一种基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置及测量方法

1.本发明涉及传感器测量技术领域，特别涉及一种基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置及测量方法。


背景技术：

2.焊条是焊接技术的关键材料，在现在的焊接工艺中扮演着不可或缺的角色；焊条极易受潮，存储不当会导致焊接过程中产生气泡、夹渣等问题，因此有必要在焊接前检测焊条湿度，保证焊接质量，提高焊条使用率。此外，焊条中含有的水分是焊接中氢的主要来源之一，通过控制焊条药皮氢元素含量可有效提高焊接质量，焊缝中的氢大部分以h、h
+
、h-的形式存在，与焊缝金属形成固体熔滴；各种大气参数都会对焊条湿度有着显著的影响，焊条中含有大量的氢元素，通常焊条化合物介质的介电常数在3-7左右，当水蒸气占比增大时会改变空气的介电常数；水的相对介电常数为78.5，远高于焊条的相对介电常数，当焊条中水分增加，焊条药皮的等效介电常数会相应增加。
3.目前，适用于焊条湿度检测方法主要有电阻电容法和干燥法；在早期的国家标准中，焊条药皮含水量检测试验是采用剥下的药皮作为试样，放入(980
±
15)℃的加热炉中，通氧气并保持30分钟，水分被装有无水高氯酸镁的u型吸收管吸收，称u型管的增重即为试样的含水量；然而，用此方法测量焊条湿度检测周期长、精度差、焊条损失率高，且无法现场操作。为了快速、准确测定焊条药皮中的水分，d e bunnel提出了卡尔—费休电位滴定法(容量法)，该方法测试品种多，敏感度不高所受副反应干扰较少，但是装置比较复杂、耗材大、测量时间偏长、且不方便携带。
4.此外，申请号为zl97201190.0实用新型专利，在测量焊条湿度的过程中，电极在结构上容易生锈，同时在测量时采用人工按压实现电极与焊条表面紧缚，由于按压力不同，导致传感器数据存在误差。虽然，申请号为zl201710024398.6的发明专利在结构上解决了上述发明中电极生锈，人工按压产生的误差的问题，但该发明的焊芯被两块电极包裹，电极和焊条焊芯之间会产生并联电容，当焊芯偏心时，所产生的并联电容值不一致，影响检测结果；同时在测量时，其填充物的介电常数对焊条湿度检测结果有影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置及测量方法，解决现有技术中焊条湿度测量效率低、测量精度不高的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供一种基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置，包括传感器组件、支架及定位组件；
8.所述传感器组件包括叉指电极和u型支撑弹片，所述u型支撑弹片的两顶端均设有电极连接管，所述叉指电极连接在两所述电极连接管之间；
9.所述支架包括支撑板、固定在支撑板两侧的上挡板和下挡板；所述u型支撑弹片的低端与支撑板固定连接，u型支撑弹片的两侧壁位于上挡板和下挡板之间，所述上挡板和下挡板限制u型支撑弹片两侧壁向外的弹性变形；
10.所述定位组件包括焊条固定装置和导向杆，焊条置于所述焊条固定装置上，所述支撑板与导向杆滑动连接；通过支撑板在导向杆上的滑动所述叉指电极能够向焊条的方向移动，以使所述叉指电极紧密贴合焊条实现测量。
11.优选地，所述叉指电极的外表面包裹有聚酯pet薄膜。
12.优选地，所述叉指电极包括上电极和下电极，所述上电极和下电极的叉指节数量相同，且上电极和下电极的叉指节相互交叉放置呈周期性结构。
13.优选地，所述定位组件包括底座，所述底座上安装有两根对称的支撑柱；所述焊条固定装置包括安装在底座上的两根对称的焊条放置柱；所述导向杆有两根，其中一所述导向杆的两端分别固定在其中一所述支撑柱和其中一所述焊条放置柱上；另一所述导向杆的两端分别固定在另一所述支撑柱和另一所述焊条放置柱上。
