CN102680770A - 一种电弧电流密度的差分测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧电流密度的差分测量方法及装置，以电弧在电流传感器上进行周期性扫描，电流传感器上装有上接收铜板，在上接收铜板中心加工细缝，每次扫描过程当中电弧的扫描方向均与细缝方向平行，透过细缝的电流信号由电流传感器接收并导出，用于采集和存储。本发明采取细缝代替原有分裂阳极法中并列的两个阳极，从而在扫描方向上提高了测量精度，有效防止了电弧在两个阳极之间移动过程中出现的漏检及突变等缺陷，本发明不需要对电弧斑点的形状进行假设，从而解决了电弧斑点静态动态尺寸差异性的问题，可以准确的测量非圆形电弧电流密度分布。

Description

一种电弧电流密度的差分测量方法及装置

技术领域

本发明属于电弧加工技术领域，特别是一种电弧电流密度的差分测量方法及装置，适用于对电弧电流密度定量分析。

技术背景

电弧热源和等离子弧热源是目前常用的焊接热源，在焊接工程中广泛应用，其电弧的加热以及加热过程的现象与电弧的能量密度分布密切相关，电弧能量直接影响其与材料的作用效果。

目前国内外所采用的主要方法有探针法，烧蚀法，分裂阳极法。

烧蚀法是依靠电弧在材料上烧蚀后，依靠电弧在材料上烧蚀出的痕迹来分析电弧能量密度。该方法在使用过程中对经验要求较高，实验结果随实验者的不同而变化，所得结果误差较大，一般用于粗略估计。

探针法则要求探头在电弧中运动，测量从探头传递回来的信号，通过数学模型，得到电弧电流密度的分布，从而进一步得到电弧的能量密度。但这种方法对材料耐高温能力要求很高，因此在大电流的测量过程当中，过高热量使得探头在运动过程中形状发生改变且无法检测，所建立数学模型与现实偏差较大，所得结论可靠性较低。同时材料本身在电弧当中带来了杂质，对测量数据带来影响，造成较大误差。

目前较为流行的测量方法为分裂阳极法。北京工业大学陈树君在其专利电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置及方法（申请号201110086928.2）中，提出一种对分裂阳极法的改进方案，该方法以相互绝缘的两个并联阳极为电弧的阳极，在测量过程中，电弧首先在其中一块阳极上引弧产生，随后沿垂直于该阳极方向向另外一块阳极运动。检测其中一块阳极板上的电流值大小，即可得该阳极板上电弧的电流值，从而实现对电弧电流密度的检测。这种方法虽然可有效检测出电流值大小，但其累积误差较大。该方法在后期处理模型中，以电弧截面为圆形进行数据重构，没有考虑电弧在运行过程中由于电弧惯性所带来的电弧截面尺寸的变化，同时，使用该种方法在电弧垂直于阳极板运行的过程中，会出现电弧突然转移到另一阳极板的现象，从而出现跳变，不能精确反映电弧与材料接触截面处的能量分布。同时由于其运动过程中绝缘层的影响，因而会出现漏检的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中漏检及跳变的问题，提供一种电弧电流密度分布的微分测试方法和装置，从而提高对电弧电流密度测量的精度。

为实现以上目的，本发明提供了一种测量电弧电流密度分布的装置，本装置包括工作台、固定在工作台上的竖直滑动槽、固定在竖直滑动槽上的第一电机、设置在竖直滑动槽上的第一丝杠、设置在第一丝杆上的第一滑动块、设置在第一滑动块上的焊枪夹持件、垂直设置在焊枪夹持件上的TIG焊枪，固定在测量平台上的水平滑动槽、设置在水平滑动槽上的运动辅助块、设置在水平滑动槽上的第二丝杠、装配在第二丝杠上的第二电机、固定在运动辅助块上的电流传感器，所述的电流传感器垂直设置在TIG焊枪下方，通过数据传输线将电流传感器，宇波模块和计算机处理系统相连接。其中，第一滑动块在第一丝杠的带动下，垂直于竖直滑动槽做水平进动；运动辅助块在第二丝杠的带动下，沿着水平滑动槽做水平方向的滑动。

