專利名稱：一種電弧電流密度的差分測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電弧加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是ー種電弧電流密度的差分測量方法及裝置，適用于對電弧電流密度定量分析。
背景技術(shù)：
電弧熱源和等離子弧熱源是目前常用的焊接熱源，在焊接工程中廣泛應(yīng)用，其電弧的加熱以及加熱過程的現(xiàn)象與電弧的能量密度分布密切相關(guān)，電弧能量直接影響其與材料的作用效果。目前國內(nèi)外所采用的主要方法有探針法，燒蝕法，分裂陽極法。 燒蝕法是依靠電弧在材料上燒蝕后，依靠電弧在材料上燒蝕出的痕跡來分析電弧能量密度。該方法在使用過程中對經(jīng)驗(yàn)要求較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨實(shí)驗(yàn)者的不同而變化，所得結(jié)果誤差較大，一般用于粗略估計(jì)。探針法則要求探頭在電弧中運(yùn)動，測量從探頭傳遞回來的信號，通過數(shù)學(xué)模型，得到電弧電流密度的分布，從而進(jìn)一歩得到電弧的能量密度。但這種方法對材料耐高溫能力要求很高，因此在大電流的測量過程當(dāng)中，過高熱量使得探頭在運(yùn)動過程中形狀發(fā)生改變且無法檢測，所建立數(shù)學(xué)模型與現(xiàn)實(shí)偏差較大，所得結(jié)論可靠性較低。同時材料本身在電弧當(dāng)中帶來了雜質(zhì)，對測量數(shù)據(jù)帶來影響，造成較大誤差。目前較為流行的測量方法為分裂陽極法。北京エ業(yè)大學(xué)陳樹君在其專利電弧電流密度分布和電弧壓力分布聯(lián)合測試的裝置及方法(申請?zhí)?01110086928. 2)中，提出ー種對分裂陽極法的改進(jìn)方案，該方法以相互絕緣的兩個并聯(lián)陽極為電弧的陽極，在測量過程中，電弧首先在其中一塊陽極上引弧產(chǎn)生，隨后沿垂直于該陽極方向向另外ー塊陽極運(yùn)動。檢測其中一塊陽極板上的電流值大小，即可得該陽極板上電弧的電流值，從而實(shí)現(xiàn)對電弧電流密度的檢測。這種方法雖然可有效檢測出電流值大小，但其累積誤差較大。該方法在后期處理模型中，以電弧截面為圓形進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，沒有考慮電弧在運(yùn)行過程中由于電弧慣性所帯來的電弧截面尺寸的變化，同時，使用該種方法在電弧垂直于陽極板運(yùn)行的過程中，會出現(xiàn)電弧突然轉(zhuǎn)移到另ー陽極板的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)跳變，不能精確反映電弧與材料接觸截面處的能量分布。同時由于其運(yùn)動過程中絕緣層的影響，因而會出現(xiàn)漏檢的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中漏檢及跳變的問題，提供ー種電弧電流密度分布的微分測試方法和裝置，從而提高對電弧電流密度測量的精度。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種測量電弧電流密度分布的裝置，本裝置包括工作臺、固定在工作臺上的豎直滑動槽、固定在豎直滑動槽上的第一電機(jī)、設(shè)置在豎直滑動槽上的第一絲杠、設(shè)置在第一絲桿上的第一滑動塊、設(shè)置在第一滑動塊上的焊槍夾持件、垂直設(shè)置在焊槍夾持件上的TIG焊槍，固定在測量平臺上的水平滑動槽、設(shè)置在水平滑動槽上的運(yùn)動輔助塊、設(shè)置在水平滑動槽上的第二絲杠、裝配在第二絲杠上的第二電機(jī)、固定在運(yùn)動輔助塊上的電流傳感器，所述的電流傳感器垂直設(shè)置在TIG焊槍下方，通過數(shù)據(jù)傳輸線將電流傳感器，宇波模塊和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接。