光纖電焊電流測量技術研究

趙葉銘，王曉飛，李傳生，邵海明，李 奇

(1.北京信息科技大學，北京100192；2.中國計量科學研究院，北京100029；3.天津大學，天津300072)

1 引 言

電阻焊技術廣泛應用于汽車、航空航天、儀器儀表、石油化工及輕工業(yè)領域[1～4]，它利用電流通過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。因此，焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關鍵因素之一，精確地測量焊接電流對于提升產(chǎn)品的一致性、可靠性和壽命都有重要意義。常用的電阻焊機包括：單相交流式、電容儲能式、晶體管式、交流逆變式和直流逆變式等類型。其中，直流逆變式電焊機具有控制精度高、控制方式靈活、高效、節(jié)能、響應速度快、變壓器體積小、重量輕等優(yōu)點，是電阻焊機的主要發(fā)展方向[5,6]。直流逆變焊機焊接電流的信號特征為：近似梯形脈沖波，幅值一般在幾kA到幾十kA量級，上升、下降及持續(xù)時間為ms量級，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，電阻焊機焊接電流一般采用羅氏線圈進行測量[7,8]。受原理限制，羅氏線圈無法測量直流電流，且測量精度易受安裝偏心及外部雜散磁場影響。基于Faraday磁光效應的光纖電流傳感器具有測量精度高，頻響范圍寬、動態(tài)范圍大等特點，可以同時測量直流和交流電流，測量精度對敏感環(huán)路偏心及外磁場干擾的敏感度較低，適合于低頻及長脈沖大電流的高精度測量[9,10]。

本文以直流逆變電焊機焊接電流為研究對象，探討將光纖電流傳感技術應用于焊接電流測量的可行性。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)檢測系統(tǒng)的動態(tài)模型，通過仿真計算確定了適用于直流逆變電焊機焊接電流測量的閉環(huán)控制參數(shù)；最后進行了焊接電流的現(xiàn)場實測驗證。

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°光纖熔接點均分為兩束正交的線偏振光并分別進入保偏光纖的快、慢軸；兩束正交的線偏振光經(jīng)過相位調(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€偏振光返回時沿慢軸傳輸，原本沿保偏光纖慢軸傳輸?shù)木€偏振光返回時沿快軸傳輸)；這兩束線偏振光經(jīng)過相位調(diào)制器后在45°熔點處發(fā)生干涉，并經(jīng)起偏器檢偏；干涉光強由環(huán)形器進入光電探測器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，通過后續(xù)處理得到被測電流[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)法拉第磁光效應和安培環(huán)路定律，兩束信號光之間的相位差為：

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為被測電流。

干涉光強為：

(2)

式中:α為光路損耗;P0為光源輸出功率。

根據(jù)式(2)可知，干涉光強信號是一個余弦信號。由于被測電流產(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)中引入一個周期為2τ(τ為渡越時間，即光往返兩次經(jīng)過相位調(diào)制器所需的時間)，幅值為± π /2的方波調(diào)制相位。此時，干涉光強變?yōu)榉讲ㄐ盘枺粶y電流被調(diào)制在方波的幅值上，通過峰峰值差分檢測，可實現(xiàn)被測電流的解調(diào)。同時，為了保證傳感器的線性度和動態(tài)范圍，采用閉環(huán)反饋技術，引入以Faraday相移的大小為臺階高度的階梯波調(diào)制相位，反饋補償Faraday相移[13,14]。無限下降或上升的階梯波是不存在的，利用干涉光強信號的2 π 周期特性，使階梯波信號大于2 π 時，自動產(chǎn)生一個2 π 復位，不影響傳感器精度[15]。

3 理論分析

根據(jù)直流逆變電焊機焊接電流的時域特征，可知它是一個寬頻帶脈沖信號。因此，建立光纖電流傳感器的動態(tài)模型，確定影響傳感器寬頻測量的關鍵因素，對于提升電焊電流的測量精度具有重要意義。

3.1 動態(tài)模型

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

其中干涉、光電探測器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字解調(diào)等5個環(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，稱為前項總增益。Qg為前項增益的調(diào)節(jié)系數(shù)，可調(diào)節(jié)前向增益的大小。為避免階梯波復位對傳感器測量精度的影響，反饋通道總增益應為定值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 時域、頻域特性分析與測試

