孟祥軍,張 軍

（北京工業(yè)大學 機電學院，北京 100124）

0 前言

進入21世紀以來，焊接設備智能化程度越來越高，各種智能化傳感器越來越多的應用到了焊接設備領域，測距傳感器便是其中一種，在弧焊過程中，弧長是一個重要參數(shù)，如果電弧長度增加，則電極與母材間的距離過大，會使電弧對母材的熔透能力降低，也會破壞氣體保護效果，焊縫產生氣孔。反之，電弧過短，容易造成電極與熔池接觸，鎢極被燒損和產生夾鎢缺陷[1]，所以精確的控制電極與母材之間的距離尤其重要。

目前，焊接設備中應用的精確測距傳感器有很多種，主要有滑動電阻式、激光測距式、紅外線測距、超聲波測距和電渦流測距[2]。根據(jù)應用場合的不同，各類傳感器各有優(yōu)缺點。對于電極和母材距離控制，滑動電阻式測距傳感器由于體積大，安裝不方便，其探測頭一般為金屬，對焊接過程會產生回路干擾；激光測距傳感器容易受弧光干擾，導致測距精度降低，紅外線容易受到焊接過程中電弧熱量的干擾；超聲波傳感器在強光、熱量變化大的場合穩(wěn)定性差；電渦流傳感器因動態(tài)響應特性好、靈敏度高、工作穩(wěn)定可靠，能在具有粉塵、油污等惡劣環(huán)境下工作[3]，體積小，不受強光干擾，同時能夠通過溫度補償，克服溫度的影響，所以選擇電渦流式測距傳感器是合適的。

影響電渦流傳感器特性的因素主要有探頭線圈參數(shù)、被測對象表面的粗糙度、被測對象幾何形狀、尺寸、表面粗糙度及電磁特性等多個方面。傳感器標定時使用的環(huán)境和實際應用時有很多不同，往往導致誤差不一。為了保證傳感器的精度，在此提出實驗標定時和實際應用時使用同材料、同尺寸和同形狀的被測對象，可以最大程度的保證精度，而這些參數(shù)各個廠家都不相同，也不向用戶開放。根據(jù)電渦流的測距原理和應用要求，研制了一種新型電渦流傳感器，并且標定和實際應用環(huán)境相同，保證了精度要求。

1 電渦流式測距原理

根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應[4]。而根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

如圖1所示，在探頭頭部的線圈中通過振蕩器產生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一交變磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數(shù)有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質可由金屬導體的電導率б、磁導率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和頻率ω參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F（τ,ξ,б,D,I,ω）函數(shù)來表示。通常能控制 τ、ξ、б、I、ω 這幾個參數(shù)在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，整個函數(shù)是非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離D的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移的測量。

圖1 電渦流測距原理示意Fig.1 Schematic diagram of distance measuring based on eddy current

2 總體方案設計

工作過程如圖2所示，被測金屬與探頭線圈之間的距離發(fā)生變化時，探頭線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過濾波、整流、數(shù)據(jù)采集、溫度補償、數(shù)據(jù)處理、電壓輸出轉化成電壓變化，最終完成機械位移轉換成電壓信號。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。

圖2 總體方案設計Fig.2 Whole scheme design

3 傳感器硬件設計

硬件部分主要包括：電源部分、振蕩電路、單片機及其外圍電路、輸出電路四個部分。

3.1 電源部分

如圖3所示，傳感器采用直流24 V供電，采用電源芯片LM2937-3.3V，L1是自恢復保險管，最大允許電流2 A，VS3的作用是防止電源正負極接反，其余四個電容主要作用是去耦和濾波。能夠為振蕩電路、電源芯片、AD的參考電壓、輸出電路電源提供一個穩(wěn)定、可靠的電壓。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

3.2 振蕩電路

振蕩電路如圖4所示，采用電容三點式振蕩調幅電路，L為探頭線圈，振蕩電路的頻率為199 k Hz，由于電阻、電容和其他元器件本身誤差以及受溫度的影響，會使振蕩頻率發(fā)生約1%浮動。當被測對象和探頭之間的距離發(fā)生變化時，二極管VDI的后端會有正弦振蕩幅值的變化，距離越遠，幅值越大，反之幅值越小。電阻R3和R4起分壓作用，保證輸入單片機的幅值為0～3 V，電阻R3和R4為精密電阻。電容C4起整流濾波作用，使輸入單片機的信號為直流信號，C4越大，信號紋波越小，但是響應頻率降低，反之紋波大，響應頻率快，所以選擇一個合適的C4是非常重要的，需要計算和反復試驗驗證。