14.优选地，两所述焊条放置柱上均开有用于放置焊条的v形槽。
15.优选地，所述支撑板包括支撑条和连接在所述支撑条两端的支撑块；所述支撑块与空心阶梯轴套接固定，所述空心阶梯轴套设在导向杆上并与所述导向杆滑动连接。
16.优选地，所述焊条固定装置还包括立柱和摆杆；所述立柱固定在底座上，所述摆杆的顶端与连接杆的一端转动连接，所述连接杆的另一端与立柱的顶端固定连接；所述摆杆的杆体通过弹簧与立柱的柱体连接；所述摆杆能够向焊条的方向摆动以将所述焊条抵在焊条放置柱的v形槽上固定。
17.优选地，还包括绕线轮，所述绕线轮上缠绕有牵引绳；所述绕线轮的转动轴与旋钮连接；所述摆杆上设有滑轮；所述牵引绳的一端固定在绕线轮内，另一端从绕线轮迁出缠绕所述滑轮后固定在所述支撑板的中心位置上。
18.优选地，所述传感器组件的数量设置为四，四个所述传感器组件间隔均匀的固定在所述支撑板上。
19.第二方面，本发明提供一种采用第一方面所述的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置的焊条湿度测量方法，所述方法包括如下步骤：
20.利用接地引线将所述基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置接地，以消除杂散电容对测量的影响；
21.将所述叉指电极的上电极和下电极用引线对接消除残余电荷；
22.将所述焊条置于焊条放置柱的v形槽上；
23.转动旋钮驱动绕线轮对牵引绳进行收线，收线过程中，牵引绳通过滑轮拉动支撑板向焊条的方向移动，同时滑轮带动摆杆将焊条抵紧稳固在v形槽上，利用型支撑弹片的弹性使所述叉指电极发生弹性变形，直至所述叉指电极完全紧密贴合于所述焊条的外表面为止，停止转动旋钮进行测量；
24.通过叉指电极引线外接电容检测仪表，测量电容量；
25.利用国标gb-51171995标准测量方法，标定叉指电容式传感器所测电容量与焊条的含水量百分比的关系，从而根据测得的电容量c获取焊条的湿度。
26.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
27.相较于常规的传感器电极借助填充物来固定支撑，本发明通过将叉指电极连接在u型支撑弹片的两端悬空放置，避免了测量过程中其它填充物的相对相对介电常数对传感器检测结果的影响，同时采用叉指式电极，利用其叉指型结构特点，避免了因焊条焊芯偏心产生的并联电容对检测结果的影响，提高了测量精度；本发明利用叉指电极柔性材料的特性叉指电极能够紧密贴合焊条实现测量，解决了在包裹焊条等高弯曲应力范围内的线性灵敏度问题，配合焊条固定装置可实现不同型号焊条湿度的测量；此外，叉指电极外表面包裹有聚酯pet薄膜，将叉指电极全部覆盖不与空气接触，减少测量过程中对叉指电极的磨损、提高使用寿命。本发明测量精准、结构简单、携带方便、可广泛应用于焊接现场、焊条储存等场所。
附图说明
28.图1是本发明实施例提供的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置的正面立体结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置的背面立体结构示意图；
30.图3是本发明实施例提供的牵引绳与滑轮和支撑条连接的结构示意图；
31.图4是本发明实施例提供的图3的俯视图；
32.图5是本发明实施例提供的传感器组件的结构示意图；
33.图6是发明实施例提供的电极连接管的结构示意图；
34.图7是本发明实施例提供的立柱和摆杆连接的结构示意图；
35.图8是本发明实施例提供的支撑板的结构示意图；
36.图9是本发明实施例提供的支撑柱和焊条放置柱的结构示意图；
37.图10是本发明实施例提供的空心阶梯轴及其与导向杆和支撑块连接的结构示意图；
38.图11是本发明实施例提供的叉指电极的结构示意图；
