传感器在焊接中的应用
引言
在本学期，我们学习了《热加工与测试技术》这门课。

了解到了许多传感器在现代的生产以及生活中起着越来越重要的作用。

当然，对电弧焊来说，要实现其自动控制，进而实现焊接的智能化，很重要的—点就是传感器技术的应用。

在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。

随着焊接自动化的发展，焊接传感器显得越来越重要。

一、焊接传感器及应用
定义：对于电弧焊用的传感器，目前还没有明确的定义。

一般认为：检测工件接头的位置。

坡口的形状、有无障碍物和定位等构件状态及检测焊丝伸出长度，电弧和熔池状况，焊道外观等焊接固有特性和状态并将检测的结果转换为电信号的装置，都可以称为电弧焊传感器。

在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类：
第一类传感器：主要用于检测构件位置。

坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器．它约占焊接传感器使用总量的80％．因此本节对传感器概况的介绍主要是对焊缝位置自动跟踪传感器而言．
第二类传感器：主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等)以实时自动控制焊接工艺参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器．
第三类传感器：可同时完成上述两项功能，它也仅占焊接传感器使用总量的10%．
焊缝自动跟踪传感器系统
焊缝自动跟踪传感器系统由传感器、信号处理器和伺服装置三部分组成。

1.传感器检测到的信息，经处理后最终用于推动伺服装置以便对焊接位置进行适时调整，实现焊接过程的自动跟踪。

从传感器系统的结构来看，它是以电弧(焊炬)相对于焊缝(坡口)中心位置的偏差作为被调量。

以焊炬位移量作为操作量的闭环控制系统。

当电弧相对于焊缝中心位置发生偏差时，传感器能自动检测出这一偏差，输出信号，实时地调整焊炬运动，使之准确地与焊缝对中.
实际生产中经常要求同时进行焊炬左右位置和高低位置的自动跟踪。

这种双向焊缝跟踪系统更具有实用价值。

2.信号处理器对传送来的电信号进行处理，包括去除噪声干扰，将调制信号解调、放大及运算，最后经功率放大部分输出驱动信号给伺服装置。

3.伺服装置是一个小型的电动伺服控制系统，它一般采用伺服电机、步进电机等。

机械传感器的跟踪原理
机械传感器是一种接触式传感器。

它以导杆或导轮在焊炬前方探测焊缝的位置。

它分为机械式和机械电子式两种。

前者是靠焊缝形状对导杆(轮)的强制力来导向，后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏离时，导杆经电子装置发出信号(它能表示偏离的大小与方向)再控制驱动装置使焊炬及传感器恢复正确位置，此时传感器输出信号为零，实现自动跟踪。

机械传感器的特点及应用范围
机械式传感器比较便宜，适用于各种焊接力法和各种金属材料的焊接场合，但由于它是靠导杆(轮)与工件的接触来导向，故运行时容易失去跟踪点(因坡口或缝隙的加工装配不均匀性引起)，为避免此情况，往往要限制焊接速度不能太快，此外，导杆(轮)的磨损也要影响传感器的精度。

由于机械传感器结构简单，维护方便，不怕电弧的磁。

光、烟尘、飞溅等干扰，故巳应用于生产实际。

电磁感应式传感器
电磁感应式跟踪传感器是一种非接触式传感器，它可按频率分为普通频率式和高频式两种，电磁传感器的频率低于10 kHz，涡流传感器的频率则力30~160kHz。

电磁传感器的工作原理
电磁传感器实质上是共用初级线圈的两个变压器，绕在中柱上的初级线圈通
以交流电压U
y ，两个次级线圈为反极性串联，输出电压U
=U
1
-U
2
当传感器对准焊
缝中心时，主磁通在两个侧柱的分配相等，即：两个次级线圈感应电势相同，故
总的输出电压U
=0．若传感器偏离焊缝中心,则主磁通在两个侧柱的分配不相等，
即：则次级有一个差动信号输出。

U
的极性 (相位)和大小取决于传感器与焊缝中心偏差的方向和大小，这种传感器的灵敏度取决于电源频率和电压，铁心材料和尺寸、传感器高度等因素，为了缩小传感器体积和提高抵抗焊接时电磁干扰的
能力，一般电源频率取6～l0kHz、电压U
=20 V。

这种高频电源可采用晶体管多谐振荡器，铁心可采用硅钢片或电阻率高的铁氧体材料．后者因其居里点低，饱和磁通密度随温度变化的敏感性大，故使用时要采取适当降温隔热措施提高工作稳定性。

