趙葉銘，王曉飛，李傳生，邵海明，李 奇

(1.北京信息科技大學(xué)，北京100192；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029；3.天津大學(xué)，天津300072)

1 引 言

電阻焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、儀器儀表、石油化工及輕工業(yè)領(lǐng)域[1～4]，它利用電流通過(guò)兩壓合工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱使工件接觸面熔化形成焊點(diǎn)。因此，焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，精確地測(cè)量焊接電流對(duì)于提升產(chǎn)品的一致性、可靠性和壽命都有重要意義。常用的電阻焊機(jī)包括：?jiǎn)蜗嘟涣魇?、電容?chǔ)能式、晶體管式、交流逆變式和直流逆變式等類型。其中，直流逆變式電焊機(jī)具有控制精度高、控制方式靈活、高效、節(jié)能、響應(yīng)速度快、變壓器體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是電阻焊機(jī)的主要發(fā)展方向[5,6]。直流逆變焊機(jī)焊接電流的信號(hào)特征為：近似梯形脈沖波，幅值一般在幾kA到幾十kA量級(jí)，上升、下降及持續(xù)時(shí)間為ms量級(jí)，波形的平頂部分往往疊加有頻率 1～2 kHz的鋸齒狀紋波。

目前，電阻焊機(jī)焊接電流一般采用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量[7,8]。受原理限制，羅氏線圈無(wú)法測(cè)量直流電流，且測(cè)量精度易受安裝偏心及外部雜散磁場(chǎng)影響。基于Faraday磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器具有測(cè)量精度高，頻響范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)量直流和交流電流，測(cè)量精度對(duì)敏感環(huán)路偏心及外磁場(chǎng)干擾的敏感度較低，適合于低頻及長(zhǎng)脈沖大電流的高精度測(cè)量[9,10]。

本文以直流逆變電焊機(jī)焊接電流為研究對(duì)象，探討將光纖電流傳感技術(shù)應(yīng)用于焊接電流測(cè)量的可行性。首先介紹了光纖電流傳感器的基本原理；然后建立了傳感器閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)仿真計(jì)算確定了適用于直流逆變電焊機(jī)焊接電流測(cè)量的閉環(huán)控制參數(shù)；最后進(jìn)行了焊接電流的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

2 工作原理

圖1所示為光纖電流傳感器原理示意圖，工作原理為：光源發(fā)出的光經(jīng)三端口環(huán)行器由起偏器轉(zhuǎn)換為線偏振光，后經(jīng)45°光纖熔接點(diǎn)均分為兩束正交的線偏振光并分別進(jìn)入保偏光纖的快、慢軸；兩束正交的線偏振光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器后由1/4波片變?yōu)樽笮?、右旋的圓偏振光；在被測(cè)電流的作用下，兩束圓偏振光產(chǎn)生了一定的相位差，再經(jīng)反射鏡反射后原路返回，相位差加倍；兩束圓偏振光再次經(jīng)過(guò)1/4波片后變回兩束線偏振光，但是它們的偏振方向發(fā)生了互換(即原本沿保偏光纖快軸傳輸?shù)木€偏振光返回時(shí)沿慢軸傳輸，原本沿保偏光纖慢軸傳輸?shù)木€偏振光返回時(shí)沿快軸傳輸)；這兩束線偏振光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器后在45°熔點(diǎn)處發(fā)生干涉，并經(jīng)起偏器檢偏；干涉光強(qiáng)由環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)后續(xù)處理得到被測(cè)電流[11,12]。

圖1 光纖電流傳感器原理示意圖[10]Fig.1 Configuration of fiber-optic current sensor

根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)和安培環(huán)路定律，兩束信號(hào)光之間的相位差為：

φs=4F=4VNI

(1)

式中:F為Faraday相移;V為傳感光纖的Verdet常數(shù)(V=1.02 μrad/A@1.31 μm);N為光纖圈數(shù);I為被測(cè)電流。

干涉光強(qiáng)為：

(2)