39.图12是本发明实施例提供的测量时叉指电极传感器极间电容分布示意图；
40.图中：1、传感器组件；11、叉指电极；12、u型支撑弹片；13、电极连接管；14、上电极；15、下电极；2、支架；21、支撑板；22、上挡板；23、下挡板；24、支撑条；25、支撑块；26、空心阶梯轴；3、定位组件；31、焊条固定装置；32、导向杆；33、底座；34、支撑柱；35、焊条放置柱；36、立柱；37、摆杆；38、连接杆；39、弹簧；4、焊条；5、绕线轮；51、牵引绳；52、旋钮；53、滑轮。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相
对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.实施例一
45.参照图1至图4，本发明实施例提供的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置，包括传感器组件1、支架2及定位组件3；具体的，如图5所示传感器组件1包括叉指电极11和u型支撑弹片12，u型支撑弹片12的两顶端均设有电极连接管13，所述叉指电极11连接在两所述电极连接管13之间；所述叉指电极11的外表面包裹有聚酯pet薄膜，电极连接管13和u型支撑弹片12首尾闭环连接。本发明实施例中的u型支撑弹片12的材料为不锈钢钢箔，选用的型号是304，u型支撑弹片12的厚度为0.1mm，长为70mm，宽为25mm，中间打圆孔，直径为2mm；此外，本发明实施例中的电极连接管13的材质为钢箔，型号是304，其外径为1mm，长为28mm，管壁厚为0.1mm，如图6所示的电极连接管13的管壁上采用线切割切出缝长均为25mm的第一连接缝d和第一连接缝e，所述第一连接缝d和第一连接缝e夹角为90
°
，分别用于连接u型支撑弹片12和包裹有聚酯pet薄膜的叉指电极11，连接时采用环氧树脂胶进行粘接，使u型支撑弹片12和包裹有聚酯pet薄膜的叉指电极11更牢固的连接在电极连接管13上。
46.本发明实施例提供的定位组件3包括底座33、焊条固定装置31和导向杆32；其中，焊条固定装置31包括安装在底座33上的两根对称的焊条放置柱35，两所述焊条放置柱35上均开有用于放置焊条4的v形槽，用于放置需要测量湿度的焊条4；底座33上还安装有两根对称的支撑柱34，参照9为支撑柱34和焊条放置柱35的结构示意图；导向杆32有两根，其中一所述导向杆32的两端分别固定在其中一所述支撑柱34和其中一所述焊条放置柱35上；另一所述导向杆32的两端分别固定在另一所述支撑柱34和另一所述焊条放置柱35上。具体的，本发明实施例的底座33尺寸长为230mm，宽为120mm，厚度为5mm；焊条放置柱35和支撑柱34的直径均为10mm，高均为30mm，且在距离底端25mm处开设有一个长为4mm，直径为4mm的通孔，用于卡入导向杆32；另外，焊条放置柱35上距离底端25mm处掣出2.5mm深的v型槽，用于放置焊条4；导向杆32的直径为8mm，长为63mm，两头分别掣出直径为φ＝4mm，长4mm的小圆台35，便于卡在两根支撑柱34和焊条放置柱35之间。
47.作为本发明的一种实施例，传感器组件1有四个且间隔均匀的固定在支架2上；所述支架2包括支撑板21、通过螺钉固定在支撑板21两侧的上挡板22和下挡板23，支撑板21为5mm薄轧钢钢板；u型支撑弹片12的低端中间打有直径为2mm的圆孔，通过螺钉与支撑板21固定连接，u型支撑弹片12的两侧壁位于上挡板22和下挡板23之间，所述上挡板22和下挡板23限制u型支撑弹片12两侧壁向外的弹性变形；如图8所示，支撑板21包括支撑条24和连接在所述支撑条24两端的支撑块25；支撑条24上距离中心的距离为22mm左右两处和距离中心的距离为60mm的左右两处均打有用于固定u型支撑弹片12的通孔，其通孔直径为3mm；两端的支撑块25开设有直径为11mm的圆孔用于套接空心阶梯轴10，并用螺母b固定；空心阶梯轴10
