微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法及实现该方法的在线测试系统

摘要

微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法及实现该方法的在线测试系统，涉及微弧氧化负载阻抗谱的测试方法，它为了解决现有电化学阻抗谱法难以描述膜层在强烈的电化学反应下生长时的特性的问题。本发明所述的微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法是在现有微弧氧化电源上叠加变频的正弦交流扰动信号，在线实时检测负载的电压信号和电流信号，进而通过所述电压信号和电流信号获得微弧氧化电源在带负载工作过程中的负载阻抗谱。实现微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法的系统，它由叠加扰动信号的微弧氧化电源、电压检测电路、电流检测电路和微弧氧化负载组成，通过电压信号与电流信号的幅频和相频得到负载阻抗谱。本发明适用于微弧氧化负载阻抗谱在线测试领域。

说明书

技术领域

本发明涉及微弧氧化负载阻抗谱的测试方法。

背景技术

微弧氧化是一种在铝、镁、钛等金属及其合金表面原位生成陶瓷相氧化膜的表面改性 新技术，因其生成的膜层具有优良的耐磨、耐蚀性能而受到了广泛的关注。而随着该技术 工业应用的发展，由工艺能耗过大导致的成本过高的问题日益突出，降低微弧氧化电能消 耗也成为了研究的重点，因此研究微弧氧化电源的负载特性，明确电源对负载的作用效能， 对改善膜层性能、降低工艺能耗从而促进微弧氧化技术的工业化应用有重要的意义。

目前，能够明确微弧氧化负载特性的主要方法是一种电化学阻抗谱法 (EIS-Electrochemical Impedance Spectroscopy)，这种方法是电化学领域研究金属表面各种 转化膜层或涂层的常用方法，一般将具有某种膜层的工件浸于电解液中，对其施加微小幅 值(mV或mA级)的正弦扰动信号，并测量扫频扰动的响应，再通过扰动与响应信号的 幅频/相频关系来研究膜层的结构、耐磨耐蚀性能或阻抗变化特征，同时也可用来确定膜 层的等效电路及其参数。但电化学阻抗谱法实际上是将膜层已经生长完毕的工件作为研究 对象，因此其描述的是膜层处于静态时的特性，显然这种特性和膜层在强烈的电化学反应 下生长时的特性是大不一样的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电化学阻抗谱法难以描述膜层在强烈的电化学反应下 生长时的特性的问题，提供一种微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法及实现该方法的在线测 试系统。

本发明所述的微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法是在现有微弧氧化电源上叠加变频 的正弦交流扰动信号，然后在微弧氧化电源连接负载工作的过程中，在线实时检测负载的 供电电源的电压信号和供电电源的电流信号，进而通过所述电压信号和电流信号获得微弧 氧化电源在带负载工作过程中的负载阻抗谱。

实现上述微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法的系统，它由叠加扰动信号的微弧氧化电 源、电压检测电路、电流检测电路和微弧氧化负载组成，微弧氧化电源的电源输出端连接 微弧氧化负载的供电输入端，电压检测电路并联在叠加扰动信号的微弧氧化电源与微弧氧 化负载之间，用于测量微弧氧化负载的供电电源的电压信号，电流检测电路用于测量微弧 氧化负载的供电电源的电流信号；叠加扰动信号的微弧氧化电源由正弦交流扰动信号电路 和微弧氧化电源组成，正弦交流扰动信号电路的输出端连接在微弧氧化电源的扰动信号输 入端。

本发明是在微弧氧化电源提供微弧氧化条件进行氧化反应的同时，在微弧氧化电源上 叠加变频的正弦交流扰动信号电路电源，按阶段进程进行扰动信号的快速扫频，通过电压 检测电路和电流检测电路取得相同时刻在线的电压值和电流值，通过电压信号与电流信号 的幅频和相频关系得到实际氧化过程中的负载阻抗谱，进而获得低幅扰动下各个阶段的负 载在线等效电路及参数。通过对负载频率响应得到膜层在电化学反应下生长时的相频和幅 频特性，从而实现在微弧氧化的过程中在线测试负载阻抗的目的。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图，图2为具体实施方式六所述的一种正弦交流扰 动信号电路1-1的电路结构示意图，图3为具体实施方式八所述的正弦交流扰动信号电路 1-1的电路结构示意图，图4至7为具体实施方式六所述的一种正弦交流扰动信号电路1-1 在产生正弦交流扰动信号过程中的四种工作模式下的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法，它是在现有 微弧氧化电源上叠加变频的正弦交流扰动信号，然后在微弧氧化电源连接负载工作的过程 中，在线实时检测负载的供电电源的电压信号和供电电源的电流信号，进而通过所述电压 信号和电流信号获得微弧氧化电源在带负载工作过程中的负载阻抗谱。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法 的进一步限定，本实施方式中，微弧氧化电源采用电压型微弧氧化电源，采用正弦交流扰 动电压信号电路在微弧氧化电源上叠加变频的正弦交流扰动信号。

