蕭 鵬, 臺(tái)泓冰, 向茂林, 王偉宸, 張 帆

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150001

2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)第四研究院, 北京 100038

3. 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院控制所, 河南 洛陽 471009

引 言

晶體管式焊接電源具有開關(guān)特性好、 靈敏度高, 并且能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行細(xì)微調(diào)整的特點(diǎn), 還能夠很好的抑制焊接時(shí)產(chǎn)生的飛濺, 所以能夠適用于超精密焊接[1]。 而且其控制速度也非常快, 可以在像電燈燈絲這樣的極細(xì)線上使用。 正是因?yàn)榫w管式焊接電源的這些特點(diǎn), 它也被廣泛的應(yīng)用于精密器件的焊接。 而晶體管式焊接電源在焊接時(shí)除了電壓、 電流之外, 影響焊接質(zhì)量的另一個(gè)非常重要而且直觀的參數(shù)就是焊接時(shí)焊頭的溫度[2]。 在焊接中, 焊頭的溫度對(duì)焊頭和焊件的壽命、 焊點(diǎn)和焊盤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用。

長(zhǎng)期以來, 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)各種焊頭加熱過程提出了多種熱流密度理論模型[3], 然而由于焊頭加熱過程的脈動(dòng)性和各種物理化學(xué)反應(yīng)過程的復(fù)雜性, 目前, 在理論上還難以進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。 所以若想要掌握溫度信息, 還需要對(duì)溫度進(jìn)行直接測(cè)量, 采用最直觀有效的手段獲取溫度信息。

我國(guó)在焊頭溫度測(cè)量這一領(lǐng)域的研究相比于國(guó)外較晚。 2013年, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張煥良采用K型熱電偶實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊錫機(jī)器人焊頭的溫度測(cè)量及控制。 在前期工作的基礎(chǔ)上, 通過總結(jié)前人成功經(jīng)驗(yàn)和分析問題, 以紅外輻射測(cè)溫中的亮度測(cè)溫法為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì), 通過對(duì)焊頭結(jié)構(gòu)的分析, 采用黑體法進(jìn)行溫度測(cè)量, 通過測(cè)量焊頭前端的小孔得到焊頭的真實(shí)溫度。 與原型相比較不僅測(cè)溫精度高、 響應(yīng)速度快、 測(cè)溫范圍寬而且在設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新使其更適用于晶體管式焊接電源焊頭溫度的快速測(cè)量任務(wù)。 儀器的技術(shù)指標(biāo)為： 測(cè)量溫度范圍： 300～800 ℃(573.15～1 073.15 K); 測(cè)量結(jié)果精度： 優(yōu)于±3%; 測(cè)量速度： 不低于2 000個(gè)溫度點(diǎn)/s; 測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)數(shù)： 1個(gè); 測(cè)量目標(biāo)源大小： 0.5 mm; 測(cè)量距離： 10 cm。

1 測(cè)溫原理

1.1 亮度法測(cè)溫

亮度測(cè)溫法也稱作單色測(cè)溫法, 它測(cè)量的原理以普朗克定律為理論基礎(chǔ)[4-9], 即在某一窄波段下, 通過亮度測(cè)溫計(jì)測(cè)量待測(cè)物體的單色輻射亮度并于黑體的單色輻射亮度對(duì)比, 最終計(jì)算出表面溫度, 式(1)為其表達(dá)式

(1)

式(1)中,ML為亮度溫度,λ為中心波長(zhǎng)。 但是在實(shí)際的測(cè)量中都是非黑體, 沒有絕對(duì)的黑體, 所以實(shí)際待測(cè)物體與黑體的輻射亮度關(guān)系可由式(2)表示。

(2)

式(2)中,ε(λ,T)為待測(cè)物體在波段為[λ-Δλ,λ+Δλ]、 溫度為T時(shí)的發(fā)射率。 假定在某一特定波長(zhǎng)和溫度T時(shí), 式(2)可寫成如式(3)形式

(3)

當(dāng)λcT<0.002 m·K時(shí), 用維恩公式代替誤差小于0.075%, 替換后可得到式(4)

(4)

由式(4)與用維恩公式代替的普朗克公式可以得到物體的實(shí)際溫度T與其亮溫TS之間的關(guān)系式

(5)

