CN109342800A - 一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置及校准方法，它包括：分流器和波形记录仪，分流器的电压端S和Y分别连到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；分流器的电流端M和N分别连接到脉冲电镀电源的正极和电镀槽的阳极端；解决了现有技术对脉冲电镀电源脉冲电流校准存在的测量精度不高，不能满足校准要求等技术难题，而实现对脉冲电镀电源脉冲电流量的校准。

Description

一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于测量仪器校准技术，尤其涉及一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置及校准方法。

背景技术

脉冲电镀电源主要由脉冲电流的产生及测量单元、脉冲电压的产生及测量单元、时间控制及测量单元等部分组成。

脉冲电镀装置由脉冲电镀电源、传输线、阳极、阴极、电镀液和电镀槽等部分组成，如图1所示。工作原理是：用被镀的零件作阴极，与电源的负极相连。电镀液为含有欲镀金属离子的溶液。阳极与电源的正极相连，若为可溶性阳极，则为欲镀金属制成；若为不可溶性阳极，则为白金，氧化铱等贵金属制成。阳极与阴极均浸入电镀液中，当在阴阳两极间施加一定电位时，从镀液内部扩散到阴极和镀液界面的金属阳离子Mn+从阴极上获得n个电子，还原成金属，沉积到金属的表面，形成镀层。而阳极界面上发生金属的溶解，释放n个电子生成金属阳离子Mn+溶入电镀液中。

脉冲电镀与直流电镀相比较主要有以下优点：对电镀液要求不高，可广泛采用无氰电镀，从而减少对环境的污染。镀层细致、光亮、孔隙率低、接触电阻小、硬度高、延展性和耐磨性好。大幅度提高了瞬间电流密度，提高了电沉积速度，一般可减少电镀时间30％～50％，因而提高了生产效率。在满足相同的镀层质量的前题下，可使镀层厚度减薄30％～50％，从而可节约金属材料10％～20％，这对金、银、镉、钴、钯、铑、镍等贵金属来说，具有重大的经济意义，因此脉冲电镀广泛应用于国民经济各领域。

脉冲电镀电源的负载是纯电阻时，输出理想的矩形脉冲电流波形，如图2所示。上升时间和下降时间与周期T相比很小忽略不计，此时周期平均电流I按下式计算：

式中：—周期平均电流，单位：A；I_p—峰值电流,单位：A；T_w—脉冲宽度,单位：s；T—脉冲周期，单位：s，而T_w/T称为占空比。因此，只要测出I_p、T_w和T，就能计算出周期平均电流

目前，各厂家生产的脉冲电镀电源产生的脉冲电流指的是平均电流，有2种形式：第一种指的是导通期间即abcd间的平均电流，如为矩形脉冲，abcd间的平均电流就是峰值电流I_p；第二种指的是周期T即abcde间的平均电流，如为矩形脉冲，按公式计算出周期平均电流。

由于传输线、阳极、阴极和电镀液并非纯电阻，有电感、电容或存在分布电感和电容，因此脉冲电流从脉冲电镀电源的正极经传输线、阳极、电镀液、阴极、传输线流回到脉冲电镀电源的负极时，会产生畸变，脉冲电流波形为如图3所示的阶跃脉冲。脉冲电流频率越高，传输线越长，畸变越严重，因而产生上升时间、下降时间和上冲。此时，脉冲电镀电源产生的脉冲电流指的是平均电流，有2种形式：第一种指的是导通期间即fghij间的平均电流；第二种指的是周期T即fghijk间的平均电流。由于脉冲电流波形发生畸变，公式不成立，因而不能用测出的I_p、T_w和T计算出周期平均电流

目前，典型的脉冲电镀电源的主要技术指标为：脉冲电流输出范围：0A～2kA，最大允许误差：±1.0％；脉冲电压输出范围：0V～300V，最大允许误差：±1.0％；脉冲频率范围：0Hz～5kHz。

