段晚晴，陳 東，黃 京，戴 偉，李立雄

1.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院（華南國家計(jì)量測(cè)試中心），廣東 廣州 510405 2.廣州市格寧電氣有限公司，廣東 廣州 510520

0 引言

焊接工藝技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)領(lǐng)域，焊接主要參數(shù)如電流、電壓、波峰數(shù)、時(shí)間的把控對(duì)焊接過程及焊接質(zhì)量的控制非常重要。市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)的各種焊接監(jiān)測(cè)儀，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的焊接監(jiān)測(cè)工作。焊接監(jiān)測(cè)儀的主要部件是羅柯夫斯基線圈，其準(zhǔn)確度是保證焊接工藝質(zhì)量的前提，一般需要使用以等安匝線圈為主要部件的校準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，但現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足[1]。

首先，現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法是在電流接通后，手動(dòng)短接開關(guān)將等安匝線圈短接使其失去電流，得到短時(shí)輸出電流信號(hào)，然而這種方式不能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接波峰數(shù)、焊接持續(xù)時(shí)間的校準(zhǔn)[2-3]。

其次，為了獲得大安匝比的輸出，等安匝線圈要求有很大的匝數(shù)。匝數(shù)越大，交流阻抗就越大，需要較高的交流輸出電壓才能獲得設(shè)計(jì)的電流值，而目前現(xiàn)有儀表類設(shè)備專用信號(hào)功率放大器無法滿足使用要求。

最后，等安匝線圈的交直流阻抗存在差距，匝數(shù)越大差距越大，而且由于采樣技術(shù)的原因，使用互感方式采樣需要配置交、直流兩套采樣電路[4]。現(xiàn)在，交、直流信號(hào)需要分別使用兩套裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，市面上尚未有準(zhǔn)確的一體化焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)一臺(tái)焊接監(jiān)測(cè)儀，往往需要多個(gè)工序、多次實(shí)驗(yàn)，時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低。

1 焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

為了解決上述問題，同時(shí)提升校準(zhǔn)焊接監(jiān)測(cè)儀的效率，需要一種能夠快速輸出焊接電壓、焊接電流、焊接波峰數(shù)、焊接持續(xù)時(shí)間等標(biāo)準(zhǔn)模型信號(hào)的焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置。所設(shè)計(jì)的焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置包括VFD鍵盤、程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、交直流電壓功率放大模塊、直流電流功率放大模塊、BTL（橋接）交流電流功率放大模塊、空心線圈（作為等安匝線圈）、交直流電流互感器，可對(duì)焊接監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 焊接檢測(cè)儀校準(zhǔn)裝置原理示意圖

圖1中，VFD鍵盤的輸出端與程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源連接，程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的輸出端與交直流電壓功率放大模塊的信號(hào)輸入端連接，交直流電壓功率放大器的輸出端不僅與焊接監(jiān)測(cè)儀連接，還與自身的反饋輸入端連接；直流電流功率放大器的信號(hào)輸入端通過開關(guān)S1與程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的輸出端連接，輸出端通過開關(guān)S3與空心線圈連接；BTL交流電流功率放大器的信號(hào)輸入端通過開關(guān)S2與程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的輸出端連接，輸出端通過開關(guān)S4與空心線圈連接；交直電流互感器用于對(duì)空心線圈進(jìn)行檢測(cè)，互感器的輸出端通過切換開關(guān)S5連接到直流電流功率放大器和BTL交流電流功率放大器的反饋信號(hào)輸入端。

其中，VFD鍵盤用于提供人機(jī)交互途徑，通過數(shù)字鍵盤快速輸入設(shè)定參數(shù)，并自動(dòng)傳輸?shù)匠炭貥?biāo)準(zhǔn)電壓源，替代了人手調(diào)節(jié)調(diào)壓器的落后操作方式；焊接監(jiān)測(cè)儀連接有羅柯夫斯基線圈。切換開關(guān)S5為單刀雙擲開關(guān)，其定端與交直電流互感器的輸出端連接，一個(gè)動(dòng)端與直流電流功率放大器的反饋信號(hào)輸入端連接，另一個(gè)動(dòng)端與BTL交流電流功率放大器的反饋信號(hào)輸入端連接。

如圖2所示，程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源包括ARM微控制處理器、CPLD芯片、電壓DAC模塊、電流DAC模塊和高精度溫補(bǔ)晶振。高精度溫補(bǔ)晶振的輸出端分別與ARM微控制處理器和CPLD芯片連接，用于為ARM微控制處理器和CPLD芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。ARM微控制處理器的輸入端與VFD鍵盤連接，ARM微控制處理器的輸出端通過CPLD芯片分別與電壓DAC模塊和電流DAC模塊連接，電壓DAC模塊的輸出端與交直流電壓功率放大器連接，電流DAC模塊的輸出端分別與圖1中的開關(guān)S1和開關(guān)S2連接。