由以上推導(dǎo)和式(5)可以知道： 波段的選取及物體的發(fā)射率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常大, 帶寬過大時(shí)多余的輻射信號(hào)會(huì)影響結(jié)果的精度, 帶寬過小時(shí)接收到的信號(hào)較弱會(huì)影響測(cè)量結(jié)果; 發(fā)射率越接近于黑體, 亮溫越接近于真溫。

1.2 朗伯體法測(cè)溫

在輻射測(cè)溫理論中, 無論是亮度測(cè)溫法、 比色測(cè)溫法還是全輻射測(cè)溫法, 都存在著發(fā)射率難以確定的共性問題。 本工作通過對(duì)實(shí)際測(cè)量對(duì)象結(jié)構(gòu)的分析, 提出使用朗伯體法解決發(fā)射率問題。 在早期的脈沖加熱溫度快速測(cè)量領(lǐng)域, 黑體法是常用的一種方法[10～11]。 此種方法是在待測(cè)目標(biāo)上加工一個(gè)小孔, 使此小孔的發(fā)射率接近黑體。 由于加熱時(shí)間很短, 在此過程中熱量損失很小, 通過對(duì)此小孔的溫度進(jìn)行測(cè)量來得到物體的真實(shí)溫度。 此方法典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 黑體法測(cè)溫

使用的點(diǎn)焊頭材料為鎢銅合金, 其形狀及局部放大圖如圖2所示。

圖2 焊頭實(shí)物及局部放大圖

根據(jù)點(diǎn)焊頭的實(shí)物可以看出, 點(diǎn)焊頭帶有狹縫和圓孔。 且小孔的深度為3.2 mm, 直徑為Φ0.8 mm。 由于待測(cè)目標(biāo)形狀的特殊性, 可以把點(diǎn)焊頭上小孔當(dāng)作近似朗伯體, 通過測(cè)量它的溫度得到最終結(jié)果。 未被氧化時(shí)點(diǎn)焊頭的發(fā)射率為0.55, 因此可計(jì)算得到近似黑體的發(fā)射率值。 采用Gouffe計(jì)算方法, 以所提供的未被氧化的點(diǎn)焊頭發(fā)射率的值對(duì)焊頭上的小孔進(jìn)行空腔黑體發(fā)射率值計(jì)算。 其計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

式(6)中

(7)

式(6)和式(7)中：A是焊頭小孔面積;St是空腔內(nèi)表面積;ε是波長(zhǎng)2.3 μm時(shí)材料發(fā)射率;R是開孔半徑;L是孔的深度。 將式(6)與式(7)聯(lián)立, 并把ε=0.55,R=0.25 mm,L=3.2 mm代入其中, 解得ε0=0.98。 并將此發(fā)射率值代入到式(5)中進(jìn)行計(jì)算, 得到焊頭的溫度值。

2 系統(tǒng)研制

根據(jù)對(duì)輻射測(cè)溫領(lǐng)域的理論研究和前人對(duì)輻射測(cè)溫儀器設(shè)備研制的經(jīng)驗(yàn), 并結(jié)合本課題的研究具有待測(cè)目標(biāo)源小、 結(jié)構(gòu)特殊、 目標(biāo)放熱時(shí)間短、 溫度測(cè)量系統(tǒng)速度要求快的特點(diǎn), 以亮度測(cè)溫法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì), 采用黑體法進(jìn)行溫度測(cè)量。 整個(gè)系統(tǒng)的工作設(shè)計(jì)流程是光電探測(cè)器通過具有顯微放大功能的光學(xué)系統(tǒng)從待測(cè)目標(biāo)源獲取能量信息并輸出微弱信號(hào)。 隨后硬件電路將探測(cè)器發(fā)出的微弱信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換和多級(jí)放大。 然后AD采集卡對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)采集后上位機(jī)對(duì)AD采集卡采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理, 然后通過計(jì)算得到目標(biāo)的真溫并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 系統(tǒng)的總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

由于待測(cè)目標(biāo)大小為Φ0.5 mm, 探測(cè)器的最小探測(cè)范圍為Φ1 mm, 所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要具有顯微放大的功能, 將待測(cè)目標(biāo)放大二倍。