其中，第一滑動塊在第一絲杠的帶動下，垂直于豎直滑動槽做水平進(jìn)動；運(yùn)動輔助塊在第二絲杠的帶動下，沿著水平滑動槽做水平方向的滑動。所述的電流傳感器包括外殼、上接收銅板、下接收銅板，上接收銅板和下接收銅板均由紫銅制成。所述外殼內(nèi)部為空腔，空腔內(nèi)底部設(shè)置下接收銅板，頂部設(shè)置上接收銅板，上接收銅板中心開ー細(xì)縫；在外殼底部四角設(shè)置調(diào)節(jié)螺絲，左側(cè)設(shè)置；所述的細(xì)縫寬度為O. 5-lmm，所述上接收銅板和下接收銅板的厚度為O. 5_lmm。所述外殼為鋁制，內(nèi)壁噴涂陶瓷?；谏鲜鲅b置，本發(fā)明的電弧電流密度的差分測量方法以電弧在電流傳感器上進(jìn)行周期性掃描，電流傳感器上裝有上接收銅板，在上接收銅板中心加工細(xì)縫，毎次掃描過程·用于采集和存儲。以下對本發(fā)明方法作進(jìn)ー步的說明，具體步驟如下(I)第二電機(jī)帶動第二絲杠，使得電弧沿細(xì)縫長度方向?qū)ζ鋻呙?，?dāng)電弧在掃描過程當(dāng)中經(jīng)過細(xì)縫時，電弧中的部分帶點(diǎn)粒子會經(jīng)由細(xì)縫進(jìn)入電流傳感器被電流傳感器吸收，經(jīng)由傳輸電路導(dǎo)入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，所得數(shù)據(jù)為X1, X2，X3，X4,……Xn，此為有效信號，用于數(shù)據(jù)處理；(2)當(dāng)電弧完成正程掃描時，由第一絲杠帶動電弧完成垂直于細(xì)縫方向移動ー個步進(jìn)量，然后進(jìn)行回程掃描，回程掃描中，電弧中部分帶點(diǎn)粒子會經(jīng)由細(xì)縫進(jìn)入電流傳感器被電流傳感器吸收，由于電弧反向偏擺，因此該組數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，不予以采用；(3)完成(2)后沿原路徑做一次正程掃描，為第二組有效信號，用于數(shù)據(jù)處理；(4)由于第一電機(jī)I通過第二絲杠帶動工作臺沿ー維方向移動，傳動誤差可忽略，近似認(rèn)為為平穩(wěn)傳動，故而電弧由于電流傳感器運(yùn)動帶來的偏擺在穩(wěn)定后保持不變，設(shè)細(xì)縫的寬度為Ay，在正程掃描過程當(dāng)中所得數(shù)據(jù)分別分X1 χ2 X3……χη，則每組數(shù)據(jù)中所采集到的電流密度為も(X，I、ニ (X-Xi^1)/ Δ y,由于細(xì)縫寬度過小，因而忽略其大小，近似得到f (x, y)= Cxi一Χη)，得出圖形即為電弧電流密度分布曲線；(5)重復(fù)(I) (2) (3) η次，即得到整個電弧在工作面上運(yùn)動條件下的電流密度。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)及效果(I)本方法采取細(xì)縫代替原有分裂陽極法中并列的兩個陽極，從而在掃描方向上提高了測量精度，有效防止了電弧在兩個陽極之間移動過程中出現(xiàn)的漏檢及突變等缺陷；(2)本發(fā)明無需更換電流傳感器，僅需對固定于其上方的上接收銅板進(jìn)行更換，從而節(jié)約成本；(3)本發(fā)明不需要對電弧斑點(diǎn)的形狀進(jìn)行假設(shè)，從而解決了電弧斑點(diǎn)靜態(tài)動態(tài)尺寸差異性的問題，可以準(zhǔn)確的測量非圓形電弧電流密度分布；(4)本發(fā)明在電流傳感器較快速運(yùn)動條件下，對電流傳感器進(jìn)行水冷保護(hù)可測量較大功率的電弧，易于得出電弧電流密度分布一般性規(guī)律；(5)本發(fā)明只要對采集的到得信號進(jìn)行差分即可得出每點(diǎn)的電流密度，從而可精確測量電弧電流密度的分布，減少在測量和存儲過程中帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)精度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性。