圖2 程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源原理示意圖

程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源用于產(chǎn)生50 Hz低失真度周期正弦信號(hào)或直流脈沖方波信號(hào)，使用高精度帶溫度補(bǔ)償?shù)木д翊_保時(shí)間的準(zhǔn)確度，其中電壓DAC模塊用于進(jìn)行電壓信號(hào)的DA轉(zhuǎn)換，電流DAC模塊用于進(jìn)行電流信號(hào)的DA轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，交直流電壓功率放大模塊用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源送來的交流周期電壓信號(hào)或直流脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，再將放大后的電壓、電流信號(hào)同步送至焊接監(jiān)測(cè)儀，提供電壓參考信號(hào)。電壓輸出信號(hào)經(jīng)精密電阻反饋至PID輸入端與標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，并進(jìn)行自動(dòng)修正。

圖3 交直電壓功率放大模塊的原理示意圖

直流電流功率放大模塊包括直流電流PID調(diào)節(jié)電路和直流電流功率放大器。放大模塊用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源送來的直流脈沖電流信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后將放大后的電流、電壓信號(hào)同步送至空心線圈，由焊接監(jiān)測(cè)儀通過羅柯夫斯基線圈監(jiān)測(cè)獲取直流電流信號(hào)并進(jìn)行數(shù)值顯示。流經(jīng)空心線圈的電流輸出信號(hào)經(jīng)交直流電流互感器采樣反饋信號(hào)送至PID輸入端與標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，并進(jìn)行自動(dòng)修正。

BTL交流電流功率放大模塊如圖4所示。先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源送來的交流周期信號(hào)進(jìn)行正向及反向變換，獲得幅值相同、相位相反的信號(hào)分別送入正、反向功率放大器進(jìn)行功率放大，然后將放大后的電流、電壓信號(hào)分別同步送至空心線圈高端、低端，由焊接監(jiān)測(cè)儀通過羅柯夫斯基線圈監(jiān)測(cè)獲取交流電流信號(hào)并進(jìn)行數(shù)值顯示。該電路形成BTL功率放大驅(qū)動(dòng)電路，獲得低電壓供電、高電壓輸出的效果，解決了現(xiàn)有功率放大器無法滿足的高電壓輸出問題。流經(jīng)空心線圈的電流輸出信號(hào)經(jīng)精密交直流電流互感器采樣，反饋信號(hào)送至PID輸入端與標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，并進(jìn)行自動(dòng)修正。BTL交流電流功率放大模塊包括交流電流PID調(diào)節(jié)電路，電平變換電路，正、反向功率放大器，iH端口和iL端口。其中，電平變換電路包括正、反向變換電路；交流電流PID調(diào)節(jié)電路的輸入端通過開關(guān)S2與程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源連接，交流電流PID調(diào)節(jié)電路的反饋輸入端與切換開關(guān)S5的一個(gè)動(dòng)端連接；交流電流PID調(diào)節(jié)電路的輸出端分別與正、反向變換電路連接，正向變換電路的輸出端通過正向功率放大器與iH端口連接，反向變換電路的輸出端通過反向功率放大器與iL端口連接。

圖4 BTL交流電流功率放大模塊的原理示意圖

如圖5所示，電平變換電路由輸入電阻R1～R5、運(yùn)算放大器、檢測(cè)電路、自動(dòng)增益控制AGC電路等組成。輸入信號(hào)輸送至變換電路進(jìn)行正、反向變換，得到正、反向變換運(yùn)算放大器和正、反向功率放大器的輸出信號(hào)，通過信號(hào)檢測(cè)電路分別取樣；通過比較放大電路，自動(dòng)AGC控制電路進(jìn)行反饋補(bǔ)償，確保兩路信號(hào)經(jīng)過帶載后仍然能抵消負(fù)載影響，保證兩路信號(hào)幅值相同、相位相反；將獲得的信號(hào)分別送入正、反向功率放大器進(jìn)行功率放大。該電路是確保BTL電路平衡輸出的關(guān)鍵。

圖5 電平變換電路的原理示意圖

開關(guān)S4包括2個(gè)同步開啟和關(guān)閉的子開關(guān)，iH端口通過其中一個(gè)子開關(guān)與空心線圈的一端連接，iL端口通過另一個(gè)子開關(guān)與空心線圈的另一端連接。