所述的电流传感器包括外壳、上接收铜板、下接收铜板，上接收铜板和下接收铜板均由紫铜制成。所述外壳内部为空腔，空腔内底部设置下接收铜板，顶部设置上接收铜板，上接收铜板中心开一细缝；在外壳底部四角设置调节螺丝，左侧设置；所述的细缝宽度为0.5-1mm，所述上接收铜板和下接收铜板的厚度为0.5-1mm。所述外壳为铝制，内壁喷涂陶瓷。

基于上述装置，本发明的电弧电流密度的差分测量方法以电弧在电流传感器上进行周期性扫描，电流传感器上装有上接收铜板，在上接收铜板中心加工细缝，每次扫描过程当中电弧的扫描方向均与细缝方向平行，透过细缝的电流信号由电流传感器接收并导出，用于采集和存储。

以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下：

(1)第二电机带动第二丝杠，使得电弧沿细缝长度方向对其扫描，当电弧在扫描过程当中经过细缝时，电弧中的部分带点粒子会经由细缝进入电流传感器被电流传感器吸收，经由传输电路导入计算机处理系统，所得数据为x₁,x₂,x₃,x₄,……x_n，此为有效信号，用于数据处理；

(2)当电弧完成正程扫描时，由第一丝杠带动电弧完成垂直于细缝方向移动一个步进量，然后进行回程扫描，回程扫描中，电弧中部分带点粒子会经由细缝进入电流传感器被电流传感器吸收，由于电弧反向偏摆，因此该组数据为无效数据，不予以采用；

(3)完成（2）后沿原路径做一次正程扫描，为第二组有效信号，用于数据处理；

(4)由于第一电机1通过第二丝杠带动工作台沿一维方向移动，传动误差可忽略，近似认为为平稳传动，故而电弧由于电流传感器运动带来的偏摆在稳定后保持不变，设细缝的宽度为△y，在正程扫描过程当中所得数据分别分x₁ x₂ x₃……x_n，则每组数据中所采集到的电流密度为f_i(x,y)=（x_i—x_i-1）/△y，由于细缝宽度过小，因而忽略其大小，近似得到f(x,y)=（x_i—x_i-1），得出图形即为电弧电流密度分布曲线；

(5)重复（1）（2）（3）n次，即得到整个电弧在工作面上运动条件下的电流密度。

本发明具有的优点及效果：（1）本方法采取细缝代替原有分裂阳极法中并列的两个阳极，从而在扫描方向上提高了测量精度，有效防止了电弧在两个阳极之间移动过程中出现的漏检及突变等缺陷；(2) 本发明无需更换电流传感器，仅需对固定于其上方的上接收铜板进行更换，从而节约成本；(3) 本发明不需要对电弧斑点的形状进行假设，从而解决了电弧斑点静态动态尺寸差异性的问题，可以准确的测量非圆形电弧电流密度分布；(4) 本发明在电流传感器较快速运动条件下，对电流传感器进行水冷保护可测量较大功率的电弧，易于得出电弧电流密度分布一般性规律；(5) 本发明只要对采集的到得信号进行差分即可得出每点的电流密度，从而可精确测量电弧电流密度的分布，减少在测量和存储过程中带来的实验误差，提高数据精度，增强数据可靠性。

附图说明

图1 本发明电弧电流密度测量系统示意图。

图2.本发明电流传感器俯视图。

图3.本发明电流传感器外壳剖视图。

图4.本发明电流传感器右侧视图。

具体实施方式

本发明是对电弧电流密度分布的一种测试方法，测试系统还包括TIG焊焊机、宇波模块12、计算机处理系统13。第二电机1与第二丝杠8相连接而后和运动辅助块7相连，焊枪固定在工作台9上和电流传感器6相垂直，如图1所示。