电压型微弧氧化电源与正弦交流扰动电压信号电源通过变压器耦合串联，输出高于脉 冲临界击穿电压且叠加有正弦扰动电压信号的直流电压，并连接到微弧氧化负载。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述微弧氧化负载阻抗谱在线测试方法 的进一步限定，本实施方式中，微弧氧化电源采用电流型微弧氧化电源，采用正弦交流扰 动电流信号电路在微弧氧化电源上叠加变频的正弦交流扰动信号。

电流型微弧氧化电源与正弦交流扰动电流信号电源通过变压器耦合并联，输出叠加有 正弦扰动信号的直流电流，并连接到微弧氧化负载。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，实现实施方式一所述的微弧氧化负载阻 抗谱在线测试方法的在线测试系统，它由叠加扰动信号的微弧氧化电源1、电压检测电路 2、电流检测电路3和微弧氧化负载组成，微弧氧化电源1的电源输出端连接微弧氧化负 载的供电输入端，电压检测电路2并联在叠加扰动信号的微弧氧化电源1与微弧氧化负载 之间，用于测量微弧氧化负载的供电电源的电压信号，电流检测电路3用于测量微弧氧化 负载的供电电源的电流信号；叠加扰动信号的微弧氧化电源1由正弦交流扰动信号电路 1-1和微弧氧化电源1-2组成，正弦交流扰动信号电路1-1的输出端连接在微弧氧化电源 1-2的扰动信号输入端。

通过电压检测电路2测得电压信号与电流检测电路3测得的电流信号的幅频和相频关 系得到实际氧化过程中的负载阻抗谱。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式四所述微弧氧化负载阻抗谱在线测试系统 的进一步限定，微弧氧化电源1-2采用电压型微弧氧化电源，正弦交流扰动信号电路1-1 采用正弦交流扰动电压信号电路。

具体实施方式六：参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式五所述微弧氧 化负载阻抗谱在线测试系统的进一步限定，正弦交流扰动信号电路1-1由直流电源1-1-1、 一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、一号电阻R₁、二号电阻 R₂、三号电阻R₃、四号电阻R₄、一号电容C₁、二号电容C₂、三号电容C₃、四号电容C₄、 五号电容C₅、一号二极管D₁、二号二极管D₂、三号二极管D₃、四号二极管D₄、电感L₁和变压器T₁组成，直流电源1-1-1的正极同时连接在一号开关管S₁的漏极、一号二极管 D₁的阴极、一号电容C₁的一端、三号开关管S₃的漏极、三号二极管D₃的阴极和三号电 容C₃的一端，一号电容C₁的另一端通过一号电阻R₁同时连接在一号开关管S₁的源极、 一号二极管D₁的阳极、电感L₁的一端、二号开关管S₂的漏极、二号二极管D₂的阴极和 二号电容C₂的一端，二号电容C₂的另一端连接在二号电阻R₂的一端，电感L₁的另一端 同时连接在五号电容C₅的一端、变压器T₁初级绕组的一端，三号电容C₃的另一端通过 三号电阻R₃同时连接在三号开关管S₃的源极、三号二极管D₃的阳极、四号开关管S₄的 漏极、四号二极管D₄的阴极、四号电容C₄的一端、五号电容C₅的另一端和变压器T₁初 级绕组的另一端，四号电容C₄的另一端连接在四号电阻R₄的一端，直流电源1-1-1的负 极同时连接在二号开关管S₂的源极、二号二极管D₂的阳极、四号开关管S₄的源极、四 号二极管D₄的阳极、二号电阻R₂的另一端和四号电阻R₄的另一端，变压器T₁的次级绕 组的一端连接在微弧氧化电源1-2的正极，变压器T₁的次级绕组的另一端连接在微弧氧 化负载的一端，微弧氧化电源1-2的负极连接在微弧氧化负载的另一端；

