弧焊环境电磁场超低频测量仪器的研制

摘要

焊接技术广泛应用于航空航天、铁路桥梁、汽车、船舶等领域,并被形象地称之为“工业缝纫机”。电弧焊接作为焊接的一种,其方法和过程多种多样,弧焊电源输出电流的复杂性导致了弧焊现场电磁环境的多样性。现有的研究表明,长期暴露在这种电磁环境下,对人体健康产生不利影响,因此,电磁场测量技术成为目前焊接领域的研究热点,研究和开发精度高、稳定性好、灵敏度强、使用简单、成本低廉的磁场测量仪器有着深远的意义。
　　 本文主要是在结合电磁场理论、分析弧焊环境电磁场特点的基础上,研制了一套电磁场测量系统。本文设计的时变磁场测量系统包括软硬件两部分。系统硬件部分包括磁场传感器、滤波电路和数据采集卡;系统软件部分是采用美国国家仪器公司的LabVIEW软件环境,完成对采集数据的时域、频域显示、保存等功能,滤波单元的程序编写是基于AVR-GCC的C语言设计软件,在实现截止频率可调的基础上,完成对弧焊环境电磁场测量过程中噪声干扰的有效滤波。
　　 通过对磁场测量系统的设计过程和最终的实践应用,本课题取得了如下进展:
　　 1、针对弧焊过程电磁环境复杂性的特点,为了将信号中不需要的成分滤除,以提高测量系统的准确度,设计了一个八阶低通开关电容滤波器,有效地滤除了电磁环境中的噪声信号。
　　 2、根据弧焊过程电磁环境的时域、频域特性,制定了适合弧焊环境的测量方案,以弧焊设备输出端直电缆周围磁场为检测对象,实验验证了所设计的电磁测量系统可以测量最高50KHz的磁场。
　　 3、实验表明,电缆周围的磁场不仅和电流大小有关系还和电流的波形有关系。当焊接电源输出同样频率的不同波形时,电流波形的高次谐波分布不同,导致焊接电缆周围的磁场频谱分布不同。电流变化的上升和下降沿越陡峭,即上升和下降时间越短,则磁场的高次谐波分量越大。测量表明当弧焊作业时相同频率的焊接电流,不同的电流大小和不同的电流波形,所产生的电磁场对人体的影响不同。
　　 本测量系统具有软硬件相结合的特点,重复性较好,为磁场测量仪器的研究和开发奠定了初步基础,并为焊接电磁环境下的磁场评估与安全标准提供了技术支持,对焊接电磁研究与工程应用都具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 电磁辐射概述

1.1.2 弧焊电磁场测量的意义

1.2 电磁场测量的发展历程

1.3 电磁场测量仪器的现状

1.3.1 意大利PMM8053电磁测试系统

1.3.2 德国NARDAELT-400电磁测试系统

1.3.3 国内电磁测量仪器现状

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 电磁场及开关电容滤波器

2.1 电磁场理论

2.1.1 法拉第电磁感应定律

2.1.2 傅里叶变换理论

2.2 弧焊环境电磁场

2.3 电磁场测量方法

2.4 开关电容滤波器

2.4.1 基本构成

2.4.2 工作原理

2.4.3 类型选择

2.5 测量系统总体设计

2.6 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 硬件系统概述

3.2 传感器部分

3.2.1 探测线圈的设计原理

3.2.2 探测线圈的频率特性分析

3.3 滤波电路部分

3.3.1 概述

3.3.2 工作原理

3.3.3 滤波单元设计

3.3.4 控制单元设计

3.3.5 电路板的设计与实现

3.4 数据采集部分

3.4.1 工作原理

3.4.2 采集卡驱动程序

3.4.3 本文选用的数据采集卡

3.5 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 系统软件开发环境——LABVIEW

4.1.1 概述

4.1.2 LABVIEW的特点

4.1.3 外部扩展硬件的驱动程序

4.2 系统软件的具体实现

4.2.1 系统软件功能框图

4.2.2 系统流程图

4.3 仪器面板的设计

4.3.1 虚拟仪器软面板的设计原则

4.3.2 仪器主面板的设计

4.4 软件功能的设计实现

4.4.1 主程序部分

4.4.2 数据采集显示部分

4.4.3 数据保存部分

4.4.4 计算部分

4.5 单片机软件开发环境——AVR-GCC

4.6 单片机程序的设计实现

4.7 本章小结

第5章 弧焊电磁场的测量及结果

5.1 实验准备

5.2 测量对象

5.3 实验结果分析

5.3.1 滤波前后测最结果对比

5.3.2 不同电流波形的磁场测量

5.3.3 不同电流大小的磁场测量

5.4 实验结果验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