焊接监测仪校准装置研究

段晚晴，陈 东，黄 京，戴 伟，李立雄

1.广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心），广东 广州 510405 2.广州市格宁电气有限公司，广东 广州 510520

0 引言

焊接工艺技术广泛应用于工业生产的各行各业领域，焊接主要参数如电流、电压、波峰数、时间的把控对焊接过程及焊接质量的控制非常重要。市场上陆续出现的各种焊接监测仪，已经广泛应用于工业领域的焊接监测工作。焊接监测仪的主要部件是罗柯夫斯基线圈，其准确度是保证焊接工艺质量的前提，一般需要使用以等安匝线圈为主要部件的校准装置对其进行校准，但现有技术存在以下不足[1]。

首先，现有的校准方法是在电流接通后，手动短接开关将等安匝线圈短接使其失去电流，得到短时输出电流信号，然而这种方式不能实现对焊接波峰数、焊接持续时间的校准[2-3]。

其次，为了获得大安匝比的输出，等安匝线圈要求有很大的匝数。匝数越大，交流阻抗就越大，需要较高的交流输出电压才能获得设计的电流值，而目前现有仪表类设备专用信号功率放大器无法满足使用要求。

最后，等安匝线圈的交直流阻抗存在差距，匝数越大差距越大，而且由于采样技术的原因，使用互感方式采样需要配置交、直流两套采样电路[4]。现在，交、直流信号需要分别使用两套装置进行校准，市面上尚未有准确的一体化焊接监测仪校准装置。校准一台焊接监测仪，往往需要多个工序、多次实验，时间较长，效率较低。

1 焊接监测仪校准装置的设计

为了解决上述问题，同时提升校准焊接监测仪的效率，需要一种能够快速输出焊接电压、焊接电流、焊接波峰数、焊接持续时间等标准模型信号的焊接监测仪校准装置。所设计的焊接监测仪校准装置包括VFD键盘、程控标准信号源、交直流电压功率放大模块、直流电流功率放大模块、BTL（桥接）交流电流功率放大模块、空心线圈（作为等安匝线圈）、交直流电流互感器，可对焊接监测仪进行校准，如图1所示。

图1 焊接检测仪校准装置原理示意图

图1中，VFD键盘的输出端与程控标准信号源连接，程控标准信号源的输出端与交直流电压功率放大模块的信号输入端连接，交直流电压功率放大器的输出端不仅与焊接监测仪连接，还与自身的反馈输入端连接；直流电流功率放大器的信号输入端通过开关S1与程控标准信号源的输出端连接，输出端通过开关S3与空心线圈连接；BTL交流电流功率放大器的信号输入端通过开关S2与程控标准信号源的输出端连接，输出端通过开关S4与空心线圈连接；交直电流互感器用于对空心线圈进行检测，互感器的输出端通过切换开关S5连接到直流电流功率放大器和BTL交流电流功率放大器的反馈信号输入端。

其中，VFD键盘用于提供人机交互途径，通过数字键盘快速输入设定参数，并自动传输到程控标准电压源，替代了人手调节调压器的落后操作方式；焊接监测仪连接有罗柯夫斯基线圈。切换开关S5为单刀双掷开关，其定端与交直电流互感器的输出端连接，一个动端与直流电流功率放大器的反馈信号输入端连接，另一个动端与BTL交流电流功率放大器的反馈信号输入端连接。

如图2所示，程控标准信号源包括ARM微控制处理器、CPLD芯片、电压DAC模块、电流DAC模块和高精度温补晶振。高精度温补晶振的输出端分别与ARM微控制处理器和CPLD芯片连接，用于为ARM微控制处理器和CPLD芯片提供时钟基准。ARM微控制处理器的输入端与VFD键盘连接，ARM微控制处理器的输出端通过CPLD芯片分别与电压DAC模块和电流DAC模块连接，电压DAC模块的输出端与交直流电压功率放大器连接，电流DAC模块的输出端分别与图1中的开关S1和开关S2连接。

图2 程控标准信号源原理示意图

程控标准信号源用于产生50 Hz低失真度周期正弦信号或直流脉冲方波信号，使用高精度带温度补偿的晶振确保时间的准确度，其中电压DAC模块用于进行电压信号的DA转换，电流DAC模块用于进行电流信号的DA转换。

如图3所示，交直流电压功率放大模块用于对标准信号源送来的交流周期电压信号或直流脉冲电压信号进行功率放大，再将放大后的电压、电流信号同步送至焊接监测仪，提供电压参考信号。电压输出信号经精密电阻反馈至PID输入端与标准电压信号进行比对，并进行自动修正。

图3 交直电压功率放大模块的原理示意图

直流电流功率放大模块包括直流电流PID调节电路和直流电流功率放大器。放大模块用于对标准信号源送来的直流脉冲电流信号进行功率放大，然后将放大后的电流、电压信号同步送至空心线圈，由焊接监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取直流电流信号并进行数值显示。流经空心线圈的电流输出信号经交直流电流互感器采样反馈信号送至PID输入端与标准电流信号进行比对，并进行自动修正。