所述一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃和四号开关管S₄均选用MOSFET 或IGBT开关管。

本实施方式所述的正弦交流扰动信号电路1-1在产生正弦交流扰动信号过程中有四 种工作模式：

第一种工作模式的电路原理参见图4所示：一号开关管S₁和四号开关管S₄开通，电 流i_L正向流动，并且线性上升，直流稳压电源1-1-1给电感L₁充电；

关断一号开关管S₁和四号开关管S₄，第一种工作模式结束。

第二种工作模式的电路原理参见图5所示：关断一号开关管S₁和四号开关管S₄，电 流i_L继续正向流动，电感通过二号二极管D2和三号二极管D3续流并且电流线性下降；

电流降为零时，第二种工作模式结束。

第三种工作模式的电路原理参见图6所示：二号开关管S₂和三号开关管S₃开通，电 流i_L反向流动，并且反向线性上升，直流稳压电源1-1-1给电感L₁反向充电；

关断二号开关管S₂和三号开关管S₃，第三种工作模式结束。

第四种工作模式的电路原理参见图7所示：关断二号开关管S₂和三号开关管S₃，电 流i_L继续反向流动，电感通过一号二极管D1和四号二极管D4续流并且电流线性下降；

电流降为零时，第四种工作模式结束。

具体实施方式七：本实施方式是对实施方式六所述微微弧氧化负载阻抗谱在线测试系 统的进一步限定，微弧氧化电源1-2采用电流型微弧氧化电源，正弦交流扰动信号电路 1-1采用正弦交流扰动电流信号。

电流型微弧氧化电源与正弦交流扰动电流信号电源通过变压器耦合并联，输出叠加有 正弦扰动信号的直流电流，并连接到微弧氧化负载。

具体实施方式八：参见图3说明本实施方式。本实施方式是对实施方式七所述微弧氧 化负载阻抗谱在线测试系统的进一步限定，正弦交流扰动信号电路1-1由直流电源1-1-1、 一号开关管S₁、二号开关管S₂、三号开关管S₃、四号开关管S₄、一号电阻R₁、二号电阻 R₂、三号电阻R₃、四号电阻R₄、一号电容C₁、二号电容C₂、三号电容C₃、四号电容C₄、 一号二极管D₁、二号二极管D₂、三号二极管D₃、四号二极管D₄、五号二极管D₅、六号 二极管D₆、电感L₁和变压器T₁组成，直流电源1-1-1的正极同时连接在一号开关管S₁的漏极、一号二极管D₁的阴极、一号电容C₁的一端、三号开关管S₃的漏极、三号二极 管D₃的阴极和三号电容C₃的一端，一号电容C₁的另一端通过一号电阻R₁同时连接在一 号开关管S₁的源极、一号二极管D₁的阳极、电感L₁的一端、二号开关管S₂的漏极、二 号二极管D₂的阴极和二号电容C₂的一端，二号电容C₂的另一端连接在二号电阻R₂的一 端，电感L₁的另一端连接在变压器T₁初级绕组的一端，三号电容C₃的另一端通过三号 电阻R₃同时连接在三号开关管S₃的源极、三号二极管D₃的阳极、四号开关管S₄的漏极、 四号二极管D₄的阴极、四号电容C₄的一端和变压器T₁初级绕组的另一端，四号电容C₄的另一端连接在四号电阻R₄的一端，直流电源1-1-1的负极同时连接在二号开关管S₂的 源极、二号二极管D₂的阳极、四号开关管S₄的源极、四号二极管D₄的阳极、二号电阻 R₂的另一端和四号电阻R₄的另一端，变压器T₁的次级绕组的一端连接在五号二极管D₅的阳极，五号二极管D₅的阴极同时连接在微弧氧化电源1-2的正极与微弧氧化负载的一 端，变压器T₁的次级绕组的另一端连接在六号二极管D₆的阴极，六号二极管D₆的阳极 同时连接在微弧氧化电源1-2的负极与微弧氧化负载的另一端。