測(cè)溫系統(tǒng)采用亮度測(cè)溫的方法, 選用的光電探測(cè)器的峰值波長(zhǎng)為2.3 μm, 要達(dá)到最好的測(cè)量效果需要加入分光系統(tǒng), 使所需要的波長(zhǎng)被探測(cè)器接收而不接收其他波長(zhǎng)的光。 選擇用一片濾光片進(jìn)行分光來獲取待測(cè)目標(biāo)源在特定波段下的能量信息, 這樣既簡(jiǎn)化了光路的結(jié)構(gòu), 又易于安裝, 也是在單波長(zhǎng)光路中的常用方式。 采用的濾光片的中心波長(zhǎng)為2290 nm, 帶寬為30 nm, 透過率大于85%。 激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示, 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過瞄準(zhǔn)去發(fā)射瞄準(zhǔn)光, 目標(biāo)信息經(jīng)全反射后經(jīng)由透鏡射出進(jìn)入探測(cè)器。 入射光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)

圖4 激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 多級(jí)放大電路

圖6 黑體輻射源

2.2 放大電路

由于探測(cè)器從目標(biāo)源獲得能量后輸出信號(hào)很小, 所以要利用放大電路對(duì)信號(hào)采集和處理。 當(dāng)放大器級(jí)聯(lián)時(shí), 前級(jí)對(duì)總噪聲的影響是最大的, 如果第一級(jí)的功率增益足夠大, 則可以忽略后級(jí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲, 可以認(rèn)為系統(tǒng)總噪聲僅由第一級(jí)產(chǎn)生。 所以在運(yùn)算放大器選型時(shí), 要選取低噪聲、 高增益、 高輸入阻抗和共模抑制比、 性能穩(wěn)定的運(yùn)算放大器。 采用AD820和OP27兩種運(yùn)算放大器。 通過查詢芯片手冊(cè)可以知道, AD820與OP27噪聲系數(shù)相差不大, 而且AD820是軌對(duì)軌運(yùn)算放大器(輸出可以最大限度接近電源電壓), 而且在對(duì)兩種芯片分別做第一級(jí)的實(shí)際性能測(cè)試中, AD820的效果也優(yōu)于OP27, 所以采用AD820做整個(gè)放大電路的第一級(jí)。

C為反饋電容, 既能達(dá)到濾波的效果, 又能防止自激振蕩。 反饋電容C與反饋電阻R一起決定了此多級(jí)放大電路的響應(yīng)速度, 由式(8)可以求得響應(yīng)時(shí)間τ。

τ=RC

(8)

由于采用的AD采集卡采集速度為1 MS·s-1, 必須使響應(yīng)時(shí)間τ在1 μs以內(nèi)。 一般情況下, 反饋電容C的取值在1～10 pF之間, 再由式(8)便可得到電阻的取值范圍。

2.3 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性和每秒2 000個(gè)溫度點(diǎn)的極快速度, 而且要對(duì)原始數(shù)據(jù)、 測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存, 所以采用上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)此部分功能。 由于對(duì)單個(gè)目標(biāo)采用兩級(jí)放大的方式, 所以只需要兩通道即可。 此外, 還要保證有1 MS·s-1的采集速度。 通過衡量?jī)r(jià)格、 采集卡性能和穩(wěn)定性等因素, 選擇北京阿爾泰公司的USB2892型AD采集卡。

3 儀器標(biāo)定及發(fā)射率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 儀器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

儀器的標(biāo)定是本測(cè)溫系統(tǒng)中重要的一步, 也是儀器在投入使用前必不可少的環(huán)節(jié), 標(biāo)定的準(zhǔn)確程度直接影響著最終測(cè)量結(jié)果的精度。 輻射測(cè)溫系統(tǒng)在使用之前, 必須使用黑體爐作為標(biāo)定源進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定。 采用美國(guó)INFRARED SYSTEMS DEVELOPMENT公司生產(chǎn)的IR-301型黑體。 此黑體爐穩(wěn)定性高并且孔徑可調(diào)。

由于本系統(tǒng)溫度區(qū)間小, 且理論上在擬合公式模型合理的前提下, 采樣點(diǎn)數(shù)越多, 測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。 所以, 在標(biāo)定時(shí)每隔25 ℃作為一個(gè)溫度采樣點(diǎn), 在300～800 ℃之間共選擇21個(gè)采樣點(diǎn)。 經(jīng)過多種擬合公式和擬合方式對(duì)比, 選擇使用指數(shù)衰減模型, 并且采用最小二乘法進(jìn)行分段擬合, 兩段擬合區(qū)間為300～525和525～800 ℃時(shí), 擬合效果最佳。 式(9)為本系統(tǒng)的擬合公式模型。

y=A1·exp(-x/t1)+y0

(9)