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

利用MATLAB/Simulink仿真工具，對不同前向增益下傳感器的階躍響應和頻率響應特性進行仿真計算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 時域、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間，提高響應速度。但是，前向增益太大會導致系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)振蕩。當Qg=0.019 043 時，傳感器階躍響應的超調(diào)量約為4%。在實測實驗中于某一時間在反饋階梯波信號上同步疊加一個固定臺階高度的階梯波調(diào)制信號，引入相位階躍激勵，并完整記錄階躍響應過程。階躍響應的仿真曲線與實測曲線一致性良好，圖3(a)中，Qg=0.019 043時，仿真曲線和實測曲線基本重合。傳感器的上升時間約為4個反饋周期即4.1 μs，可以很好地滿足對直流逆變電焊機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，擴展頻響特性的平坦區(qū)域；但前向增益過大，頻率響應曲線將產(chǎn)生非常大的諧振，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。當Qg=0.019 043時，傳感器頻響特性平坦，帶寬約為86 kHz。實測實驗利用信號發(fā)生器和跨導放大器產(chǎn)生高頻電流信號作為測試信號，利用寬頻精密分流器(精度優(yōu)于±0.01%)和8位半數(shù)字電壓表作為標準表監(jiān)測回路電流，光纖電流傳感器的測量結(jié)果與之比較，測試傳感器的頻率響應特性。實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實驗結(jié)果表明：光纖電流傳感器在DC～20 kHz范圍內(nèi)頻率響應幾乎不發(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及頻率響應特性的實測結(jié)果與理論仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗證了本文所建立的傳感器的動態(tài)模型的準確性。可依據(jù)該模型計算傳感器對直流逆變電焊機焊接電流紋波分量的響應。

將焊接電流的紋波分量近似等效為頻率為 2 kHz 的三角波，并作為傳感器動態(tài)模型的輸入，計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曲線Fig.4 Response to ripple current of fiber-optic current sensor

可以看出：傳感器的響應速度可以跟蹤紋波信號，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Qg=0.009 75時，峰值跟蹤誤差為-1.5%，有效值誤差為-0.1%；而當Qg=0.028 75時，峰值誤差和有效值誤差都幾乎為0。然而，Qg=0.028 75時系統(tǒng)的階躍響應已經(jīng)出現(xiàn)了26%的超調(diào)振蕩，頻率響應也出現(xiàn)了非常大的諧振，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，所以要根據(jù)實際信號的測量需求和系統(tǒng)的動態(tài)性能折中選擇合適的前向增益。本文選取Qg=0.019 043，此時系統(tǒng)的階躍響應超調(diào)量為4%，對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速度、足夠的測量帶寬和對紋波的測量精度。實際上，對于直流逆變焊機的焊接電流，紋波分量的有效值一般不超過直流分量的20%，因此，對紋波分量測量精度的要求也會大幅降低。

4 實驗研究

4.1 光纖電流傳感器校準

為保證直流逆變電焊機焊接電流直流分量的測量精度，采用等安匝法對光纖電流傳感器在直流電流下進行校準。如圖5所示，直流電源驅(qū)動4組線圈(每組15匝，共計60匝)產(chǎn)生等安匝電流，傳感器的柔性敏感環(huán)穿過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，整體準確度優(yōu)于0.02%。光纖電流傳感器的測量值與等安匝電流進行比較。測試結(jié)果表明：在直流5～50 kA范圍內(nèi)，光纖電流傳感器的測量誤差在±0.05%以內(nèi)。

圖5 光纖傳感器直流大電流校準裝置及結(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)場測量

利用光纖電流傳感器對某型直流逆變電焊機的焊接電流進行了現(xiàn)場測量，圖6所示為實測焊接電流波形。對實測波形的紋波分量進行頻譜分析，可以看出：直流逆變電焊機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)場測試結(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試儀對直流逆變焊接電流進行監(jiān)測，其測量精度直接影響焊接工藝及質(zhì)量，需要定期校準。目前，直流逆變電焊電流測試儀的測量精度一般為2%。光纖電流傳感器具有較高的直流測量精度和平坦的頻率響應，可用于電焊電流測試儀的現(xiàn)場校準。

將羅氏線圈與光纖敏感環(huán)接入電焊機的二次回路，羅氏線圈在安裝時需注意將中心部位接觸至二次導體。光纖電流傳感器在設計時充分考慮了現(xiàn)場安裝的便捷性，采用柔性封裝設計，可以圍繞被測電流形成多圈敏感環(huán)路，并將環(huán)路閉合點遠離載流導體，最大程度地抑制環(huán)路閉合誤差的影響。

根據(jù)焊接電流測量儀技術手冊，焊接電流測量儀對焊接電流有效值的計算方法為：以10 ms為周期，去掉處于上升時間的周期以及檢測結(jié)束前的最后一個周期，計算剩余周期電流有效值的平均值。檢測結(jié)束的判斷依據(jù)為當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)該算法對光纖電流傳感器的采樣值進行計算，并作為標準值對某型直流逆變電焊電流測試儀進行校準，結(jié)果如表2所示，焊接電流測量儀的測量誤差小于1.5%，滿足2%標稱精度的要求。

表2 電焊電流測試儀現(xiàn)場校準結(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態(tài)模型，完成了時域和頻域特性的仿真和實驗驗證，研究了傳感器對焊接電流紋波分量的響應，并將光纖電流傳感器用于直流逆變焊接電流的測量及焊接電流測試儀的在線校準，得到以下結(jié)論：

1) 通過優(yōu)化閉環(huán)檢測系統(tǒng)的前向增益，使得傳感器的上升時間減小至4.1 μs，DC～30 kHz范圍內(nèi)頻率響應的衰減量小于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%，動態(tài)跟蹤能力滿足直流逆變電焊脈沖電流的測量要求。

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

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