根据量值传递要求，校准仪器的精度应比被校仪器精度高3倍以上，脉冲电镀电源产生的脉冲电流最大允许误差为±1.0％，则校准仪器的最大允许误差应优于±0.33％，才能满足要求。

目前，校准脉冲电镀电源还没有专用的校准装置，也没有检定规程和校准规范。脉冲电镀电源校准的难点主要有：第一、如用交流电流探头直流测量脉冲电流，目前，还难于找到量程达到2kA、最大允许误差优于±0.33％的交流电流探头。第二、如将脉冲电流用分流器或标准电阻转换成脉冲电压后，用测量脉冲电压的仪器测出此脉冲电压，如测得值为V，分流器或标准电阻的阻值为R，则脉冲电流I按公式I＝V/R计算。此时所用的分流器、标准电阻和测量脉冲电压的仪器的最大允许误差应优于±0.33％，才能满足要求。

目前，最大允许误差优于±0.033％的分流器和标准电阻，有现存产品可供选择。测量脉冲电压有多种方法，可用示波器，其脉冲电压测量最大允许误差为±1％，不能满足要求。同时，示波器有较高的频带宽度，即使在开启示波器的带宽限制功能的情况下，用频带带宽100MHz以下的示波器，仍然有几兆赫兹到几拾兆赫兹的带宽。对脉冲电镀电源脉冲电流信号产生的干扰噪声信号，滤波功能不强，噪声大，测量误差很大。对小的脉冲电流，有时无法测量。用常用的美国安捷伦公司生产的6¹/₂位的34401A型数字多用表，或美国吉时利公司生产的6¹/₂位的2000型数字多用表的直流电压或交流电压测量功能，测量脉冲频率5kHz的脉冲电压，由于仪器响应慢，无法测量。即使使用具有内部触发功能的美国安捷伦公司生产的6¹/₂位的34411A型数字多用表,虽然能精确测量矩形脉冲电压的幅度，但对于阶跃脉冲电压，由于脉冲宽度的顶部不平坦，因此不能精确测量。同时，数字多用表没有电压平均值测量功能，因而不能测量脉冲电压的平均值。第三、脉冲电流频率高、输出的脉冲电流大、输出的脉冲电压高，因而输出的脉冲功率大，难于找到与之相匹配的负载。

因此，脉冲电镀电源脉冲电流精确转换成脉冲电压及脉冲电压的精确测量是校准脉冲电镀电源脉冲电流要解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置及校准方法，以解决现有技术对脉冲电镀电源脉冲电流校准存在的测量精度不高，不能满足校准要求等技术难题。

本发明技术方案

一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置，它包括：分流器和波形记录仪，分流器的电压端S和Y分别连到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；分流器的电流端M和N分别连接到脉冲电镀电源的正极和电镀槽的阳极端。

所述分流器为加拿大高联(GUILDLINE)公司生产的9230A系列精密电流分流器。

波形记录仪为日本日置(HIOKI)公司生产的8861－50型波形记录仪。

电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用属件作为负载。

所述的一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置的校准方法，它包括：

步骤1、在电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用金属件作为负载且能满足脉冲电镀电源输出技术指标要求的最大脉冲电流；

步骤2、将脉冲电镀电源输出的脉冲电流信号连接到分流器的M和N端，分流器的电压端S和Y输出的电压信号加到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；

步骤3、根据要校准的脉冲电流点，设置脉冲电镀电源输出的平均电流脉冲宽度T_w和脉冲周期T；

步骤4、根据脉冲周期T设置波形记录仪的水平偏转系数，由公式计算峰值电流I_p，如分流器的电阻为R,则分流器输出的脉冲电压V_p按公式：计算，由于有上冲，根据V_p初步设置波形记录仪的垂直偏转系数，波形记录仪输入通道耦合方式设置为直流DC耦合，输入阻抗设置为1MΩ,开启输入通道的低通滤波器；水平偏转系数和垂直偏转系数设置的原则是使显示屏显示1个或多个周期的波形，且波形占显示屏高度的75％-85％；