电弧由TIG焊枪和上接收铜板4之间形成的回路产生，上接收铜板4安装在电流传感器6顶端，通过上接收铜板4对热量的吸收，保护电流传感器6不长时间与电弧3直接接触。电流传感器6外层由铝合金制成，屏蔽外界干扰信号，确保电流传感器6内信号均是由细缝5透过部分提供，壁厚5mm，内部为空腔，尺寸为50*50mm，外壳内壁喷涂陶瓷层，当所测量电弧3电流较大时（如等离子弧），需对电流传感器6进行水冷，因而外壳制作为空心腔用以实现水冷，如图3，4所示。下接收铜板放置于陶瓷腔内底部，上接收铜板4置于电流传感器6的外壳顶部，如图2所示。第二电机1与第二丝杠8连接，运动辅助块7安装在第二丝杠8上与工作台9平行，电流传感器6垂直放在运动辅助块7上方。宇波模块12一侧与电流传感器6相连，另一侧与计算机处理系统13相连，用于信号的转换，提高精度。

现对测量过程说明如下：

本次采集过程中，电弧3斑点通过烧蚀痕迹经测量其直径为4.0mm,经由初步估算得知，取50个测量点为较合理数据。将其视为独立“像素”点，测得50个“像素”点的数据，即可得到截面的电弧3电流密度。将“像素”点分别记为1A，1B,2B,3A,3B,3C,3D……第二电机1正转时，测量系统运动方向为正程方向，第二电机1反转时，测量系统运动方向为回程方向，定义箭头10方向为正程方向，箭头11方向为回程方向，整个测量过程的步骤如下：

步骤一：将整个测试系统按照如图所示连接。测试开始时，焊枪产生电弧3在上接收铜板4上运动，由于电弧3温度较高，因此采用散热速度快的紫铜作为电弧3引弧及直接接触的载体，本案例中采用上接收铜板厚度为0.5mm，扫描路径沿箭头10方向，细缝5长度为20mm，宽为0.5mm；

步骤二：采集过程中从边缘开始，第二电机1带动第二丝杠8转动，从而使运动辅助块7带动电流传感器6相对于电弧3运动，从而实现扫描。当电弧3在测试过程中经过细缝5时，会有部分带点粒子经由细缝5进入电流传感器6，被下接收铜板吸收后通过数据采集电路传输，同时利用宇波模块12进行信号转换，被采集卡采集至计算机处理系统13当中。记此时所测得数据为x₁,由于本次实验过程中细缝5宽度较电弧3面积很小，因此将边缘处的弧线近似认为为直线，此次扫描所得数据，即为边缘处“像素”的电流密度，故可得1A=x₁,完成一个正程扫描后，第一丝杠2垂直于细缝5方向移动一个步进量，第二电机1换向，带动第二丝杠8做反向旋转，运动辅助块7带动电流传感器6做回程运动，相当于电弧3沿箭头11方向扫描，由于电弧3反向偏摆，此信号为无效信号，不予以采纳。电弧3完成一个回程扫描后沿回程路径做正程扫描，此为第二组有用信号，用于数据处理。设此时所测得数据为x_2,x₃,则该处所分两“像素”点的数值分别为x₂，x₃-x₂.可得2A=x₂,2B=x₂-x₁.定义一个正程和回程为一个周期，整个测试过程扫描周期数为n（n=10~20）。对于第i个周期，则所得数据为IA=x_i1,IB=x_i2-x_i1,……IN=x_in-x_i(n-1)；

步骤三：将以上所得实验数据按照宇波模块12内置比例转换回电流信号，通过描点，绘制出该截面电弧电流密度分布。

Claims (7)