传感器的安装高度一般取10~15 mm，安装过高则灵敏度降低，过低则容易受工件高低不平及振动等因素影响而使工作可靠性降低。

涡流传感器
涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起来的传感器。

形成涡流必须具备下列两个条件：1、存在交变磁场；2、导体处于交变磁场中。

涡流式传感器组成：1、产生交变磁场的通电线圈何至于线圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。

其中金属导体也可以是被测对象本身。

涡流传感器的特点：体积小巧，所有的金属材料焊接时都能使用，当然焊接非沃磁材料时灵敏度较低，由于密封很好而可用于水下焊接跟踪。

光学传感器
光电式传感器(包括激光，红外传感器)是目前研究最多的一类焊缝自动跟踪传感器。

据统计，焊工在手弧焊操作时，有80%的信息来自视觉，因而用光学方法进行焊缝检测是最有前途的跟踪方法之一。

光电传感器：凡存跟踪信号的获取过程中进行了由光信号到电信号转换的传感器统称为光电式传感器。

按光源特征分类有白光、激光和红外三种，按检测特征分有单光点式传感器和视觉传感器两类。

(面阵CCD)摄像机传感器
摄象机传感器一般有两种工作方式，一为结构光式，即把外加光源作成一条或多条窄光带形状．另一种为直接拍摄电弧的方式。

1．结构光式
传感器的光源可以是激光或白光，它被作成一条或多条窄带形状，故称结构光．该光带位于焊炬前方，以450方向斜射在工件上，摄象机在工件正上方，拍
摄到光带和工件的交线．能反映坡口的形状，深浅，能求出工件的三维尺寸，故称三维传感器。

由微机对图象进行处理后，可求出焊缝位置及坡口尺寸．由于信息量大，故处理时间较长，一股约0.3 s处理一幅图象。

跟踪特点：由于跟踪信号直接取自电弧，故没有传感器位置的附加导前误差．同时它能测量熔池宽度等参数，能对焊接规范进行自动控制，故其功能很强。

2．直接拍摄电弧式
将摄象机置于电弧前方，从450角度直接拍摄电弧，熔池，焊丝等图象。

所得的图形是倒象，下部的黑色凸起是焊丝，上部的白色凸起是焊缝缝隙，大块白色区域是熔池．由图可求出焊丝对焊缝中心的偏移量，从而输出跟踪信号。

电弧传感器的特点及应用范围
由于该传感器主要是从电弧摆动到左右两端取电流信号，故要求接头为具有对称坡口的对接或为丁字接头或厚板搭接，它适用于等速送丝。

水平外特性电源的焊接系统。

为了使电流信号准确它不能用交流弧焊电源，当采用高精度晶体管弧焊电源时，该传感器也可用于1~2mm管板搭接焊的跟踪系统，它适用于射流过渡气体保护焊，在CO
焊的短路过渡情况下，要采取措施解决焊接电流脉动很大
2
而仍要保证信号检测的稳定性问题。

该传感器的跟踪信号是由电弧本身取出，并且没有传感器位置导前的误差，它可以进行高低和左右的双向自动跟踪，它不怕电弧的飞溅烟，光等干扰，它巳成功地应用于弧焊机器人及一般自动焊机的焊缝自动跟踪。

二、焊接传感器技术的应用状况
长期以来，许多国内外的焊接工作者对焊接传感器进行了深入细致的研究，并将研究成果应用到实际的生产中。

目前，绝大部分的弧焊机器人都安装了摆动式电弧传感器，如德国CLOOS的ROMAT 76SW型机器人和日本松下的Pana-Robo 型机器人就安装了摆动式电弧传感器。

旋转电弧传感器的应用也越来越普遍，如清华大学研制的旋转电弧传感器应用于东风汽车公司的汽车贮气筒环缝的自动焊中，韩国的HAN GIL Autowelding公司生产的旋转电弧传感器可用于弧焊机器人和自动焊中，。

日本松下的YA-11KMR51型弧焊机器人也安装了旋转电弧传感器。

三、发展展望
焊接传感器作为一种实时传感的器件与其它类型的传感器相比，结构较简单、成本低、响应快，是焊接技术的一个重要的发展方向，具有广阔的发展空间和应用前景。

主要应用在两方面：一是应用在弧焊机器人上，二是应用用在带有十字滑块的自动焊接上。

今后应着重对焊接传感器对焊接工艺性能的改善方面进行研究探索。

目前，焊接传感器只能采集一些二维信息，三维信息的提取还有待深入的研究探索，用于弧焊机器人调整姿态进行全位置的焊接。

我们相信通过焊接技术领域各位同仁的努力，焊接传感器在焊接过程中会有更广泛的应用。