步骤5、点击波形记录仪前面板右下角的【开始】键，波形记录仪开始运行；启动脉冲电镀电源输出脉冲电流，观察显示屏显示的波形，调节水平偏转系数和垂直偏转系数,并上下左右移动波形，使波形居中，显示屏显示1个或多个周期的波形，且占显示屏高度的75％-85％；

步骤6、当波形稳定显示后，点击波形记录仪前面板右下角的【停止】键，停止运行，波形稳定的显示在显示屏上；

步骤7、利用波形记录仪的AB光标测量功能，如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是导通期间的平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到q处；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是周期平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到r处；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是全部波形的平均电流，此时与A光标和B光标的位置无关，不用移动；

步骤8、利用波形记录仪的数值计算功能，计算种类选择：平均值，计算范围选择：如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是导通期间或周期间的平均电流，选择：AB光标间；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是全部波形的平均电流，选择：全部波形；

步骤9、单击【计算执行】键，如波形记录仪测得的脉冲电压平均值为分流器的电阻为R，则实测的脉冲电流平均值按公式:计算；电流测量相对误差δ_I按公式:如δ_I在误差范围内，合格，否则不合格。

本发明的有益效果：

本发明简单可靠，使用方便；通过一台高精度分流器和一台波形记录仪即可构成整个校准装置。高精度分流器电流量程从10A到5kA，电流测量最大允许误差为：±1.0×10^-4。用高精度的分流器，将脉冲电流转换成脉冲电压，用波形记录仪配置的8957型高分辨率单元实现脉冲电压的精确测量，电压测量最大允许误差为：±0.3％。利用波形记录仪的数值计算功能，计算出AB光标之间或整个波形的平均电压，实现了脉冲电压平均值的精确测量，解决了现有技术对脉冲电镀电源脉冲电流校准存在的测量精度不高，不能满足校准要求等技术难题，而实现对脉冲电镀电源脉冲电流量的校准。

附图说明：

图1为现有技术脉冲电镀装置电镀时的连接示意图；

图2为现有技术脉冲电镀电源的负载是纯电阻时输出的脉冲电流波形示意图；

图3为现有技术脉冲电镀电源实际电镀时输出的脉冲电流波形示意图；

图4为本发明校准装置连接示意图；

图5为用本发明校准时波形记录仪测得的分流器电压输出端输出的脉冲电压波形示意图。

具体实施方式：

如图4所示：一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置由分流器和波形记录仪组成。它包含用电缆将分流器的电压端S和Y分别连到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；用电缆将分流器的电流端M和N分别连接到脉冲电镀电源的正极和电镀槽的阳极端，即将分流器串入脉冲电镀电源的正极与阳极之间。脉冲电镀电源、传输线、阳极、电镀液、阴极和电镀槽构成电镀装置，脉冲电镀电源是被校准仪器。为了真实反映工作状态，电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用合适的金属件作为负载。

所述分流器为加拿大高联(GUILDLINE)公司生产的9230A系列精密电流分流器。波形记录仪为日本日置(HIOKI)公司生产的8861－50型波形记录仪。

为便于说明，以下用【】符号中的内容表示菜单、按钮或命令。

所述的脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置脉冲电流校准方法，它包括：

步骤1、在电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用合适的金属件作为负载,且能满足脉冲电镀电源输出其技术指标要求的最大脉冲电流；

步骤2、按图4接线，脉冲电镀电源输出的脉冲电流信号流过分流器的M和N端，分流器的电压端S和Y输出的电压信号加到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；

