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
技術領域：
本發(fā)明屬于電弧加工技術領域，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：
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，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)驗要求較高，實驗結果隨實驗者的不同而變化，所得結果誤差較大，一般用于粗略估計。探針法則要求探頭在電弧中運動，測量從探頭傳遞回來的信號，通過數(shù)學模型，得到電弧電流密度的分布，從而進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中，過高熱量使得探頭在運動過程中形狀發(fā)生改變且無法檢測，所建立數(shù)學模型與現(xiàn)實偏差較大，所得結論可靠性較低。同時材料本身在電弧當中帶來了雜質(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行數(shù)據(jù)重構，沒有考慮電弧在運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行的過程中，會出現(xiàn)電弧突然轉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、設置在豎直滑動槽上的第一絲杠、設置在第一絲桿上的第一滑動塊、設置在第一滑動塊上的焊槍夾持件、垂直設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、設置在水平滑動槽上的運動輔助塊、設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、固定在運動輔助塊上的電流傳感器，所述的電流傳感器垂直設置在TIG焊槍下方，通過數(shù)據(jù)傳輸線將電流傳感器，宇波模塊和計算機處理系統(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動；運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)底部設置下接收銅板，頂部設置上接收銅板，上接收銅板中心開ー細縫；在外殼底部四角設置調(diào)節(jié)螺絲，左側設置；所述的細縫寬度為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。基于上述裝置，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)明方法作進ー步的說明，具體步驟如下(I)第二電機帶動第二絲杠，使得電弧沿細縫長度方向對其掃描，當電弧在掃描過程當中經(jīng)過細縫時，電弧中的部分帶點粒子會經(jīng)由細縫進入電流傳感器被電流傳感器吸收，經(jīng)由傳輸電路導入計算機處理系統(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)當電弧完成正程掃描時，由第一絲杠帶動電弧完成垂直于細縫方向移動ー個步進量，然后進行回程掃描，回程掃描中，電弧中部分帶點粒子會經(jīng)由細縫進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，近似認為為平穩(wěn)傳動，故而電弧由于電流傳感器運動帶來的偏擺在穩(wěn)定后保持不變，設細縫的寬度為Ay，在正程掃描過程當中所得數(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(I) (2) (3) η次，即得到整個電弧在工作面上運動條件下的電流密度。本發(fā)明具有的優(yōu)點及效果(I)本方法采取細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行更換，從而節(jié)約成本；(3)本發(fā)明不需要對電弧斑點的形狀進行假設，從而解決了電弧斑點靜態(tài)動態(tài)尺寸差異性的問題，可以準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動條件下，對電流傳感器進行水冷保護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行差分即可得出每點的電流密度，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驗誤差，提高數(shù)據(jù)精度，增強數(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)明電流傳感器右側視圖。
具體實施例方式本發(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、宇波模塊12、計算機處理系統(tǒng)13。第二電機I與第二絲杠8相連接而后和運動輔助塊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進行水冷，因而外殼制作為空心腔用以實現(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I與第二絲杠8連接，運動輔助塊7安裝在第二絲杠8上與工作臺9平行，電流傳感器6垂直放在運動輔助塊7上方。宇波模塊12 —側與電流傳感器6相連，另ー側與計算機處理系統(tǒng)13相連，用于信號的轉換，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個測量點為較合理數(shù)據(jù)。將其視為獨立“像素”點，測得50個“像素”點的數(shù)據(jù)，即可得到截面的電弧3電流密度。將“像素”點分別記為1A，IB, 2B, 3A, 3B, 3C, 3D……第ニ電機I正轉時，測量系統(tǒng)運動方向為正程方向，第二電機I反轉時，測量系統(tǒng)運動方向為回程方向，定義箭頭10方向為正程方向，箭頭11方向為回程方向，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I帶動第二絲杠8轉動，從而使運動輔助塊7帶動電流傳感器6相對于電弧3運動，從而實現(xiàn)掃描。當電弧3在測試過程中經(jīng)過細縫5時，會有部分帶點粒子經(jīng)由細縫5進入電流傳感器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進行信號轉換，被采集卡采集至計算機處理系統(tǒng)13當中。記此時所測得數(shù)據(jù)為X1,由于本次實驗過程中細縫5寬度較電弧3面積很小，因此將邊緣處的弧線近似認為為直線，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垂直于細縫5方向移動ー個步進量,第二電機I換向，帶動第二絲杠8做反向旋轉,運動輔助塊7帶動電流傳感器6做回程運動,相當于電弧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。設此時所測得數(shù)據(jù)為χ2，χ3，則該處所分兩“像素”點的數(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驗數(shù)據(jù)按照宇波模塊12內(nèi)置比例轉換回電流信號，通過描點，繪制出該截面電弧電流密度分布。
權利要求
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、設置在豎直滑動槽上的第ー絲杠(2)、設置在第一絲桿上的第一滑動塊、設置在第一滑動塊上的焊槍夾持件、垂直設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、設置在水平滑動槽上的運動輔助塊(7)、設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(I)、固定在運動輔助塊(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)和計算機處理系統(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動；運動輔助塊(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)底部設置下接收銅板，頂部設置上接收銅板(4)，上接收銅板(4)中心開ー細縫(5)，所述的細縫(5)寬度為 O. 5~1mmη
3.根據(jù)權利要求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(I)帶動第二絲杠(8)，使得電弧(3)沿細縫(5)長度方向對其掃描，當電弧⑶在掃描過程當中經(jīng)過細縫(5)時，電弧(3)中的部分帶點粒子會經(jīng)由細縫(5)進入電流傳感器(6)被電流傳感器(6)吸收，經(jīng)由傳輸電路導入計算機處理系統(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)完成垂直于細縫(5)方向移動ー個步進量，然后進行回程掃描，回程掃描中，電弧(3)中部分帶點粒子會經(jīng)由細縫(5)進入電流傳感器(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(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，近似認為為平穩(wěn)傳動，故而電?、怯捎陔娏鱾鞲衅?6)運動帶來的偏擺在穩(wěn)定后保持不變，設細縫(5)的寬度為Zl _7，在正程掃描過程當中所得數(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(a)(b) (c) η次，即得到整個電弧(3)在工作面上運動條件下的電流密度。
7.根據(jù)權利要求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)底部設置下接收銅板，頂部設置上接收銅板(4)，上接收銅板(4)中心開ー細縫(5)，所述的細縫(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縫，每次掃描過程當中電弧的掃描方向均與細縫方向平行，透過細縫的電流信號由電流傳感器接收并導出，用于采集和存儲。本發(fā)明采取細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的形狀進行假設，從而解決了電弧斑點靜態(tài)動態(tài)尺寸差異性的問題，可以準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