式中:α為光路損耗;P0為光源輸出功率。

根據(jù)式(2)可知，干涉光強(qiáng)信號(hào)是一個(gè)余弦信號(hào)。由于被測(cè)電流產(chǎn)生的Faraday相移非常小，為了保證傳感器靈敏度最高，在系統(tǒng)中引入一個(gè)周期為2τ(τ為渡越時(shí)間，即光往返兩次經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器所需的時(shí)間)，幅值為± π /2的方波調(diào)制相位。此時(shí)，干涉光強(qiáng)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，而被測(cè)電流被調(diào)制在方波的幅值上，通過(guò)峰峰值差分檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流的解調(diào)。同時(shí)，為了保證傳感器的線性度和動(dòng)態(tài)范圍，采用閉環(huán)反饋技術(shù)，引入以Faraday相移的大小為臺(tái)階高度的階梯波調(diào)制相位，反饋補(bǔ)償Faraday相移[13,14]。無(wú)限下降或上升的階梯波是不存在的，利用干涉光強(qiáng)信號(hào)的2 π 周期特性，使階梯波信號(hào)大于2 π 時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)2 π 復(fù)位，不影響傳感器精度[15]。

3 理論分析

根據(jù)直流逆變電焊機(jī)焊接電流的時(shí)域特征，可知它是一個(gè)寬頻帶脈沖信號(hào)。因此，建立光纖電流傳感器的動(dòng)態(tài)模型，確定影響傳感器寬頻測(cè)量的關(guān)鍵因素，對(duì)于提升電焊電流的測(cè)量精度具有重要意義。

3.1 動(dòng)態(tài)模型

如圖2所示，根據(jù)光纖電流傳感器的工作原理，將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行離散化處理后得到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型[16,17]。

其中干涉、光電探測(cè)器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字解調(diào)等5個(gè)環(huán)節(jié)等效為比例環(huán)節(jié)，Qk=Q0Q1Q2Q3Q4為各環(huán)節(jié)增益的乘積，稱為前項(xiàng)總增益。Qg為前項(xiàng)增益的調(diào)節(jié)系數(shù)，可調(diào)節(jié)前向增益的大小。為避免階梯波復(fù)位對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，反饋通道總增益應(yīng)為定值QF=2 π /2D，D為數(shù)字階梯波寄存器的位數(shù)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中各環(huán)節(jié)的參數(shù)如表1所示。

圖2 光纖電流傳感器動(dòng)態(tài)模型Fig.2 Dynamic model of fiber-optic current sensor

表1 各環(huán)節(jié)量化參數(shù)模型Tab.1 Quantitative parameter model of each link

3.2 時(shí)域、頻域特性分析與測(cè)試

根據(jù)傳感器的動(dòng)態(tài)模型，前向增益和反饋周期是影響傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要因素。反饋周期一方面決定了被測(cè)電流的采樣頻率，另一方面也決定了調(diào)制頻率。調(diào)制頻率越高，對(duì)光電探測(cè)器、前置放大器、相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路的帶寬要求也越高；因此反饋周期的選取應(yīng)在滿足被測(cè)電流采樣頻率要求的前提下盡可能降低對(duì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的要求。在本文的研究中，反饋周期經(jīng)測(cè)試約為1.025 μs。以下主要討論前向增益對(duì)系統(tǒng)時(shí)域、頻域特性的影響。

利用MATLAB/Simulink仿真工具，對(duì)不同前向增益下傳感器的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 時(shí)域、頻域特性曲線Fig.3 Characteristic curves in time domain and frequency domain

由圖3(a)可知:增大傳感器的前向增益，可以縮短傳感器的上升時(shí)間，提高響應(yīng)速度。但是，前向增益太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)振蕩。當(dāng)Qg=0.019 043 時(shí)，傳感器階躍響應(yīng)的超調(diào)量約為4%。在實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)中于某一時(shí)間在反饋階梯波信號(hào)上同步疊加一個(gè)固定臺(tái)階高度的階梯波調(diào)制信號(hào)，引入相位階躍激勵(lì)，并完整記錄階躍響應(yīng)過(guò)程。階躍響應(yīng)的仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線一致性良好，圖3(a)中，Qg=0.019 043時(shí)，仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線基本重合。傳感器的上升時(shí)間約為4個(gè)反饋周期即4.1 μs，可以很好地滿足對(duì)直流逆變電焊機(jī)焊接電流的跟蹤要求。