1.一种电弧电流密度的差分测量装置,其特征在于所述装置包括工作台(9)、固定在工作台(9)上的竖直滑动槽、固定在竖直滑动槽上的第一电机、设置在竖直滑动槽上的第一丝杠(2)、设置在第一丝杆上的第一滑动块、设置在第一滑动块上的焊枪夹持件、垂直设置在焊枪夹持件上的TIG焊枪，固定在测量平台上的水平滑动槽、设置在水平滑动槽上的运动辅助块(7)、设置在水平滑动槽上的第二丝杠(8)、装配在第二丝杠(8)上的第二电机(1)、固定在运动辅助块(7)上的电流传感器(6)，所述的电流传感器(6)垂直设置在TIG焊枪下方，通过数据传输线将电流传感器(6)、宇波模块(12)和计算机处理系统(13)相连接,其中，第一滑动块在第一丝杠(2)的带动下，垂直于竖直滑动槽做水平进动；运动辅助块(7)在第二丝杠(8)的带动下，沿着水平滑动槽做水平方向的滑动。

2.根据权利要求1所述的电弧电流密度的差分测量装置,其特征在于所述的电流传感器(6)包括外壳、上接收铜板(4)、下接收铜板，所述外壳内部为空腔，空腔内底部设置下接收铜板，顶部设置上接收铜板(4)，上接收铜板(4)中心开一细缝(5),所述的细缝(5)宽度为0.5-1mm。

3.根据权利要求1所述的电弧电流密度的差分测量装置,其特征在于上接收铜板(4)和下接收铜板均由紫铜制成。

4.根据权利要求1所述的电弧电流密度的差分测量装置,其特征在于所述上接收铜板(4)和下接收铜板的厚度为0.5-1mm，所述外壳为铝制，内壁喷涂陶瓷。

5.根据权利要求1所述的电弧电流密度的差分测量装置,其特征在于在所述外壳底部四角设置调节螺丝。

6.一种电弧电流密度的差分测量方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(a) 第二电机(1)带动第二丝杠(8)，使得电弧(3)沿细缝(5)长度方向对其扫描，当电弧(3)在扫描过程当中经过细缝(5)时，电弧(3)中的部分带点粒子会经由细缝(5)进入电流传感器(6)被电流传感器(6)吸收，经由传输电路导入计算机处理系统(13)，所得数据为x₁,x₂,x₃,x₄,……x_n，此为有效信号，用于数据处理；

(b) 当电弧完成正程扫描时，由第一丝杠(2)带动电弧(3)完成垂直于细缝(5)方向移动一个步进量，然后进行回程扫描，回程扫描中，电弧(3)中部分带点粒子会经由细缝(5)进入电流传感器(6)被电流传感器(6)吸收，由于电弧(3)反向偏摆，因此该组数据为无效数据，不予以采用；

(c) 完成（b）后沿原路径做一次正程扫描，为第二组有效信号，用于数据处理；

(d) 由于第一电机(1)通过第二丝杠(8)带动工作台(9)沿一维方向移动，传动误差可忽略，近似认为为平稳传动，故而电弧(3)由于电流传感器(6)运动带来的偏摆在稳定后保持不变，设细缝(5)的宽度为△y，在正程扫描过程当中所得数据分别分x₁ x₂ x₃……x_n，则每组数据中所采集到的电流密度为f _i (x,y)=（x _i —x _i-1 ）/△y，由于细缝(5)宽度过小，因而忽略其大小，近似得到f(x,y)=（x _i —x _i-1 ），得出图形即为电弧电流密度分布曲线；

(e) 重复（a）（b）（c）n次，即得到整个电弧(3)在工作面上运动条件下的电流密度。

7.根据权利要求6所述的电弧电流密度的差分测量方法，其特征在于步骤(a)中所述的电流传感器(6)包括外壳、上接收铜板(4)、下接收铜板，所述外壳内部为空腔，空腔内底部设置下接收铜板，顶部设置上接收铜板(4)，上接收铜板(4)中心开一细缝(5),所述的细缝(5)宽度为0.5-1mm。

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