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超声波塑焊接声学系统电参数研究(一)

发布者:  声峰官网   发布时间:2020/9/21 10:28:23

为了研究超声塑料焊接过程的动态变化,必须实时在线测量输入到超声换能器的各种电参数。

目前,市场上没有专用的大功率超声波电信号检测设备。为了检测大功率超声设备的电信号,大多使用存储示波器,或者使用其他工频电信号检测设备。超声波塑料焊接换能器不仅输入功率大(从几百瓦到几千瓦),焊接时间非常短,仅约1 s,并且负载变化非常复杂(不是纯粹的电阻性),因此信号波形通常具有一定程度的失真。这使得当前常用的检测设备难以满足超声波焊接电信号检测的需求。为此,本文开发了一套多功能的超声波电信号检测系统,可以在线测量输入超声波换能器的有效值,功率,相位差和频率。实时测量,可以随时记录和分析测量结果,并绘制测量曲线。

1个检测系统

该系统主要由测量模块组成,例如电压RMS,电流RMS,功率,相位差,频率等。基本框图如图1所示。

图1测试系统的总体基本框图

在焊接过程中,输入到音响系统的电信号变化很快,频率范围很宽。为了提高测量速度和精度,首先要在设备选择上采取措施,选择响应速度较快的芯片,并使用芯片的元件和外围电路在滤波环节中,时间常数不受控制。超过0.2 ms,以确保系统的总响应时间在2 ms以内,以满足检测快速变化的电信号的需求。为了保证系统宽带幅度-频率特性的要求,选用了高精度,高稳定性的RCK型电阻器,其寄生电感和电容都非常小。运算放大器的元件选择开环放大超过105,闭环放大不超过10。这样,可以在0〜20 kHz±3 kHz幅频曲线上实现平坦度。以下是每个功能模块的简要说明。

1. 1电压有效值Vrms的测量

本文开发的测试设备可以测量有效值为0至1000 V,频率为20 kHz±3 kHz且失真的正弦电压信号。从信号中提取输入电压,将有效值从AC转换为DC,然后通过比例调整输出到两个通道。 :一种方式提供给测试仪前面板上的3个半数字仪表头,直接显示0〜1 000V电压的有效值;另一种方式是通过测试仪的后面板输出0〜10 V模拟电压信号,以供计算机收集并分析该电压信号。通常可以通过电压互感器,霍尔元件传感器或光电转换设备来进行提取。

尽管这些方法具有良好的隔离性,但它们将对20 kHz电信号产生不同程度的波形失真,还会带来额外的相移,从而难以保证功率测量和相角测量的准确性。本文使用比例放大器来测量电压信号。为了进行处理,放大器的输入电阻为5.1MΩ,可以衰减输入的高压信号并保护后续电路。而且,由于放大器的输入阻抗远大于超声波发生器的信号源的内阻,因此转换器的工作状态不起作用。电压有效值的测量采用AD637,它是世界上转换精度高,频带宽的AC-DC RMS转换器,其转换与波形无关,是真正的RMS转换装置[3]。当电源为±15 V,输入电压为0〜±7 V时,在200 kHz带宽下最大误差约为1%。当尺寸系数为1〜2时,不会产生其他错误。

1. 2电流有效值的测量

本文开发的电流有效值检测电路可以检测到0〜2 A,20 kHz±3 kHz的正弦失真电流信号。通过使用串联到图1中超声波发生器的负载环路的标准采样电阻,首先将电流转换成与之成比例的电压信号。由于采样电阻是纯电阻器件,因此不会引起电流波形失真或额外的相移,从而确保了测量精度。它与电流成正比。电压信号由有效值AC-DC转换器AD637转换为模拟电压信号,然后以两种方式输出到数字表和计算机。转换原理与电压有效值转换相同。

1. 3有功功率的测量

用于有功功率测量的信号来自电压和电流RMS测量模块中的衰减电压和经过I / V转换的信号。功率测量模块的核心是AD534模拟乘法器和滤波器电路。瞬时电压和电流由乘法器定相。将高频分量相乘并过滤后,可以获得实际的有功功率。

1.4电流和电压相位差的测量

超声换能器的输入电压和电流之间的相位差的测量是通过过零比较器将输入电压和电流信号整形为方波,然后通过“异或”逻辑处理该相位差。存在相位差以及超前和滞后之间的差异。本文还设计了一种时序电路,以识别超前和滞后之间的关系。这部分电路的基本框图如图2所示。

输出相位差Φ=±K·Ud,K为比例系数(单位为(°)/ V),Ud为检测电路的输出电压,当电流超前于电压时,为正,否则为正这是负面的。 1.5频率测量频率测量模块采用单片机8051 [4],利用标准的晶体振荡器频率在一定的信号周期内对晶体振荡器的脉冲信号进行计数,可以在1 ms内实现,且误差不超过频率为20 kHz时为2 Hz。频率测量结果为16位二进制数输出,输入到计算机I / O卡,并通过软件编程将其转换为十进制实际频率值。

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