 由于一般的r c 积分电路精度较低，在这里采用了积分放大器，其输入阻抗和 r - 。起作为传感器的负载电阻。为了克服这个电子线路的零点漂移问题，还在积分 电容两端并联了r 3 电阻。这种积分器的精度虽不很高，但已能满足设计和使用要 华中科技大学硕士学位论文 求。 积分电路的作用有两个：” 1 将环形线圈传感器微分了的焊接电流给予还原。因为环形线圈传感器的感 应电动势与焊接回路电流的变化率成比例( 参见式3 - 6 ) ，为了形成与焊接电流成正 比的信号，传感器输出的电压必须经过积分，以完成传递电信号的函数转变。 2 起到滤波作用。测量仪表的工作环境是充满了各种干扰的工业现场，例如 焊接车间，外界对传感器的干扰，前面已经做过分析。但传输测量信号的导线也容 易引起干扰，在测量现场，由于电磁的影响，串模干扰特别大。干扰源通过电磁和 静电耦合在信号线上的感应电压数值是相当可观的，例如，一路电线与信号线平行 敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压都可达到毫伏级，然而来自传感 器的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。而且空间电磁场通过 电磁波辐射窜入仪器，以及电源的影响等等，都会给测量带来误差。这些必须通过 屏蔽、滤波或电路元器件的合理分布，通过电源线和地线的合理连接，引线的正确 止向等措施加以减弱或消除。 通常在采集子系统的前端，需要进行硬件滤波。其作用有三：其一是为了在信 号放大之前，预先抑制部分信噪干扰，以免和信号一起放大，可以有效的提高信噪 比；其一是压缩频带，限制到小于0 - z 2 的范围内，以免引起频率折叠的“假象信 号”。i 是有用信号中所含噪声电平很高，若不进行抑制，用高增益放大器接收这 样的信号时，会导致放大器饱和，使仪器不能j 下常工作。所以滤波器应该置于放大 器之前， 滤波器分为低通滤波，高通滤波和带通滤波，根据现场情况，串模干扰频率比 被测焊接电流信号的频率高，所以采用低通滤波。常用低通滤波器有r c 滤波器、 l c 滤波器、双t 滤波器及有源滤波器等，l c 滤波器的串模抑制比较高，但需要绕 制电感线圈、体积大、成本高；双t 滤波器主要滤除工频干扰，对高频无能为力， 且调整比较麻烦：r c 滤波器的结构简单，成本低，也不需要调整，但串模抑制比 不高。而有源滤波叮以获得较理想的频率特性。而本系统中的积分电路就是一个有 源滤波器，所以取到很好的滤波作用。 巧蕊巍囊熬辨 华中科技大学硕士学位论文 积分电路的输出与输入的关系是： 其中 = 丢瞥= 盖挚= 盖， ， u i ：传感器输出电压： m ：传感器传感系数。 u ：m d i 。 出 这是理想情况下的输出，一般来说，积分器都不是理想的。如开环放大倍数和 开环输入电阻不为无穷大，积分器电容c 存在漏电阻，另外运算放大器还受失调参 量的影响，会引起相应的附加输出。由于开环放大倍数和输入电阻不为无穷大及漏 电阻引起的误差均与积分时间有关，对于瞬时值的测量，时间比较短，误差比较小， 但仍要选择高放大倍数，高输入阻抗及高质量的电容。1 2 0 1 c a 图3 3积分电路 图3 - 3 ( a ) 是积分器原理图，而图( b ) 是实际应用的积分器，也称一阶惯性积分 环节。图( a ) 中，由于运算放大器的输入失调电压、输入失调电流j 。及平均输 入基流，。都在积分器运算中起作用，这是重要的误差因素。所以选用平衡电阻马= 墨 华中科技大学硕士学位论文 消除，、的影响。为了有效抑制积分漂移 采用低噪声、低温漂、低输入失调电压、 放。对陔运放的详细介绍见下一节。【2 1 3 2 2 量程变换电路 还需在电容两端并联大电阻r 、，本设计 高速的运算放大器o p 0 7 作为积分器的运 传感器的输出信号是很小的，输出的电压信号一般为, u v 级或m v 级，经过积分 器后，被测信号又减弱了很多。这么小的信号经过绝对值变换后，很难满足a d 转 换要求。所以为了后续电路的需要，特设置放大电路对信号进行放大。 随着电于技术的发展，目前放大电路一般都采用运算放大器，它是由集成电路 组成的模拟电子器件，理想的运算放大器具有如下低频性质：【2 2 】【2 3 】 1 玎环电压增益无穷大； 2 输入阻抗无穷大： 3 、输出阻抗等于零： 4 j 1 期、带宽无穷大； 5 f j 扰噪声等于零。 当然，实际的运算放大器，不可能有这样的理想特性，但如果把无穷大当作“很 久”，把“0 ”当作“很小”，就与实际的运算放大器很接近了，例如实际运放的丌 虾增益口丁达1 0 4 1 0 6 倍，就可以当作“无穷大”来处理。 