步骤3、根据要校准的脉冲电流点，设置脉冲电镀电源输出的平均电流脉冲宽度T_w和脉冲周期T；

步骤4、根据脉冲周期T设置波形记录仪的水平偏转系数。由公式计算出峰值电流I_p，如分流器的电阻为R,则分流器输出的脉冲电压V_p按公式：计算。由于有上冲，根据V_p初步设置波形记录仪的垂直偏转系数。波形记录仪输入通道耦合方式设置为直流DC耦合，输入阻抗设置为1MΩ,开启输入通道的低通滤波器。水平偏转系数和垂直偏转系数设置的原则是使显示屏显示1个或多个周期的波形，且波形占显示屏高度的80％左右；

步骤5、按波形记录仪前面板右下角的【开始】键，波形记录仪开始运行；启动脉冲电镀电源输出脉冲电流，观察显示屏显示的波形，调节水平偏转系数和垂直偏转系数,并上下左右移动波形，使波形居中，显示屏显示1个或多个周期的波形，且占显示屏高度的80％左右；

步骤6、当波形稳定显示后，按波形记录仪前面板右下角的【停止】键，使其停止运行，波形稳定的显示在显示屏上,如图5所示；

步骤7、利用波形记录仪的AB光标测量功能，如脉冲电镀电源设置的平均电流I表示的是导通期间的平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到q处；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是周期平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到r处(图5中r处虚线所示)；如脉冲电镀电源设置的平均电流I表示的是全部波形的平均电流，此时与A光标和B光标的位置无关，不用移动其位置；

步骤8、利用波形记录仪的数值计算功能，计算种类选择：平均值，计算范围选择：如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是导通期间或周期间的平均电流，选择：AB光标间；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是全部波形的平均电流，选择：全部波形；

步骤9、单击【计算执行】键，如波形记录仪测得的脉冲电压平均值为分流器的电阻为R，则实测的脉冲电流平均值按公式:计算。电流测量相对误差δ_I按公式:如δ_I在误差范围内，合格，否则不合格。

所述分流器为加拿大高联(GUILDLINE)公司生产的9230A系列精密电流分流器，型号从9230A-10到9230A-5000共13种，额定电流从10A～5000A。主要技术指标：电流测量最大允许误差为±1.0×10^-4，电流测量稳定性小于1×10^-5/年，温度影响小于4×10^-6/℃。为了满足从1A到5kA脉冲电流的校准，本发明分别采用4种不同型号的分流器：第1种型号为9230A-10，额定电流为10A，电阻值为1Ω；第2种型号为9230A-100，额定电流为100A，电阻值10mΩ；第3种型号为9230A-1000，额定电流为1kA，电阻值0.1mΩ；第4种型号为9230A-5000，额定电流为5kA，电阻值5μΩ，这4种型号的分流器就可将电流校准从1A到5kA全覆盖。

本实施例所述波形记录仪为日本日置(HIOKI)公司生产的8861-50型波形记录仪，配有8957型高分辨率测量单元。它对直流、超低频和低频信号有很高的测量精度和极强的自动波形捕捉能力。垂直偏转系数范围：50μV/div～200V/div,电压测量最大允许误差为±0.3％，频带宽度：DC～10MHz；水平偏转系数范围：500ns/div～1736d/div,显示屏为大屏幕，水平方向有25格div，垂直方向有20格div。

用8861-50型波形记录仪的数值计算功能，计算出AB光标之间波形或整个波形的平均电压的设置方法如下：

光标设置：

按仪器前面板右下角的【TYPE】键，弹出【AB CURSOR】AB光标菜单。在【种类】栏选择：纵光标；在【数目】栏选择：2道；在【移动】栏选择：个别。按【功能执行】键，用仪器前面板右下角的【A】/【B】两个旋钮分别移动A光标和B光标。如脉冲电镀电源的脉冲电流用导通期间即mnopq间的平均电流表示，则将A光标和B光标分别移动到m点和q点；如脉冲电镀电源的脉冲电流用周期内即mnopqr间的平均电流表示，则将A光标和B光标分别移动到m点和r点；如脉冲电镀电源的脉冲电流用全部波形的平均电流表示，此时与A光标和B光标的位置无关，不用移动其位置。

