焊接監測儀校準裝置研究

段晚晴，陳 東，黃 京，戴 偉，李立雄

1.廣東省計量科學研究院（華南國家計量測試中心），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

焊接工藝技術廣泛應用于工業生產的各行各業領域，焊接主要參數如電流、電壓、波峰數、時間的把控對焊接過程及焊接質量的控制非常重要。市場上陸續出現的各種焊接監測儀，已經廣泛應用于工業領域的焊接監測工作。焊接監測儀的主要部件是羅柯夫斯基線圈，其準確度是保證焊接工藝質量的前提，一般需要使用以等安匝線圈為主要部件的校準裝置對其進行校準，但現有技術存在以下不足[1]。

首先，現有的校準方法是在電流接通后，手動短接開關將等安匝線圈短接使其失去電流，得到短時輸出電流信號，然而這種方式不能實現對焊接波峰數、焊接持續時間的校準[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。匝數越大，交流阻抗就越大，需要較高的交流輸出電壓才能獲得設計的電流值，而目前現有儀表類設備專用信號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，匝數越大差距越大，而且由于采樣技術的原因，使用互感方式采樣需要配置交、直流兩套采樣電路[4]。現在，交、直流信號需要分別使用兩套裝置進行校準，市面上尚未有準確的一體化焊接監測儀校準裝置。校準一臺焊接監測儀，往往需要多個工序、多次實驗，時間較長，效率較低。

1 焊接監測儀校準裝置的設計

為了解決上述問題，同時提升校準焊接監測儀的效率，需要一種能夠快速輸出焊接電壓、焊接電流、焊接波峰數、焊接持續時間等標準模型信號的焊接監測儀校準裝置。所設計的焊接監測儀校準裝置包括VFD鍵盤、程控標準信號源、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，可對焊接監測儀進行校準，如圖1所示。

圖1 焊接檢測儀校準裝置原理示意圖

圖1中，VFD鍵盤的輸出端與程控標準信號源連接，程控標準信號源的輸出端與交直流電壓功率放大模塊的信號輸入端連接，交直流電壓功率放大器的輸出端不僅與焊接監測儀連接，還與自身的反饋輸入端連接；直流電流功率放大器的信號輸入端通過開關S1與程控標準信號源的輸出端連接，輸出端通過開關S3與空心線圈連接；BTL交流電流功率放大器的信號輸入端通過開關S2與程控標準信號源的輸出端連接，輸出端通過開關S4與空心線圈連接；交直電流互感器用于對空心線圈進行檢測，互感器的輸出端通過切換開關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輸入端。

其中，VFD鍵盤用于提供人機交互途徑，通過數字鍵盤快速輸入設定參數，并自動傳輸到程控標準電壓源，替代了人手調節調壓器的落后操作方式；焊接監測儀連接有羅柯夫斯基線圈。切換開關S5為單刀雙擲開關，其定端與交直電流互感器的輸出端連接，一個動端與直流電流功率放大器的反饋信號輸入端連接，另一個動端與BTL交流電流功率放大器的反饋信號輸入端連接。

如圖2所示，程控標準信號源包括ARM微控制處理器、CPLD芯片、電壓DAC模塊、電流DAC模塊和高精度溫補晶振。高精度溫補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芯片提供時鐘基準。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S1和開關S2連接。

圖2 程控標準信號源原理示意圖

程控標準信號源用于產生50 Hz低失真度周期正弦信號或直流脈沖方波信號，使用高精度帶溫度補償的晶振確保時間的準確度，其中電壓DAC模塊用于進行電壓信號的DA轉換，電流DAC模塊用于進行電流信號的DA轉換。

如圖3所示，交直流電壓功率放大模塊用于對標準信號源送來的交流周期電壓信號或直流脈沖電壓信號進行功率放大，再將放大后的電壓、電流信號同步送至焊接監測儀，提供電壓參考信號。電壓輸出信號經精密電阻反饋至PID輸入端與標準電壓信號進行比對，并進行自動修正。

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調節電路和直流電流功率放大器。放大模塊用于對標準信號源送來的直流脈沖電流信號進行功率放大，然后將放大后的電流、電壓信號同步送至空心線圈，由焊接監測儀通過羅柯夫斯基線圈監測獲取直流電流信號并進行數值顯示。流經空心線圈的電流輸出信號經交直流電流互感器采樣反饋信號送至PID輸入端與標準電流信號進行比對，并進行自動修正。