放大器的种类很多，仪用放大器专门用于高精度的数据采集场合，隔离放大器 j 女有良好的抗干扰能力：可编程放大器可通过程序调整放大倍数，实现量程自动调 楚。这几种放人器由于是专用放大器，因而价格昂贵。通用运算放大器结构简单， 价格使。d ，腼儿能满足要求。所以我们选用o p 0 7 作为硬件电路的主要运放，本系 统中所有运算放大器均选用o p 0 7 。 o p 0 7 的低频技术性质比较接近理想运算放大器，它具有高精度、低漂移特性 ( 其温漂系数为o 2 i jv c ) ，有较高的共模输入电压范围( 1 4 v ) 和共模抑制比 ( 】2 6 d b ) ，f 乜压凋节范围为3 18 v 。 经过传感器采样得到的信号，经过积分和放大所得到的信号，在送到a d 转 i7 、l 滋氛嚣。；蓬；盎京。蓬惑是，； 华中科技大学硕士学位论文 换之前，应使被转换量落在a d 转换线性特性范围之内，并应尽可能地利用l 2 满 度到满度的区域进行转换。焊接电流范围极大：从几千安培到几万安培，甚至十几 万安培以上。这么大的变化范围，为了保证测量精度的一致性，所以用软件来控制 改变放大器的增益，系统根据未知参数量值的范围，自动地选择合适的增益，对幅 值小的信号采用大增益，对幅值大的信号采用小增益，使a d 转换器信号满量程 达到均一化。与常规仪器相比，用软件控制量程转换有如下优点：元件少、可靠性 高、转换速度快，更方便灵活。在运放的反馈回路中，并联一组阻值不同的电阻， 通过连接不同的电阻就可以实现增益的自动转换。把多路开关和运放结合起来即组 成增益可以改变的放大电路，见图3 4 ：1 2 4 1 h 3 2 3 绝对值电路 图3 - 4 自动量程切换电路 制信号 绝对值电路是将多路开关输出的双极性电流变成单极性电流，以适应 8 0 c 1 9 6 k b 单片机a d 输入为单极性的要求。线路设计见图3 - 5 ：采用一对o p 0 7 放大器，一个反相输入，一个同相输入。调节反馈电阻r 1 5 、r 1 2 的阻值，可改变 精密整流放大器的放大倍数。同相输入和反相输入的放大倍数分别为： 同相输入 彳叮= 1 + 气 反相输入 伽r 。 华中科技大学硕士学位论文 当输入信号为正时，o p 0 7 ( 1 ) 的6 脚输出为负，d l 两端加上正电压而导通 r 。0 ，d 2 两端加上反相电压而截止；相反，o p 0 7 ( 2 ) 的6 脚输出为正电平，d 4 加上正向电压而导通，d 3 截止，输出为正电压。 当输入信号为负时，o p 0 7 ( 2 ) 的6 脚输出为负，d 3 导通，d 4 截止，o p 0 7 ( 1 ) 的6 脚输出为高电平，d l 截止，d 2 导通，输出为正电压。输出信号波形与输入信 号波形见图中所示。【2 5 】【2 6 】 厂、八厂 l l ， 图3 - 5 绝对值电路及输入输出波形 3 2 4 整形电路 为了测量焊接时间，需要测量焊接电流周波数。在电阻焊中，通过测量脉冲的 周波数来监控焊接时间，对焊接质量的控制也起到很大的作用，所以在此仪表中附 加周波数的测量，比较方便且实用。 因为焊接电流为非正弦脉冲电流，要对周波数进行记录，首先要对信号整形。 将绝对值电路输出的正弦波经过整形变换成方波，再送入c p u 的h s i 端口。整形 电路有很多种，如施密特整形电路，过零比较器等。但旋密特整形电路对正负 1 9 鑫囊鋈谶i 溶蕊越潞，鑫惑糍歌卜j 。 华中科技天学硕士学位论文 触发电压的幅度有要求的，所以用过零比较器比较方便。 过零比较器选用t l 0 6 2 ，其技术参数下：输入煳 3 m v ，温度漂移1 0 1 a v c t 偏置电流3 0 p a ；增益带宽积g b = i m h z ，转换速率3 5 w p s ；噪声 4 2 v 4 h z ( 1 k h z ) ；消耗电流4 0 0 p a ，1 缈电源，差分电压3 0 v ：输入电压l 功耗6 8 0 m w 1 2 5 采用t l 0 6 2 的过零比较线路如图3 6 。 t v 0 坦以圭 图3 - 6 接形电路与输入输出信号 当同相端输入为大于o m v 的正电平时输出为高电平，否则为低电平。其目的 是把整流后的信号变为方波信号，输入信号与输出信号波形如图示。 3 3 主电路 本测量系统主要用于焊接电流测量，并拟以此为基础开发一套用于整个焊接过 程的测控系统。所以本系统要求比较高的c p u 性能和较强的数据运算处理能力， 以及丰富的外设接口( 备用) 。用p c 微机或3 2 位微机又有些不便，成本太高，不利 于发展成为最终实用的产品。所以采用单片微型计算机作为本系统核心芯片。 现在应用非常普遍的有8 位单片机m c s 5 1 系列和1 6 位单片机m c s 9 6 系列。 m c s 一5 1 系列是目前8 位单片机的主流机型，数量约占