圖I本發(fā)明電弧電流密度測量系統(tǒng)示意圖。圖2.本發(fā)明電流傳感器俯視圖。圖3.本發(fā)明電流傳感器外殼剖視圖。圖4.本發(fā)明電流傳感器右側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是對電弧電流密度分布的一種測試方法，測試系統(tǒng)還包括TIG焊焊機(jī)、宇波模塊12、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)13。第二電機(jī)I與第二絲杠8相連接而后和運(yùn)動輔助塊7相連，焊槍固定在工作臺9上和電流傳感器6相垂直，如圖I所示。
電弧由TIG焊槍和上接收銅板4之間形成的回路產(chǎn)生，上接收銅板4安裝在電流傳感器6頂端，通過上接收銅板4對熱量的吸收，保護(hù)電流傳感器6不長時間與電弧3直接接觸。電流傳感器6外層由鋁合金制成，屏蔽外界干擾信號，確保電流傳感器6內(nèi)信號均是由細(xì)縫5透過部分提供，壁厚5mm，內(nèi)部為空腔，尺寸為50*50mm，外殼內(nèi)壁噴涂陶瓷層，當(dāng)所測量電弧3電流較大時(如等離子弧)，需對電流傳感器6進(jìn)行水冷，因而外殼制作為空心腔用以實(shí)現(xiàn)水冷，如圖3，4所示。下接收銅板放置于陶瓷腔內(nèi)底部，上接收銅板4置于電流傳感器6的外殼頂部，如圖2所示。第二電機(jī)I與第二絲杠8連接，運(yùn)動輔助塊7安裝在第二絲杠8上與工作臺9平行，電流傳感器6垂直放在運(yùn)動輔助塊7上方。宇波模塊12 —側(cè)與電流傳感器6相連，另ー側(cè)與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)13相連，用于信號的轉(zhuǎn)換，提高精度。現(xiàn)對測量過程說明如下本次采集過程中，電弧3斑點(diǎn)通過燒蝕痕跡經(jīng)測量其直徑為4. Omm,經(jīng)由初步估算得知，取50個測量點(diǎn)為較合理數(shù)據(jù)。將其視為獨(dú)立“像素”點(diǎn)，測得50個“像素”點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可得到截面的電弧3電流密度。將“像素”點(diǎn)分別記為1A，IB, 2B, 3A, 3B, 3C, 3D……第ニ電機(jī)I正轉(zhuǎn)時，測量系統(tǒng)運(yùn)動方向?yàn)檎谭较?，第二電機(jī)I反轉(zhuǎn)時，測量系統(tǒng)運(yùn)動方向?yàn)榛爻谭较?，定義箭頭10方向?yàn)檎谭较颍^11方向?yàn)榛爻谭较?，整個測量過程的步驟如下步驟ー將整個測試系統(tǒng)按照如圖所示連接。測試開始時，焊槍產(chǎn)生電弧3在上接收銅板4上運(yùn)動，由于電弧3溫度較高，因此采用散熱速度快的紫銅作為電弧3引弧及直接接觸的載體，本案例中采用上接收銅板厚度為O. 5mm，掃描路徑沿箭頭10方向，細(xì)縫5長度為 20mm,寬為 O. 5mm ；步驟ニ 采集過程中從邊緣開始，第二電機(jī)I帶動第二絲杠8轉(zhuǎn)動，從而使運(yùn)動輔助塊7帶動電流傳感器6相對于電弧3運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)掃描。當(dāng)電弧3在測試過程中經(jīng)過細(xì)縫5時，會有部分帶點(diǎn)粒子經(jīng)由細(xì)縫5進(jìn)入電流傳感器6，被下接收銅板吸收后通過數(shù)據(jù)采集電路傳輸，同時利用宇波模塊12進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，被采集卡采集至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)13當(dāng)中。