由圖3(b)可知：增大前向增益可以提高傳感器的帶寬，擴(kuò)展頻響特性的平坦區(qū)域；但前向增益過(guò)大，頻率響應(yīng)曲線將產(chǎn)生非常大的諧振，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。當(dāng)Qg=0.019 043時(shí)，傳感器頻響特性平坦，帶寬約為86 kHz。實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)利用信號(hào)發(fā)生器和跨導(dǎo)放大器產(chǎn)生高頻電流信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，利用寬頻精密分流器(精度優(yōu)于±0.01%)和8位半數(shù)字電壓表作為標(biāo)準(zhǔn)表監(jiān)測(cè)回路電流，光纖電流傳感器的測(cè)量結(jié)果與之比較，測(cè)試傳感器的頻率響應(yīng)特性。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光纖電流傳感器在DC～20 kHz范圍內(nèi)頻率響應(yīng)幾乎不發(fā)生衰減，在30 kHz的衰減量也小于0.3%。

3.3 紋波跟蹤特性分析

由第3.2節(jié)的研究結(jié)果可知，光纖電流傳感器階躍響應(yīng)及頻率響應(yīng)特性的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了本文所建立的傳感器的動(dòng)態(tài)模型的準(zhǔn)確性?？梢罁?jù)該模型計(jì)算傳感器對(duì)直流逆變電焊機(jī)焊接電流紋波分量的響應(yīng)。

將焊接電流的紋波分量近似等效為頻率為 2 kHz 的三角波，并作為傳感器動(dòng)態(tài)模型的輸入，計(jì)算不同前向增益下傳感器的輸出，結(jié)果如圖4所示。

圖4 光纖電流傳感器紋波電流響應(yīng)曲線Fig.4 Response to ripple current of fiber-optic current sensor

可以看出：傳感器的響應(yīng)速度可以跟蹤紋波信號(hào)，但在紋波的峰值處存在一定的誤差。隨著前向增益的增大，紋波峰值的跟蹤誤差逐漸減小。當(dāng)Qg=0.009 75時(shí)，峰值跟蹤誤差為-1.5%，有效值誤差為-0.1%；而當(dāng)Qg=0.028 75時(shí)，峰值誤差和有效值誤差都幾乎為0。然而，Qg=0.028 75時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)了26%的超調(diào)振蕩，頻率響應(yīng)也出現(xiàn)了非常大的諧振，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，所以要根據(jù)實(shí)際信號(hào)的測(cè)量需求和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能折中選擇合適的前向增益。本文選取Qg=0.019 043，此時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)超調(diào)量為4%，對(duì)紋波峰值的跟蹤誤差為-0.4%，有效值誤差為-0.03%，保證了傳感器具有良好的響應(yīng)速度、足夠的測(cè)量帶寬和對(duì)紋波的測(cè)量精度。實(shí)際上，對(duì)于直流逆變焊機(jī)的焊接電流，紋波分量的有效值一般不超過(guò)直流分量的20%，因此，對(duì)紋波分量測(cè)量精度的要求也會(huì)大幅降低。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 光纖電流傳感器校準(zhǔn)

為保證直流逆變電焊機(jī)焊接電流直流分量的測(cè)量精度，采用等安匝法對(duì)光纖電流傳感器在直流電流下進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖5所示，直流電源驅(qū)動(dòng)4組線圈(每組15匝，共計(jì)60匝)產(chǎn)生等安匝電流，傳感器的柔性敏感環(huán)穿過(guò)等安匝線圈形成閉合環(huán)路。線圈的單匝電流采用高精度直流電流比較儀和6位半數(shù)字電壓表監(jiān)測(cè)，整體準(zhǔn)確度優(yōu)于0.02%。光纖電流傳感器的測(cè)量值與等安匝電流進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明：在直流5～50 kA范圍內(nèi)，光纖電流傳感器的測(cè)量誤差在±0.05%以內(nèi)。