式(9)中,x為溫度, 單位℃;y為電壓值, 單位mV;A1和y0為待確定參數(shù)。 將標(biāo)定時(shí)測(cè)得的電壓值代入式(9)即可確定未知參數(shù)的最佳值。 具體的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)

300～525及525～800 ℃的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖7、 圖8所示。

圖7 300～525 ℃擬合結(jié)果

圖8 525～800 ℃擬合結(jié)果

采用上述公式模型對(duì)黑體爐300～800 ℃區(qū)間內(nèi)的各個(gè)采樣溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)量結(jié)果與誤差如表3所示。

表3 儀器標(biāo)定結(jié)果與誤差

3.2 發(fā)射率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由于使用所提供的發(fā)射率值進(jìn)行黑體空腔發(fā)射率計(jì)算, 所以要對(duì)所提供的發(fā)射率值的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。 因?yàn)楸菊n題晶體管式焊接電源在工作時(shí)施加400 A左右的瞬時(shí)電流脈沖, 在點(diǎn)焊頭上產(chǎn)生焦耳熱進(jìn)行焊接。 在早期的脈沖加熱中大多都是使用整體黑體法進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量[11]。 一般情況下, 整體黑體法需要在待測(cè)目標(biāo)上鉆孔, 并且孔的深度至少要為其直徑的6倍。 由于本焊頭形狀的特殊性, 其自身帶有小孔, 且小孔的深度也滿足是直徑6倍的要求。 所以, 采用整體黑體法對(duì)點(diǎn)焊頭的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。 測(cè)量時(shí), 將這個(gè)小孔的溫度當(dāng)作黑體的溫度。 同時(shí)采用兩個(gè)測(cè)溫儀對(duì)點(diǎn)焊頭上的小孔和點(diǎn)焊頭的表面進(jìn)行溫度測(cè)量, 并通過作比得到點(diǎn)焊頭的發(fā)射率的值。 測(cè)量結(jié)果如圖9所示。 根據(jù)測(cè)量的結(jié)果可以知道, 焊頭的發(fā)射率在0.5～0.6之間。 所測(cè)發(fā)射率結(jié)果與所提供的發(fā)射率值一致。

圖9 嶄新焊頭的發(fā)射率

當(dāng)點(diǎn)焊頭進(jìn)行多次打火放熱后, 其表面會(huì)發(fā)生氧化。 氧化后的點(diǎn)焊頭實(shí)物圖如圖10所示。 其發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果如圖11所示。 根據(jù)圖5—圖11中的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果可以看出, 氧化后的鎢銅合金點(diǎn)焊頭的發(fā)射率約為0.85, 與文獻(xiàn)中查詢的發(fā)射率數(shù)值一致。

圖11 氧化后點(diǎn)焊頭發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

4 不確定度分析

為了驗(yàn)證測(cè)量的準(zhǔn)確性, 在對(duì)標(biāo)定的各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量后, 在幾百度溫度區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。 溫度測(cè)量結(jié)果及誤差如表4所示。

表4 隨機(jī)采樣點(diǎn)的溫度測(cè)量結(jié)果及誤差

4.1 探測(cè)器不確定度

探測(cè)器帶來的誤差主要包括光電流和暗電流的散粒噪聲以及與電阻并聯(lián)的熱噪聲。 光電流Is可通過式(10)計(jì)算獲得。

Is=AΩT(λ)L(λ)Δλη(λ)

(10)

式(10)中,A為通光孔面積, 單位是m2;Ω為瞬時(shí)立場(chǎng)角, 單位是sr;T(λ)為中心波長(zhǎng)λ下的透過率;L(λ)為中心波長(zhǎng)λ下的輻射亮度, 單位Μw·(cm2·sr·nm)-1; Δλ為帶寬, 單位是nm;η(λ)為探測(cè)器響應(yīng)率, 單位A·W-1。 根據(jù)式(10)可以得到光電流Is的值約為1.8×10-7。 根據(jù)所求結(jié)果再由式(11)可以求得系統(tǒng)散粒噪聲Ishot