数值计算设置：

按仪器前面板右上角的【SET】键，弹出设置菜单。在【应用功能】区单击【数值计算】按钮，则在【数值计算】框中显示：off on，选择on，即打开数值计算功能。双击【No1】行，即序号为1的行(共16行)，弹出计算的【种类】选择对话框，选择：平均值，单击【关闭】，即将计算的种类选择对话框关闭。在【计算范围】栏选择：对于用导通期间或周期内表示的平均电流，选择：AB光标间；对于用全部波形表示的平均电流选择：全部波形，单击【计算执行】按钮，显示屏显示出测得的脉冲电压平均值

主要技术指标：

校准装置由加拿大高联公司生产的9230A系列精密电流分流器和日本日置公司生产的8861－50型波形记录仪组成。主要技术指标：脉冲电流测量范围：1A～5kA，最大允许误差：±0.3％；脉冲电压测量范围：0V～1000V，最大允许误差：±0.3％；脉冲频率范围：0Hz～5kHz。

Claims (5)

1.一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置，它包括：分流器和波形记录仪，其特征在于：分流器的电压端S和Y分别连到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；分流器的电流端M和N分别连接到脉冲电镀电源的正极和电镀槽的阳极端。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置，其特征在于：所述分流器为加拿大高联(GUILDLINE)公司生产的9230A系列精密电流分流器。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置，其特征在于：波形记录仪为日本日置(HIOKI)公司生产的8861－50型波形记录仪。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置，其特征在于：电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用属件作为负载。

5.如权利要求1所述的一种脉冲电镀电源脉冲电流的校准装置的校准方法，它包括：

步骤1、在电镀槽中装入工作时用的电镀液，阴极和阳极选用金属件作为负载且能满足脉冲电镀电源输出技术指标要求的最大脉冲电流；

步骤2、将脉冲电镀电源输出的脉冲电流信号连接到分流器的M和N端，分流器的电压端S和Y输出的电压信号加到波形记录仪的电压测量通道1即CH1输入端；

步骤3、根据要校准的脉冲电流点，设置脉冲电镀电源输出的平均电流脉冲宽度T_w和脉冲周期T；

步骤4、根据脉冲周期T设置波形记录仪的水平偏转系数，由公式计算峰值电流I_p，如分流器的电阻为R,则分流器输出的脉冲电压V_p按公式：计算，由于有上冲，根据V_p初步设置波形记录仪的垂直偏转系数，波形记录仪输入通道耦合方式设置为直流DC耦合，输入阻抗设置为1MΩ,开启输入通道的低通滤波器；水平偏转系数和垂直偏转系数设置的原则是使显示屏显示1个或多个周期的波形，且波形占显示屏高度的75％-85％；

步骤5、点击波形记录仪前面板右下角的【开始】键，波形记录仪开始运行；启动脉冲电镀电源输出脉冲电流，观察显示屏显示的波形，调节水平偏转系数和垂直偏转系数,并上下左右移动波形，使波形居中，显示屏显示1个或多个周期的波形，且占显示屏高度的75％-85％；

步骤6、当波形稳定显示后，点击波形记录仪前面板右下角的【停止】键，停止运行，波形稳定的显示在显示屏上；

步骤7、利用波形记录仪的AB光标测量功能，如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是导通期间的平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到q处；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是周期平均电流，则将A光标移动到m处，B光标移动到r处；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是全部波形的平均电流，此时与A光标和B光标的位置无关，不用移动；

步骤8、利用波形记录仪的数值计算功能，计算种类选择：平均值，计算范围选择：如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是导通期间或周期间的平均电流，选择：AB光标间；如脉冲电镀电源设置的平均电流表示的是全部波形的平均电流，选择：全部波形；

步骤9、单击【计算执行】键，如波形记录仪测得的脉冲电压平均值为分流器的电阻为R，则实测的脉冲电流平均值按公式:计算；电流测量相对误差δ_I按公式:如δ_I在误差范围内，合格，否则不合格。