BTL交流电流功率放大模块如图4所示。先对标准信号源送来的交流周期信号进行正向及反向变换，获得幅值相同、相位相反的信号分别送入正、反向功率放大器进行功率放大，然后将放大后的电流、电压信号分别同步送至空心线圈高端、低端，由焊接监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取交流电流信号并进行数值显示。该电路形成BTL功率放大驱动电路，获得低电压供电、高电压输出的效果，解决了现有功率放大器无法满足的高电压输出问题。流经空心线圈的电流输出信号经精密交直流电流互感器采样，反馈信号送至PID输入端与标准电流信号进行比对，并进行自动修正。BTL交流电流功率放大模块包括交流电流PID调节电路，电平变换电路，正、反向功率放大器，iH端口和iL端口。其中，电平变换电路包括正、反向变换电路；交流电流PID调节电路的输入端通过开关S2与程控标准信号源连接，交流电流PID调节电路的反馈输入端与切换开关S5的一个动端连接；交流电流PID调节电路的输出端分别与正、反向变换电路连接，正向变换电路的输出端通过正向功率放大器与iH端口连接，反向变换电路的输出端通过反向功率放大器与iL端口连接。

图4 BTL交流电流功率放大模块的原理示意图

如图5所示，电平变换电路由输入电阻R1～R5、运算放大器、检测电路、自动增益控制AGC电路等组成。输入信号输送至变换电路进行正、反向变换，得到正、反向变换运算放大器和正、反向功率放大器的输出信号，通过信号检测电路分别取样；通过比较放大电路，自动AGC控制电路进行反馈补偿，确保两路信号经过带载后仍然能抵消负载影响，保证两路信号幅值相同、相位相反；将获得的信号分别送入正、反向功率放大器进行功率放大。该电路是确保BTL电路平衡输出的关键。

图5 电平变换电路的原理示意图

开关S4包括2个同步开启和关闭的子开关，iH端口通过其中一个子开关与空心线圈的一端连接，iL端口通过另一个子开关与空心线圈的另一端连接。

使用最新电流采样技术的交直流电流互感器，能用一套电流互感器实现交流、直流采样，解决了交直流多个工序多次分别进行检测的问题和直流采样电阻发热引入的温漂导致电参量改变的问题，提高了工作效率，降低了制造成本。

采用多匝空心线圈技术，实现了小电流获得大安匝比的输出效果。根据安匝公式N·I，同样的安匝要求，N越大I就越小。较小的电流对功率放大器的工作要求相对不高，提升了系统的安全稳定性。

2 焊接监测仪的校准方法

上述焊接监测仪校准装置研制成功后，可使用其对焊接监测仪进行校准，校准方法设计如下。

（1）用户通过VFD键盘设定需要输出测量的电压、电流、相位、周期或时间参数，传送至程控标准电压源。

（2）程控标准信号源根据用户设定的参数，产生标准电压信号及电流信号。

（3）电压信号送入交直流电压功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电压反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至交直流电压功率放大器，放大器将弱信号放大后的标准电压信号送至焊接监测仪，监测仪获取电压信号进行数值显示。

（4）直流电流信号送入直流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至直流电流功率放大器；放大器将弱信号放大后的标准电流信号送至空心线圈，由焊接监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测，获取直流电流信号进行数值显示。

（5）交流电流信号送入交流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至BTL交流电流功率放大模块，BTL中的电平变换电路首先将信号进行正向放大，同时变换出一个幅值相同、方向相反的负向信号；将这2个信号分别送入正、反向功率放大器进行功率放大，然后将正、反向功率放大后的电流信号与电压信号分别同步送至空心线圈高端、低端，焊接监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测，获得设定输出的交流电流信号并进行数值显示。

（6）记录焊接监测仪测量的电压幅值、电流幅值和周期数，与用户通过VFD键盘设定的参数进行比较，完成焊接监测仪的校准，校准方式如下：

电压测量误差=［（实测值-设定值）÷设定值］+修正值

电流测量误差=［（实测值-设定值）÷设定值］+修正值

周期数测量误差=（实测值-设定值）÷设定值

其中，实测值为焊接监测仪实际测量的电参量值；设定值为用户通过VFD键盘设定需要输出的电参量值；修正值为系统溯源校准后的误差修正值，用于补偿校准装置自身的误差信息。该修正值是预先测定的，可作为已知量看待，在一定情况下可直接忽略。

3 结束语

文章设计了一种焊接监测仪校准装置，并给出了使用该装置对焊接监测仪进行校准的方法，力求改善校准工作效率，具有如下优势和意义：（1）该装置能够快速准确校准焊接监测仪的电压、电流、波峰数、时间等参数；（2）交直流功率放大器一体化设计以及标准功率源技术的引入，能够快速准确测量焊接监测仪主要参数，提升校准工作效率；（3）该装置采用数字信号源控制应用，能够准确输出正弦信号的周期数，确保了对波峰数及时间的校准；（4）该装置采用BTL功率放大器应用技术，获得了低电压供电、高电压输出的效果；正负半周同时放大，实现了正负电源同时输出，提升了电源利用效率。