BTL交流電流功率放大模塊如圖4所示。先對標準信號源送來的交流周期信號進行正向及反向變換，獲得幅值相同、相位相反的信號分別送入正、反向功率放大器進行功率放大，然后將放大后的電流、電壓信號分別同步送至空心線圈高端、低端，由焊接監測儀通過羅柯夫斯基線圈監測獲取交流電流信號并進行數值顯示。該電路形成BTL功率放大驅動電路，獲得低電壓供電、高電壓輸出的效果，解決了現有功率放大器無法滿足的高電壓輸出問題。流經空心線圈的電流輸出信號經精密交直流電流互感器采樣，反饋信號送至PID輸入端與標準電流信號進行比對，并進行自動修正。BTL交流電流功率放大模塊包括交流電流PID調節電路，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調節電路的輸入端通過開關S2與程控標準信號源連接，交流電流PID調節電路的反饋輸入端與切換開關S5的一個動端連接；交流電流PID調節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、運算放大器、檢測電路、自動增益控制AGC電路等組成。輸入信號輸送至變換電路進行正、反向變換，得到正、反向變換運算放大器和正、反向功率放大器的輸出信號，通過信號檢測電路分別取樣；通過比較放大電路，自動AGC控制電路進行反饋補償，確保兩路信號經過帶載后仍然能抵消負載影響，保證兩路信號幅值相同、相位相反；將獲得的信號分別送入正、反向功率放大器進行功率放大。該電路是確保BTL電路平衡輸出的關鍵。

圖5 電平變換電路的原理示意圖

開關S4包括2個同步開啟和關閉的子開關，iH端口通過其中一個子開關與空心線圈的一端連接，iL端口通過另一個子開關與空心線圈的另一端連接。

使用最新電流采樣技術的交直流電流互感器，能用一套電流互感器實現交流、直流采樣，解決了交直流多個工序多次分別進行檢測的問題和直流采樣電阻發熱引入的溫漂導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，實現了小電流獲得大安匝比的輸出效果。根據安匝公式N·I，同樣的安匝要求，N越大I就越小。較小的電流對功率放大器的工作要求相對不高，提升了系統的安全穩定性。

2 焊接監測儀的校準方法

上述焊接監測儀校準裝置研制成功后，可使用其對焊接監測儀進行校準，校準方法設計如下。

（1）用戶通過VFD鍵盤設定需要輸出測量的電壓、電流、相位、周期或時間參數，傳送至程控標準電壓源。

（2）程控標準信號源根據用戶設定的參數，產生標準電壓信號及電流信號。

（3）電壓信號送入交直流電壓功率放大器電路的PID調節電路；PID調節電路將標準信號與標準電壓反饋信號進行比例、積分、微分處理后輸送至交直流電壓功率放大器，放大器將弱信號放大后的標準電壓信號送至焊接監測儀，監測儀獲取電壓信號進行數值顯示。

（4）直流電流信號送入直流電流功率放大器電路的PID調節電路；PID調節電路將標準信號與標準電流反饋信號進行比例、積分、微分處理后輸送至直流電流功率放大器；放大器將弱信號放大后的標準電流信號送至空心線圈，由焊接監測儀通過羅柯夫斯基線圈監測，獲取直流電流信號進行數值顯示。

（5）交流電流信號送入交流電流功率放大器電路的PID調節電路；PID調節電路將標準信號與標準電流反饋信號進行比例、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進行正向放大，同時變換出一個幅值相同、方向相反的負向信號；將這2個信號分別送入正、反向功率放大器進行功率放大，然后將正、反向功率放大后的電流信號與電壓信號分別同步送至空心線圈高端、低端，焊接監測儀通過羅柯夫斯基線圈監測，獲得設定輸出的交流電流信號并進行數值顯示。

（6）記錄焊接監測儀測量的電壓幅值、電流幅值和周期數，與用戶通過VFD鍵盤設定的參數進行比較，完成焊接監測儀的校準，校準方式如下：

電壓測量誤差=［（實測值-設定值）÷設定值］+修正值

電流測量誤差=［（實測值-設定值）÷設定值］+修正值

周期數測量誤差=（實測值-設定值）÷設定值

其中，實測值為焊接監測儀實際測量的電參量值；設定值為用戶通過VFD鍵盤設定需要輸出的電參量值；修正值為系統溯源校準后的誤差修正值，用于補償校準裝置自身的誤差信息。該修正值是預先測定的，可作為已知量看待，在一定情況下可直接忽略。

3 結束語

文章設計了一種焊接監測儀校準裝置，并給出了使用該裝置對焊接監測儀進行校準的方法，力求改善校準工作效率，具有如下優勢和意義：（1）該裝置能夠快速準確校準焊接監測儀的電壓、電流、波峰數、時間等參數；（2）交直流功率放大器一體化設計以及標準功率源技術的引入，能夠快速準確測量焊接監測儀主要參數，提升校準工作效率；（3）該裝置采用數字信號源控制應用，能夠準確輸出正弦信號的周期數，確保了對波峰數及時間的校準；（4）該裝置采用BTL功率放大器應用技術，獲得了低電壓供電、高電壓輸出的效果；正負半周同時放大，實現了正負電源同時輸出，提升了電源利用效率。