(11)

熱噪聲可由式(12)表示

(12)

式(12)中,K為玻爾茲曼常數(shù), 約為1.38×10-23W·s-1·K-1;Rf是前放反饋電阻。 本系統(tǒng)中前放反饋電阻為16.5 kΩ。 代入式(12)可求得熱噪聲。 根據(jù)式(13)中的標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式可求得G12183-010K型探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度εs≈0.23%。

(13)

4.2 硬件電路及AD采集卡不確定度

本系統(tǒng)探測(cè)器的原始信號(hào)需要經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路和放大電路處理后才能方便AD采集卡進(jìn)行電壓采集, 這兩個(gè)信號(hào)處理過程都會(huì)給最終測(cè)量結(jié)果帶來不同程度的誤差。 本溫度測(cè)量系統(tǒng)中的I/V轉(zhuǎn)換電路采用AD820實(shí)現(xiàn), 此部分噪聲的不確定度ε2可以由式(14)計(jì)算得出。

(14)

式(14)中,In為電流噪聲;En為電壓噪聲;Rf為反饋電阻的阻值。 放大電路采用芯片OP27, 此部分的噪聲不確定度可以由式(15)計(jì)算得出

(15)

整個(gè)電路系統(tǒng)的不確定度可以由式(17)計(jì)算得出。 AD820芯片與OP27芯片連用, 總體的不確定度不會(huì)超過0.1%。 所以, 此部分的總體不確定度εe按0.1%進(jìn)行計(jì)算。

(16)

本系統(tǒng)采用北京阿爾泰公司的USB2892型AD采集卡進(jìn)行模擬量電壓信號(hào)采集, 此AD采集卡的轉(zhuǎn)換精度是16位, 可以計(jì)算出AD采集卡的不確定度εAD=0.001 5%。

4.3 溫度標(biāo)定不確定度

對(duì)測(cè)溫鏡頭進(jìn)行標(biāo)定的黑體爐的發(fā)射率為0.99。 黑體爐的溫度波動(dòng)在1 K左右。 根據(jù)式(17)可以求出黑體輻射能量的相對(duì)誤差大小。

(17)

當(dāng)溫度為300 ℃時(shí), 此時(shí)相對(duì)誤差εc達(dá)到最大值0.70%。 在溫度標(biāo)定中, 因?yàn)椴捎米钚《朔ㄟM(jìn)行電壓-溫度擬合, 所以各個(gè)溫度點(diǎn)的擬合準(zhǔn)確度不同。 根據(jù)采樣點(diǎn)的標(biāo)定相對(duì)誤差和隨機(jī)點(diǎn)的相對(duì)誤差來看, 選擇最大值作為標(biāo)定中的最大誤差。 當(dāng)溫度為475 ℃時(shí)相對(duì)誤差最大, 最大誤差εT值為0.69%。

最終求得整個(gè)系統(tǒng)的合成不確定度為1.01%。 令置信系數(shù)為2, 合成的擴(kuò)展不確定度為2.02%, 此時(shí)置信概率為95.45%。

5 結(jié) 論

采用輻射測(cè)溫的技術(shù)手段, 研制出一套針對(duì)晶體管式焊接電源的焊頭動(dòng)態(tài)溫度高速測(cè)量系統(tǒng), 結(jié)合本課題具有待測(cè)目標(biāo)源小、 結(jié)構(gòu)特殊、 目標(biāo)放熱時(shí)間短、 溫度測(cè)量系統(tǒng)速度要求快的特點(diǎn)。 從分析焊頭的結(jié)構(gòu)及紅外光譜輻射特性入手, 設(shè)計(jì)了一種激光瞄準(zhǔn)式的光學(xué)系統(tǒng), 提出了朗伯體法, 最終實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量的速度優(yōu)于2 000次每秒, 測(cè)量的精度優(yōu)于3%, 實(shí)現(xiàn)了測(cè)得快, 測(cè)得準(zhǔn)。 這對(duì)提高焊接良品率, 提高工業(yè)水平設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 并且該系統(tǒng)對(duì)紅外多波段制導(dǎo)半實(shí)物仿真目標(biāo)環(huán)境陽光反射特性模擬需要的問題, 提供了對(duì)應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。