超声波塑料焊接过程声学系统电参数的检测

　　摘　要: 在超声波塑料焊接过程中, 针对声学系统的输入电信号受到焊接过程负载变化的直接影响,研制了一种超声波电信号测试系统,可以对超声波塑料焊接过程中功率、电压电流有效值、相位差及频率信号等进行快速准确的在线检测,而且可对测量结果进行实时纪录、分析处理. 测试结果表明,超声波电信号能够有效地反映焊接过程的变化,为实现焊接过程质量控制提供了可能. 该系统还可以应用于功率超声的其他领域.

　　目前,超声波塑料焊接质量控制得到了焊接工作者的普遍重视,而其质量控制的前提是焊接过程质量信息的提取与检测. 超声波焊接设备的核心部分是声学系统,它可以将输入的高频电信号转化为同频的机械振动,作用在焊接工件上. 塑料在焊接过程中要经历受热软化、熔融、润湿铺展等一系列变化过程,情况十分复杂. 焊件在焊接过程中所产生的机械状态的变化,必然反映在声学系统机电转换器件电信号的变化上. 由此可见,研究超声波塑料焊接过程中输入电信号的变化,对焊接过程质量信息的提取具有十分重要的意义[1 ] .

　　为研究超声波塑料焊接过程的动态变化,必须对输入超声波换能器的各种电参数进行在线实时测量. 目前,市场中尚没有专用的大功率超声波电信号检测设备,对大功率超声设备电信号的检测多采用记忆示波器,或用其他工频电信号检测设备来代替[2 ] . 超声波塑料焊接换能器不仅输入电功率较大(由几百瓦到几千瓦) ,焊接时间很短仅为1 s 左右,而且负载变化情况十分复杂(不是纯阻性) ,使其信号波形常常具有一定程度的畸变. 这使得目前常用的检测设备难以满足超声焊接电信号检测的需要. 为此本文研制了一套多功能超声波电信号检测系统,可对输入超声波换能器的电压电流有效值、功率、相位差及频率进行在线实时测量,并可随时纪录分析测量结果,绘制出测量曲线.

1 　检测系统

　　该系统主要由电压有效值、电流有效值、功率、相位差、频率等测量模块组成,原理框图如图

1 所示.

图1 　测试系统总体原理框图

　焊接过程中输入声学系统的电信号变化快,而且频率变化范围较宽. 为提高测量速度与精度,首先在器件的选择上采取措施,选用响应速度快的芯片,并在组件及芯片的外围电路滤波环节上,控制其时间常数不超过0. 2 ms ,以保证系统总的响应时间在2 ms 以内,满足检测快速变化电信号的需求. 为保证系统宽频带幅频特性的要求,选用高精度、高稳定性的RCK型电阻,其寄生电感电容极小. 运算放大器组件选用开环放大倍数为105以上,闭环放大倍数不超过10 的组件.这样在0～20 kHz ±3 kHz ,可以取得平坦的幅频曲线. 下面分别对各功能模块进行简要说明.

1. 1 　电压有效值Vrms 的测量

本文研制的测试设备可测量有效值0 ～1 000 V , 频率20 kHz ±3 kHz 并带有畸变的正弦电压信号. 输入电压经过信号提取,有效值交直流转换,再经比例调节分两路输出:一路供给测试仪前面板的3 位半数字表头,直接显示0～1 000 V电压有效值;另一路通过测试仪后面板输出0～10 V 模拟电压信号供计算机进行数据采集分析.电压信号的提取一般可通过电压互感器、霍尔元件传感器或光电转换器件来实现. 这些方法虽然隔离性好,但对于20 kHz 的电信号却会产生不同程度的波形畸变,还会带来附加的相移,使功率测量及相角测量精度难以保证. 本文采用比例放大器对电压信号进行处理,放大器输入电阻采用5. 1 MΩ ,这一方面可以使输入的高压信号得到衰减,对后续电路起到保护作用,而且由于放大器的输入阻抗远远大于超声波发生器的信号源内阻,对超声波发生器工作状态无影响.电压有效值测量采用AD637 ,它是目前国际

上转换精度较高及频带较宽的交直流有效值转换器,且转换与波形无关,是真有效值转换器件[3 ] .当其电源采±15 V ,输入电压为0～ ±7 V 时,在带宽200 kHz 下,产生的最大误差约为1 %. 波形因数为1～2 时,不产生附加误差.

1. 2 　电流有效值的测量

本文研制的电流有效值检测电路可以对0～2 A ,20 kHz ±3 kHz ,带有正弦畸变的电流信号进行检测. 通过采用图1 中串接在超声波发生器负载回路的标准采样电阻,首先将电流转换成与之成正比的电压信号,由于采样电阻为纯阻性器件,

因此不会带来电流波形畸变,也不会带来附加的相移,从而保证了测量精度. 与电流成正比的电压信号经有效值交直流转换器AD637 转换成模拟电压信号,分两路输出到数字表头与计算机,其转换原理与电压有效值转换相同.

