基于紅外輻射測溫法的焊頭動態(tài)高速真溫測量系統(tǒng)研制

蕭 鵬, 臺泓冰, 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. 中國航天科工集團第四研究院, 北京 100038

3. 中國空空導(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行細微調(diào)整的特點, 還能夠很好的抑制焊接時產(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線上使用。 正是因為晶體管式焊接電源的這些特點, 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除了電壓、 電流之外, 影響焊接質(zhì)量的另一個非常重要而且直觀的參數(shù)就是焊接時焊頭的溫度[2]。 在焊接中, 焊頭的溫度對焊頭和焊件的壽命、 焊點和焊盤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用。

長期以來, 國內(nèi)外很多學(xué)者對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, 在理論上還難以進行準(zhǔn)確的定量分析。 所以若想要掌握溫度信息, 還需要對溫度進行直接測量, 采用最直觀有效的手段獲取溫度信息。

我國在焊頭溫度測量這一領(lǐng)域的研究相比于國外較晚。 2013年, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張煥良采用K型熱電偶實現(xiàn)了對焊錫機器人焊頭的溫度測量及控制。 在前期工作的基礎(chǔ)上, 通過總結(jié)前人成功經(jīng)驗和分析問題, 以紅外輻射測溫中的亮度測溫法為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)設(shè)計, 通過對焊頭結(jié)構(gòu)的分析, 采用黑體法進行溫度測量, 通過測量焊頭前端的小孔得到焊頭的真實溫度。 與原型相比較不僅測溫精度高、 響應(yīng)速度快、 測溫范圍寬而且在設(shè)計理念和結(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量任務(wù)。 儀器的技術(shù)指標(biāo)為： 測量溫度范圍： 300～800 ℃(573.15～1 073.15 K); 測量結(jié)果精度： 優(yōu)于±3%; 測量速度： 不低于2 000個溫度點/s; 測量目標(biāo)點數(shù)： 1個; 測量目標(biāo)源大?。?0.5 mm; 測量距離： 10 cm。

1 測溫原理

1.1 亮度法測溫

亮度測溫法也稱作單色測溫法, 它測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, 通過亮度測溫計測量待測物體的單色輻射亮度并于黑體的單色輻射亮度對比, 最終計算出表面溫度, 式(1)為其表達式

(1)

式(1)中,ML為亮度溫度,λ為中心波長。 但是在實際的測量中都是非黑體, 沒有絕對的黑體, 所以實際待測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)為待測物體在波段為[λ-Δλ,λ+Δλ]、 溫度為T時的發(fā)射率。 假定在某一特定波長和溫度T時, 式(2)可寫成如式(3)形式

(3)

當(dāng)λcT<0.002 m·K時, 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)射率對測量結(jié)果的影響非常大, 帶寬過大時多余的輻射信號會影響結(jié)果的精度, 帶寬過小時接收到的信號較弱會影響測量結(jié)果; 發(fā)射率越接近于黑體, 亮溫越接近于真溫。

1.2 朗伯體法測溫

在輻射測溫理論中, 無論是亮度測溫法、 比色測溫法還是全輻射測溫法, 都存在著發(fā)射率難以確定的共性問題。 本工作通過對實際測量對象結(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]。 此種方法是在待測目標(biāo)上加工一個小孔, 使此小孔的發(fā)射率接近黑體。 由于加熱時間很短, 在此過程中熱量損失很小, 通過對此小孔的溫度進行測量來得到物體的真實溫度。 此方法典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 黑體法測溫

使用的點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 焊頭實物及局部放大圖

根據(jù)點焊頭的實物可以看出, 點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。 由于待測目標(biāo)形狀的特殊性, 可以把點焊頭上小孔當(dāng)作近似朗伯體, 通過測量它的溫度得到最終結(jié)果。 未被氧化時點焊頭的發(fā)射率為0.55, 因此可計算得到近似黑體的發(fā)射率值。 采用Gouffe計算方法, 以所提供的未被氧化的點焊頭發(fā)射率的值對焊頭上的小孔進行空腔黑體發(fā)射率值計算。 其計算公式如式(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2.3 μm時材料發(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)中進行計算, 得到焊頭的溫度值。

2 系統(tǒng)研制

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

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

測溫系統(tǒng)采用亮度測溫的方法, 選用的光電探測器的峰值波長為2.3 μm, 要達到最好的測量效果需要加入分光系統(tǒng), 使所需要的波長被探測器接收而不接收其他波長的光。 選擇用一片濾光片進行分光來獲取待測目標(biāo)源在特定波段下的能量信息, 這樣既簡化了光路的結(jié)構(gòu), 又易于安裝, 也是在單波長光路中的常用方式。 采用的濾光片的中心波長為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)由透鏡射出進入探測器。 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 多級放大電路

圖6 黑體輻射源

2.2 放大電路

由于探測器從目標(biāo)源獲得能量后輸出信號很小, 所以要利用放大電路對信號采集和處理。 當(dāng)放大器級聯(lián)時, 前級對總噪聲的影響是最大的, 如果第一級的功率增益足夠大, 則可以忽略后級對系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲, 可以認(rèn)為系統(tǒng)總噪聲僅由第一級產(chǎn)生。 所以在運算放大器選型時, 要選取低噪聲、 高增益、 高輸入阻抗和共模抑制比、 性能穩(wěn)定的運算放大器。 采用AD820和OP27兩種運算放大器。 通過查詢芯片手冊可以知道, AD820與OP27噪聲系數(shù)相差不大, 而且AD820是軌對軌運算放大器(輸出可以最大限度接近電源電壓), 而且在對兩種芯片分別做第一級的實際性能測試中, AD820的效果也優(yōu)于OP27, 所以采用AD820做整個放大電路的第一級。