圖5 光纖傳感器直流大電流校準(zhǔn)裝置及結(jié)果Fig.5 Calibration device and test results for fiber-optic current sensor

4.2 直流逆變焊接電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

利用光纖電流傳感器對(duì)某型直流逆變電焊機(jī)的焊接電流進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，圖6所示為實(shí)測(cè)焊接電流波形。對(duì)實(shí)測(cè)波形的紋波分量進(jìn)行頻譜分析，可以看出：直流逆變電焊機(jī)的焊接電流中最主要的成份是直流分量；紋波分量的頻率成份主要集中在 1～20 kHz，其中2 kHz是最主要的頻率成份，但其頻幅值僅為直流分量的2.5%。

圖6 電焊電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Field test results of welding current

生產(chǎn)企業(yè)目前普遍采用基于羅氏線圈原理的電焊電流測(cè)試儀對(duì)直流逆變焊接電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其測(cè)量精度直接影響焊接工藝及質(zhì)量，需要定期校準(zhǔn)。目前，直流逆變電焊電流測(cè)試儀的測(cè)量精度一般為2%。光纖電流傳感器具有較高的直流測(cè)量精度和平坦的頻率響應(yīng)，可用于電焊電流測(cè)試儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

將羅氏線圈與光纖敏感環(huán)接入電焊機(jī)的二次回路，羅氏線圈在安裝時(shí)需注意將中心部位接觸至二次導(dǎo)體。光纖電流傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)安裝的便捷性，采用柔性封裝設(shè)計(jì)，可以圍繞被測(cè)電流形成多圈敏感環(huán)路，并將環(huán)路閉合點(diǎn)遠(yuǎn)離載流導(dǎo)體，最大程度地抑制環(huán)路閉合誤差的影響。

根據(jù)焊接電流測(cè)量?jī)x技術(shù)手冊(cè)，焊接電流測(cè)量?jī)x對(duì)焊接電流有效值的計(jì)算方法為：以10 ms為周期，去掉處于上升時(shí)間的周期以及檢測(cè)結(jié)束前的最后一個(gè)周期，計(jì)算剩余周期電流有效值的平均值。檢測(cè)結(jié)束的判斷依據(jù)為當(dāng)前周期的電流有效值不高于上一周期電流有效值的75%。根據(jù)該算法對(duì)光纖電流傳感器的采樣值進(jìn)行計(jì)算，并作為標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)某型直流逆變電焊電流測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果如表2所示，焊接電流測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差小于1.5%，滿足2%標(biāo)稱精度的要求。

表2 電焊電流測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Field calibration results of welding current tester

5 結(jié) 論

本文建立了光纖電流傳感器動(dòng)態(tài)模型，完成了時(shí)域和頻域特性的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了傳感器對(duì)焊接電流紋波分量的響應(yīng)，并將光纖電流傳感器用于直流逆變焊接電流的測(cè)量及焊接電流測(cè)試儀的在線校準(zhǔn)，得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)優(yōu)化閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的前向增益，使得傳感器的上升時(shí)間減小至4.1 μs，DC～30 kHz范圍內(nèi)頻率響應(yīng)的衰減量小于0.3%，紋波電流峰值及有效值的跟蹤誤差分別減小至-0.4%和-0.03%，動(dòng)態(tài)跟蹤能力滿足直流逆變電焊脈沖電流的測(cè)量要求。

2) 在直流5 kA～50 kA范圍內(nèi)，光纖電流傳感器的測(cè)量誤差優(yōu)于±0.05%，滿足直流逆變電焊電流直流分量的測(cè)量要求。

3) 光纖電流傳感器可用于直流逆變電焊脈沖電流的測(cè)量，為電焊電流測(cè)試儀的在線校準(zhǔn)提供了新方法。