記此時所測得數(shù)據(jù)為X1,由于本次實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)縫5寬度較電弧3面積很小，因此將邊緣處的弧線近似認(rèn)為為直線，此次掃描所得數(shù)據(jù)，即為邊緣處“像素”的電流密度，故可得IA=X1,完成ー個正程掃描后，第一絲杠2垂直于細(xì)縫5方向移動ー個步進(jìn)量,第二電機(jī)I換向，帶動第二絲杠8做反向旋轉(zhuǎn),運(yùn)動輔助塊7帶動電流傳感器6做回程運(yùn)動,相當(dāng)于電弧3沿箭頭11方向掃描，由于電弧3反向偏擺，此信號為無效信號，不予以采納。電弧3完成一個回程掃描后沿回程路徑做正程掃描，此為第二組有用信號，用于數(shù)據(jù)處理。設(shè)此時所測得數(shù)據(jù)為χ2，χ3，則該處所分兩“像素”點(diǎn)的數(shù)值分別為ちふ-ら可得2Α=χ2，2Β=Χ2-Χι·定義一個正程和回程為ー個周期，整個測試過程掃描周期數(shù)為η (η=1(Γ20)。對于第i個周期，則所得數(shù)據(jù)為 IA=xil； IB=Xi2-Xil,......IN=Xin-Xi(Jri); 步驟三將以上所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照宇波模塊12內(nèi)置比例轉(zhuǎn)換回電流信號，通過描點(diǎn)，繪制出該截面電弧電流密度分布。
權(quán)利要求
1.ー種電弧電流密度的差分測量裝置，其特征在于所述裝置包括工作臺(9)、固定在工作臺(9)上的豎直滑動槽、固定在豎直滑動槽上的第一電機(jī)、設(shè)置在豎直滑動槽上的第ー絲杠(2)、設(shè)置在第一絲桿上的第一滑動塊、設(shè)置在第一滑動塊上的焊槍夾持件、垂直設(shè)置在焊槍夾持件上的TIG焊槍，固定在測量平臺上的水平滑動槽、設(shè)置在水平滑動槽上的運(yùn)動輔助塊(7)、設(shè)置在水平滑動槽上的第二絲杠(8)、裝配在第二絲杠(8)上的第二電機(jī)(I)、固定在運(yùn)動輔助塊(7)上的電流傳感器出)，所述的電流傳感器(6)垂直設(shè)置在TIG焊槍下方，通過數(shù)據(jù)傳輸線將電流傳感器出)、宇波模塊(12)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(13)相連接，其中，第一滑動塊在第一絲杠(2)的帶動下，垂直于豎直滑動槽做水平進(jìn)動；運(yùn)動輔助塊(7)在第二絲杠(8)的帶動下，沿著水平滑動槽做水平方向的滑動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧電流密度的差分測量裝置，其特征在于所述的電流傳感器(6)包括外殼、上接收銅板(4)、下接收銅板，所述外殼內(nèi)部為空腔，空腔內(nèi)底部設(shè)置下接收銅板，頂部設(shè)置上接收銅板(4)，上接收銅板(4)中心開ー細(xì)縫(5)，所述的細(xì)縫(5)寬度為 O. 5~1mmη
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧電流密度的差分測量裝置，其特征在于上接收銅板(4)和下接收銅板均由紫銅制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧電流密度的差分測量裝置，其特征在于所述上接收銅板(4)和下接收銅板的厚度為O.5-lmm，所述外殼為鋁制，內(nèi)壁噴涂陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧電流密度的差分測量裝置，其特征在于在所述外殼底部四角設(shè)置調(diào)節(jié)螺絲。