C為反饋電容, 既能達到濾波的效果, 又能防止自激振蕩。 反饋電容C與反饋電阻R一起決定了此多級放大電路的響應(yīng)速度, 由式(8)可以求得響應(yīng)時間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)要求實時性和每秒2 000個溫度點的極快速度, 而且要對原始數(shù)據(jù)、 測量數(shù)據(jù)進行保存, 所以采用上位機與數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)此部分功能。 由于對單個目標(biāo)采用兩級放大的方式, 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。 通過衡量價格、 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)射率驗證實驗

3.1 儀器標(biāo)定實驗

儀器的標(biāo)定是本測溫系統(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量結(jié)果的精度。 輻射測溫系統(tǒng)在使用之前, 必須使用黑體爐作為標(biāo)定源進行設(shè)備標(biāo)定。 采用美國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, 采樣點數(shù)越多, 測量結(jié)果越準(zhǔn)確。 所以, 在標(biāo)定時每隔25 ℃作為一個溫度采樣點, 在300～800 ℃之間共選擇21個采樣點。 經(jīng)過多種擬合公式和擬合方式對比, 選擇使用指數(shù)衰減模型, 并且采用最小二乘法進行分段擬合, 兩段擬合區(qū)間為300～525和525～800 ℃時, 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)定時測得的電壓值代入式(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黑體爐300～800 ℃區(qū)間內(nèi)的各個采樣溫度點進行測量。 測量結(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)射率驗證實驗

由于使用所提供的發(fā)射率值進行黑體空腔發(fā)射率計算, 所以要對所提供的發(fā)射率值的準(zhǔn)確性進行驗證。 因為本課題晶體管式焊接電源在工作時施加400 A左右的瞬時電流脈沖, 在點焊頭上產(chǎn)生焦耳熱進行焊接。 在早期的脈沖加熱中大多都是使用整體黑體法進行發(fā)射率測量[11]。 一般情況下, 整體黑體法需要在待測目標(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, 采用整體黑體法對點焊頭的發(fā)射率進行測量驗證。 測量時, 將這個小孔的溫度當(dāng)作黑體的溫度。 同時采用兩個測溫儀對點焊頭上的小孔和點焊頭的表面進行溫度測量, 并通過作比得到點焊頭的發(fā)射率的值。 測量結(jié)果如圖9所示。 根據(jù)測量的結(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)點焊頭進行多次打火放熱后, 其表面會發(fā)生氧化。 氧化后的點焊頭實物圖如圖10所示。 其發(fā)射率的測量結(jié)果如圖11所示。 根據(jù)圖5—圖11中的發(fā)射率測量結(jié)果可以看出, 氧化后的鎢銅合金點焊頭的發(fā)射率約為0.85, 與文獻中查詢的發(fā)射率數(shù)值一致。

圖11 氧化后點焊頭發(fā)射率測量結(jié)果

4 不確定度分析

為了驗證測量的準(zhǔn)確性, 在對標(biāo)定的各個采樣點進行溫度測量后, 在幾百度溫度區(qū)間內(nèi)隨機選擇溫度點進行溫度測量。 溫度測量結(jié)果及誤差如表4所示。

表4 隨機采樣點的溫度測量結(jié)果及誤差

4.1 探測器不確定度

探測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為瞬時立場角, 單位是sr;T(λ)為中心波長λ下的透過率;L(λ)為中心波長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)探測器的原始信號需要經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路和放大電路處理后才能方便AD采集卡進行電壓采集, 這兩個信號處理過程都會給最終測量結(jié)果帶來不同程度的誤差。 本溫度測量系統(tǒng)中的I/V轉(zhuǎn)換電路采用AD820實現(xiàn), 此部分噪聲的不確定度ε2可以由式(14)計算得出。

(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)計算得出

(15)

整個電路系統(tǒng)的不確定度可以由式(17)計算得出。 AD820芯片與OP27芯片連用, 總體的不確定度不會超過0.1%。 所以, 此部分的總體不確定度εe按0.1%進行計算。

(16)

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

4.3 溫度標(biāo)定不確定度

對測溫鏡頭進行標(biāo)定的黑體爐的發(fā)射率為0.99。 黑體爐的溫度波動在1 K左右。 根據(jù)式(17)可以求出黑體輻射能量的相對誤差大小。

(17)

當(dāng)溫度為300 ℃時, 此時相對誤差εc達到最大值0.70%。 在溫度標(biāo)定中, 因為采用最小二乘法進行電壓-溫度擬合, 所以各個溫度點的擬合準(zhǔn)確度不同。 根據(jù)采樣點的標(biāo)定相對誤差和隨機點的相對誤差來看, 選擇最大值作為標(biāo)定中的最大誤差。 當(dāng)溫度為475 ℃時相對誤差最大, 最大誤差εT值為0.69%。

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

5 結(jié) 論

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