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.
　　超声波塑料焊接过程声学系统电参数的检测
　　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.
　　超声波塑料焊接过程声学系统电参数的检测
　　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.