圖4 振蕩電路Fig.4 Oscillating circuit

3.3 單片機及其外圍電路

單片機及期外圍電路如圖5所示，C8051F300單片機工作頻率最高24M，采用兩路AD交替采集輸入電壓信號和溫度信號，溫度信號來自單片機的內部溫度傳感器，精度為0.5℃。單片機的作用是采集模擬輸入電壓和溫度信號，進行計算溫度補償，輸出對應的高頻脈沖信號。單片機的工作溫度參數(shù)如表1所示。

3.4 輸出電路

表1 C8051工作溫度參數(shù)Tab.1 C8051 working temperature parameters

輸出電路如圖6所示，其作用是把單片機輸出的一定頻率、不同占空比的脈沖信號轉變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，分為隔離和整流濾波兩個部分，采用高速光耦6N137，光耦的最高轉換頻率為10 MHz，能夠滿足響應時間的要求。濾波部分采用RC兩級無源濾波，把脈沖信號轉變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，既要保證響應頻率、信號紋波合適以及阻抗匹配。電阻R20的作用是限流，當電路中電流過大時，R20兩端的電壓會變大，這時單片機P0.3也有輸入電壓，兩個都進入單片機的比較器，一旦R20兩端電壓超過P0.3處的電壓，單片機將切斷所有輸出。

圖6 輸出電路Fig.6 output circuit

4 傳感器軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括：系統(tǒng)初始化程序、AD交替采集程序、溫度補償程序、脈沖發(fā)生頻率、過載保護程序。程序流程框圖如圖7所示。

圖7 軟件程序流程框圖Fig.7 Software program flow chart

單片機采用兩路AD采集，分別采集輸入電壓信號和溫度信號，利用定時器0的中斷程序每10 μs更換一次采集通道，每個通道采集10次，求平均值，這樣可以減小誤差，找出當前溫度下，相應距離的補償值，輸出頻率一定，占空比相對應的脈沖方波，不同的距離，對應不同的占空比。后面的輸出電路，可以把不同占空比的方波變?yōu)橹绷麟妷?，實現(xiàn)了不同距離對應不同電壓的功能，工作過程中，一般P0.6（保護電阻兩端壓降）的電壓高于P0.3（設定電壓值），單片機比較器產生中斷，切斷所有輸出，報警指示燈亮起，直到解除報警。

比較器的響應頻率為1 μs，比一般元器件承受過載時間要小，能夠起到保護作用，AD采集頻率設定為100 kHz，保證了程序的響應頻率能夠達到預期設計的500 Hz，主要是滿足焊接設備的要求，通過改變保護電阻R20的大小，可以設定不同的過載電流閾值。單片機對外輸出固定頻率為10 kHz的脈沖方波，頻率較高，抗干擾性好。

5 傳感器的調試、標定和驗證

影響電渦流傳感器特性的因素比較多，主要有探頭線圈參數(shù)、被測對象表面幾何形狀、尺寸、表面粗糙度及電磁特性等多個方面[5]。為了保證傳感器的精度，實驗標定時和應用時使用同材料、同尺寸和同形狀的被測對象。

5.1 傳感器的標定

不同溫度下，不同距離輸出不同電壓值，如圖9所示。在溫度一定的情況下，隨著距離的增大，電壓程正弦趨勢增長，在中間段接近線性，但是每條曲線的趨勢線為四次方曲線，以往的補償都是只取中間段，進行擬合函數(shù)的補償，但是精度不高。

傳感器的標定過程如下，傳統(tǒng)傳感器的核心工具是移標定儀，外形如圖8所示。

圖8 移標定儀Fig.8 Distance measuring instrument

移標定儀的技術參數(shù)為：標定范圍0～10 mm；千分表精度0.001 mm；標定圓盤尺寸φ30；標定圓盤材料45#鋼；標定儀材料LY12；儀器尺寸220 mm×110 mm×90 mm；被測對象45#鋼尺寸35 mm×35 mm×10 mm。

實驗用的溫控箱是由泰琪TERCHY自定制的。技術參數(shù)為：測量溫度范圍-40℃～120℃；溫控箱精度 0.5 ℃。

調試步驟：

（1）將傳感器的全量程根據(jù)實際精度分為N個間距點，這樣就可以獲得N+1個電渦流位移傳感器的輸出電壓值。

（2）將傳感器放置于溫控箱中，設定25℃，按傳感器設定的N+1個點，從小到大點地記錄下各輸入距離值以及相對應的單片機采集到的電壓值和輸出電壓值，單片機輸出相應占空比的脈沖方波，然后通過隔離電路和兩無源級RC濾波得到相應的電壓值。