6.ー種電弧電流密度的差分測量方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 (a)第二電機(jī)(I)帶動第二絲杠(8)，使得電弧(3)沿細(xì)縫(5)長度方向?qū)ζ鋻呙?，?dāng)電?、窃趻呙柽^程當(dāng)中經(jīng)過細(xì)縫(5)時，電弧(3)中的部分帶點(diǎn)粒子會經(jīng)由細(xì)縫(5)進(jìn)入電流傳感器(6)被電流傳感器(6)吸收，經(jīng)由傳輸電路導(dǎo)入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(13)，所得數(shù)據(jù)為X1, X2, X3, X4,……Xn，此為有效信號，用于數(shù)據(jù)處理； (b)當(dāng)電弧完成正程掃描吋，由第一絲杠(2)帶動電弧(3)完成垂直于細(xì)縫(5)方向移動ー個步進(jìn)量，然后進(jìn)行回程掃描，回程掃描中，電弧(3)中部分帶點(diǎn)粒子會經(jīng)由細(xì)縫(5)進(jìn)入電流傳感器(6)被電流傳感器(6)吸收，由于電弧(3)反向偏擺，因此該組數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，不予以采用； (c)完成(b)后沿原路徑做一次正程掃描，為第二組有效信號，用于數(shù)據(jù)處理； (d)由于第一電機(jī)(I)通過第二絲杠(8)帶動工作臺(9)沿ー維方向移動，傳動誤差可忽略，近似認(rèn)為為平穩(wěn)傳動，故而電弧⑶由于電流傳感器(6)運(yùn)動帶來的偏擺在穩(wěn)定后保持不變，設(shè)細(xì)縫(5)的寬度為Zl _7，在正程掃描過程當(dāng)中所得數(shù)據(jù)分別分X1 X2 X3……xn，則每組數(shù)據(jù)中所采集到的電流密度為ニん一^ノ/Zlァ，由于細(xì)縫(5)寬度過小，因而忽略其大小，近似得到/Wニむ,.一ろ._ノ，得出圖形即為電弧電流密度分布曲線； (e)重復(fù)(a)(b) (c) η次，即得到整個電弧(3)在工作面上運(yùn)動條件下的電流密度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電弧電流密度的差分測量方法，其特征在于步驟(a)中所述的電流傳感器(6)包括外殼、上接收銅板(4)、下接收銅板，所述外殼內(nèi)部為空腔，空腔內(nèi)底部設(shè)置下接收銅板，頂部設(shè)置上接收銅板(4)，上接收銅板(4)中心開ー細(xì)縫(5)，所述的細(xì)縫(5)寬度為O. 5-lmm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電弧電流密度的差分測量方法及裝置，以電弧在電流傳感器上進(jìn)行周期性掃描，電流傳感器上裝有上接收銅板，在上接收銅板中心加工細(xì)縫，每次掃描過程當(dāng)中電弧的掃描方向均與細(xì)縫方向平行，透過細(xì)縫的電流信號由電流傳感器接收并導(dǎo)出，用于采集和存儲。本發(fā)明采取細(xì)縫代替原有分裂陽極法中并列的兩個陽極，從而在掃描方向上提高了測量精度，有效防止了電弧在兩個陽極之間移動過程中出現(xiàn)的漏檢及突變等缺陷，本發(fā)明不需要對電弧斑點(diǎn)的形狀進(jìn)行假設(shè)，從而解決了電弧斑點(diǎn)靜態(tài)動態(tài)尺寸差異性的問題，可以準(zhǔn)確的測量非圓形電弧電流密度分布。
文檔編號G01R19/08GK102680770SQ20121016515
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者馮曰海, 周彥松, 周琦, 周芷蘭, 張德庫, 彭勇, 景巖, 朱軍, 王克鴻, 章曉勇, 黃 俊 申請人:南京理工大學(xué)