使用最新電流采樣技術(shù)的交直流電流互感器，能用一套電流互感器實(shí)現(xiàn)交流、直流采樣，解決了交直流多個(gè)工序多次分別進(jìn)行檢測(cè)的問題和直流采樣電阻發(fā)熱引入的溫漂導(dǎo)致電參量改變的問題，提高了工作效率，降低了制造成本。

采用多匝空心線圈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小電流獲得大安匝比的輸出效果。根據(jù)安匝公式N·I，同樣的安匝要求，N越大I就越小。較小的電流對(duì)功率放大器的工作要求相對(duì)不高，提升了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2 焊接監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)方法

上述焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置研制成功后，可使用其對(duì)焊接監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)如下。

（1）用戶通過VFD鍵盤設(shè)定需要輸出測(cè)量的電壓、電流、相位、周期或時(shí)間參數(shù)，傳送至程控標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

（2）程控標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)及電流信號(hào)。

（3）電壓信號(hào)送入交直流電壓功率放大器電路的PID調(diào)節(jié)電路；PID調(diào)節(jié)電路將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分處理后輸送至交直流電壓功率放大器，放大器將弱信號(hào)放大后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)送至焊接監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)儀獲取電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)值顯示。

（4）直流電流信號(hào)送入直流電流功率放大器電路的PID調(diào)節(jié)電路；PID調(diào)節(jié)電路將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電流反饋信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分處理后輸送至直流電流功率放大器；放大器將弱信號(hào)放大后的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送至空心線圈，由焊接監(jiān)測(cè)儀通過羅柯夫斯基線圈監(jiān)測(cè)，獲取直流電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)值顯示。

（5）交流電流信號(hào)送入交流電流功率放大器電路的PID調(diào)節(jié)電路；PID調(diào)節(jié)電路將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電流反饋信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分處理后輸送至BTL交流電流功率放大模塊，BTL中的電平變換電路首先將信號(hào)進(jìn)行正向放大，同時(shí)變換出一個(gè)幅值相同、方向相反的負(fù)向信號(hào)；將這2個(gè)信號(hào)分別送入正、反向功率放大器進(jìn)行功率放大，然后將正、反向功率放大后的電流信號(hào)與電壓信號(hào)分別同步送至空心線圈高端、低端，焊接監(jiān)測(cè)儀通過羅柯夫斯基線圈監(jiān)測(cè)，獲得設(shè)定輸出的交流電流信號(hào)并進(jìn)行數(shù)值顯示。

（6）記錄焊接監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的電壓幅值、電流幅值和周期數(shù)，與用戶通過VFD鍵盤設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，完成焊接監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方式如下：

電壓測(cè)量誤差=［（實(shí)測(cè)值-設(shè)定值）÷設(shè)定值］+修正值

電流測(cè)量誤差=［（實(shí)測(cè)值-設(shè)定值）÷設(shè)定值］+修正值

周期數(shù)測(cè)量誤差=（實(shí)測(cè)值-設(shè)定值）÷設(shè)定值

其中，實(shí)測(cè)值為焊接監(jiān)測(cè)儀實(shí)際測(cè)量的電參量值；設(shè)定值為用戶通過VFD鍵盤設(shè)定需要輸出的電參量值；修正值為系統(tǒng)溯源校準(zhǔn)后的誤差修正值，用于補(bǔ)償校準(zhǔn)裝置自身的誤差信息。該修正值是預(yù)先測(cè)定的，可作為已知量看待，在一定情況下可直接忽略。

3 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了一種焊接監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)裝置，并給出了使用該裝置對(duì)焊接監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，力求改善校準(zhǔn)工作效率，具有如下優(yōu)勢(shì)和意義：（1）該裝置能夠快速準(zhǔn)確校準(zhǔn)焊接監(jiān)測(cè)儀的電壓、電流、波峰數(shù)、時(shí)間等參數(shù)；（2）交直流功率放大器一體化設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)功率源技術(shù)的引入，能夠快速準(zhǔn)確測(cè)量焊接監(jiān)測(cè)儀主要參數(shù)，提升校準(zhǔn)工作效率；（3）該裝置采用數(shù)字信號(hào)源控制應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確輸出正弦信號(hào)的周期數(shù)，確保了對(duì)波峰數(shù)及時(shí)間的校準(zhǔn)；（4）該裝置采用BTL功率放大器應(yīng)用技術(shù)，獲得了低電壓供電、高電壓輸出的效果；正負(fù)半周同時(shí)放大，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電源同時(shí)輸出，提升了電源利用效率。