1. 3 　有功功率的测量

　　有功功率测量的信号来自电压、电流有效值测量模块中经衰减后的电压及I/ V 变换后的信号. 功率测量模块的核心是AD534 模拟乘法器及滤波电路, 瞬时电压与电流经乘法器相乘后滤去高频分量,即可得到实际有功功率.

1. 4 　电流电压相位差的测量

　超声波换能器输入电压与电流之间相位差的测量,是通过过零比较器将输入电压、电流信号整形为方波,再通过“异或”逻辑处理合成相位差. 由于电压电流之间不仅存在相位差,还有相互间超前与滞后的不同,本文还设计了鉴别超前滞后关系的时序电路. 这部分电路原理框图如图2 所示.

　输出相位差Φ = ±K·Ud , K为比例系数(单位为(°) / V) , Ud 为检测电路输出电压, 电流超前于电压时为正,反之为负.1. 5 　频率的测量频率测量模块采用单片机8051[4 ] ,利用标准晶振频率,在一定信号周期内对晶振脉冲信号进行计数,可以实现在1 ms 内,频率为20 kHz 时,误差不超过2 Hz. 频率测量结果以16 位二进制数输出,输入到计算机I/ O 卡中,经软件编程转换成十进制的实际频率值.

2 　测试结果与分析

2. 1 　静态标定结果

采用标准测试设备,对测试系统进行了静态标定. 输入信号采用标准正弦波形信号源,由数字表头读出测量值. 实验结果表明,电压、电流有效值测量精度均满足误差小于1 % ,相位差误差小于±1 % ,频率测量在20 kHz 时,误差小于2 Hz.

2. 2 　焊接过程在线检测

利用瑞士Rinco 焊机对聚苯乙烯材料进行焊接过程在线实时测量. 焊接条件如下: 振幅为20μm , 起振压力91806 ×104 Pa , 焊接压力为141709 ×104 Pa ,焊接时间0. 7 s ,保压时间2 s. 图3～图7 为焊接过程超声波电信号变化曲线.

2. 3 　焊接过程检测结果分析

　　　由实验结果可以看出,在整个焊接过程中输入超声波焊机声学系统的电流基本在0. 8～1. 0 A变化,相对于电压及功率而言,变化幅度不大. 对聚苯乙烯材料来说,焊接过程中声学系统工作频率的变化范围不超过80 Hz ,声学系统工作于良好谐振状态. 而相位差检测结果表明,电流超前电压30°～50°,即声学系统工作于容性负载状态. 由于焊接过程中要求振幅基本恒定,因此声学系统输入功率与电压均随负载阻力的大小变化而有所改变,呈现相似的变化规律. 由图3 可以看出从焊接开始至0. 18 s 处功率有上升趋势,然后略有下降.这是由于焊接时随着输入热量的积累使焊件上的导能筋逐渐熔化,随着导能筋的熔化铺展,造成焊件间接触面积逐渐加大,焊件间粘滞阻力变大,从而使得输入功率不断增加. 再后,随着焊件间熔融聚合物不断增温,接合面间熔融聚合物粘度变小,流动性增大,使焊件间粘滞阻力下降,输入功率也随之降. 随着焊接过程的进行,熔融聚合物被不断挤出焊接区,使上下表面间粘滞阻力又逐渐增大,阻抗又一次开始上升. 此后随着上下表面不断熔化,阻抗又下降. 由此不难看出,焊接过程负载阻抗的变化,可以及时地反映到输入电信号上. 这主要是由于声学系统是机电转换器件,其输入端电信号与输出端机械量之间存在着确定的对应关系,因此,焊件在焊接过程中熔化状态的变化,通过声学系统的机械端可以反映到输入端电信号的变化上来,这就为超声波塑料焊接过程控制提供了依据,使超声波焊接实时控制成为可能.

3 　结论

　　　本文研制的超声波电信号测试系统,有效地解决了大功率超声波电信号测试所遇到的问题,可以快速准确地对超声波塑料焊接过程声学系统的输入电信号进行测试与纪录分析,并可作为一种通用的超声波电信号测试设备,应用于功率超声其他应用领域的测试. 焊接过程在线测量结果表明,超声波声学系统输入电信号的变化与焊接过程焊接工件熔化状态具有一定的对应关系,这为超声波塑料焊接过程监控及质量控制奠定了基础，购买超声波塑料焊接机请找深圳恒波超声波设备公司。