（3）按照上述步驟2，以1℃為精度，一次測出從-15℃～75℃的數(shù)值，建立溫度、電壓和距離的三維圖表。同時做出不同溫度下的電壓-距離圖。

（4）建立補償表，以25℃的電壓-距離圖為理想曲線，先建立5℃時的補償表，把對應的N+1個位置的兩個溫度的電壓差計算得出，補償?shù)?℃，使得兩個溫度下，同等距離輸出的電壓值一樣，對于位于N和N+1之間的電壓值按N點補償。

（5）按照上述步驟4，依次建立所有溫度的補償表。

（6）傳感器的標定，要保證25℃時輸出的曲線和理想曲線的精度在規(guī)定范圍內。其他溫度下，就能夠正確輸出。不同溫度下電壓-距離如圖9所示。

圖9 不同溫度下電壓-距離Fig.9 Voltage-distance diagram under different temperature

5.2 實驗驗證

實驗驗證主要是配合調試、標定，以驗證傳感器的精度和響應頻率能夠保證設計要求，如表2所示。

表2 溫度、電壓和距離表Tab.2 Temperature，voltage and distance table /V

驗證步驟：

（1）將傳感器放置于溫控箱中，設置為25℃，做出N+1個點電壓-位移圖。

（2）調至一個恒定距離，溫度從-15℃升至75℃，記錄下溫度-電壓值。

（3）按照步驟 1，依次做出-15℃、5℃、45℃、60℃和75℃的電壓-距離圖。

（4）按照步驟 2，依次做出 1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm 和 3.5 mm 的電壓-溫度圖。

（5）測試響應頻率，對單片機的電壓采集通道輸入脈沖方波，測試單片機輸出端的脈沖方波頻率，能夠達到 2.4 kHz。

（6）單片機輸出兩個電壓值，測試傳感器輸出端響應時間為1 ms。

25℃時電壓-距離圖為理想輸出，如圖10所示。可以看出傳感器的量程可以達到3.5 mm，精度可以0.2 mm。一個測量值與真實值的差的絕對值成為絕對誤差。絕對誤差與被測量（真值）的比值，為相對誤差，即

式中 Δ為絕對誤差；A為測量值；L為真實值。

相對誤差=絕對誤差/真實值

式中 δ為相對誤差。

圖10 理想輸出曲線Fig.10 Ideal output curve

對單片機的電壓采集通道輸入方波信號，經過MCU計算處理，輸出脈沖方波信號，最高響應頻率為2.538 kHz。對于直接輸出的電壓值的響應時間測量較為困難，本研究采用測試電渦流接近開關響應頻率的方式對測距傳感器進行了測試，響應時間約為2 ms，能夠滿足焊接系統(tǒng)的使用要求。

通過實驗驗證可知，傳感器的絕對誤差為0.06 V，相對誤差為3.07%，響應時間約2 ms，能夠滿足使用要求。

6 傳感器的安裝

傳感器的安裝如圖11所示，焊槍和工件之間的距離為dhw，傳感器和滑塊感應物之間的距離為dsh。傳感器量程3.5 mm，精度0.2 mm。傳感器安裝于移動平臺Z軸的導軌底板上，感應物位于導軌滑塊上。當?shù)谝淮伟惭b好焊槍，調整好焊槍于工件的距離，然后把非接觸傳感器固定緊固，使傳感器和感應物之間的距離dsh處于0.5～1mm之間。這樣可以隨時根據(jù)焊接情況的需要調整焊槍的高度dhw，dsh與dhw變化量相同，焊槍可以在3.5 mm內精確控制。每次更換工件或者焊接過程中，都可以精確調整焊槍高度。可以克服溫度、弧光對測距的影響。

移動平臺Z軸的移動精確要求0.2 mm，比傳感器的測量精度要高，這樣可以保證移動在傳感器的精度之內，保證焊接中焊槍與工件間的距離精確可調。

7 結論

（1）研發(fā)了一種電渦流測距傳感器，精度為3%，量程 0.5～3.5 mm，絕對精度為 0.2 mm，響應時間為2 ms。研究表明該傳感器具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）實驗結果表明，研制的測距傳感器能夠較好的改善由于被測對象的因素造成的測距誤差，傳感器的精度和穩(wěn)定性能夠保證一般工業(yè)焊接的要求。

圖11 傳感器的安裝Fig.11 Installation of the sensor

[1]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]梁 森，歐陽三泰，王侃夫.自動檢測技術及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]朱景偉，李文舉，王素珍.電渦流測距傳感器信（號的微機處理[J].遼寧工學院學報,1994,14（4）：57-60

[4]秦曾煌.電工學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5]董文軒.新型電渦流傳感器測量電路設計[D].成都：電子科技大學，2008.