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,而且可以对测量结果进行实时记录、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.

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、功率计及测振仪,或用其他工频电信号检测设备来代替.

.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1s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

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0.2ms,以保证系统总的响应时间在2ms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10以上,闭环放大倍数不超过10的组件.这样在0～20kHz±3kHz,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

电压值Vrms的测量本文研制的测试设备可测量有效值0～V,频率20kHz±3kHz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～V电压有效值;另一路通过测试仪后面板输出0～10V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20kHz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5.1MΨ,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AD,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当其电源采用±15V,输入电压为0～±7V时,在带宽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0～2A,20kHz±3kHz,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AD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AD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所示

1.5频率的测量

频率测量模块采用单片机,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1ms内,频率为20kHz时,误差不超过2Hz.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.