为空心套筒，其总长20mm，其中长4mm部分用于连接支撑块25，剩余18mm为螺纹线用于拧紧螺母b；参照图10为空心阶梯轴及其与导向杆和支撑块连接的结构示意图，所述空心阶梯轴26套设在导向杆32上并与所述导向杆32滑动连接，从而实现支撑板21与导向杆32滑动连接，叉指电极11能够通过支撑板21在导向杆32上的滑动向焊条4的方向移动，以使所述叉指电极11紧密贴合焊条4实现测量。
48.作为本发明的一种实施例，其中焊条固定装置31还包括立柱36和摆杆37；参照图7是本发明实施例提供的立柱和摆杆连接的结构示意图，所述立柱36固定在底座33上，所述摆杆37的顶端与连接杆38的一端转动连接，连接杆38的另一端与立柱36的顶端固定连接；立柱36距离下端38mm连接有弹簧39，所述摆杆37的杆体通过弹簧39与立柱36的柱体连接；所述摆杆37能够向焊条4的方向摆动以将所述焊条4抵在焊条放置柱35的v形槽上固定；此外，底座33上还固定有绕线轮5，绕线轮5上缠绕有牵引绳51，本发明实施例中采用的牵引绳51为钢丝绳；所述绕线轮5的转动轴与旋钮52连接；旋转旋钮52时可驱动转动轴转动，进而实现牵引绳51的收线和放线操作；所述摆杆37上设有滑轮53；牵引绳51的一端固定在绕线轮5内，另一端从绕线轮5迁出缠绕所述滑轮53后固定在所述支撑板21的中心位置a上。测量时，将所述焊条4置于焊条放置柱35的v形槽上，只需转动旋钮52对牵引绳51进行收线，牵引绳51通过滑轮53拉动支撑板21向焊条4的方向移动，同时滑轮53带动摆杆37向焊条4的方向移动，通过弹簧39顶住摆杆37将焊条4抵紧稳固在v形槽上，由于受到上挡板22和下挡板23的限制u型支撑弹片12两侧壁不能向外发生弹性变形，从而使叉指电极11受力并发生弹性变形并完全紧密贴合于所述焊条4的外表面，进而完成测量。
49.作为本发明的一种实施例，如图11所示叉指电极11包括上电极14和下电极15，所述上电极14和下电极15的叉指节数量相同，且上电极14和下电极15的叉指节相互交叉放置呈周期性结构；用聚酯pet薄膜将叉指电极11两面全部包裹固定，引出导线；需要说明的是，适用于叉指电极11保护膜的通用材料有氧化铝陶瓷，聚酯pet柔性材料，单晶硅等；氧化铝陶瓷具有硬度大、材料轻且耐磨性好的特点；单晶硅有显著的半导电性、且硬而脆具有金属光泽；聚酯pet柔性材质抗拉伸强度大、耐磨擦、延展性强、介电损耗第、硬度高且粘性好；由于聚酯pet柔性材料延展性强、柔性高，且聚酯pet柔性材料自身拥有不超过3的介电常数，因此本发明实施例聚酯pet薄膜来作为叉指电极11的保护膜；选用的聚酯pet薄膜厚度为0.07mm，长为25mm，宽为25mm，且紧密贴敷于叉指电极11；此外，叉指电极11为叉指式金属cu材料，整体是长为25mm，宽为15mm，厚度为0.013mm的长方体，叉指电极11固定于25mm*25mm的聚酯pet薄膜23的中心位置，上电极14和下电极15的叉指节间距为0.2mm，叉指节指宽为0.2mm，叉指节指长为7mm，叉指节对数为18。
50.本发明实施例的一种实施例，通过测量叉指电极11的电容值，根据电容值与介质介电常数之间的关系可导出与焊条4药皮含水量的影响关系；参照图11和图12，叉指电极11的基本叉指电极单元由上电极14和下电极15的叉指节相互交叉放置形成，其中上下相邻的两个叉指节为一对，对上电极14和下电极15施加电压，则电场线就会由正极指到负极，叉指电极11表面的电场主要存在的区域称为电场敏感区，利用其金属电极间的边缘效应，电场线会从激励电极流入感应电极，当待测焊条4出现在传感器测量区域或者其物理特性发生变化(介电常数的变化)时会使其电场发生改变，从而使传感器的电容值产生变化；因此可以将焊条4药皮介电常数的变化转化为电容值的变化，从而达到焊条湿度检测的目的。
51.参照图12为测量时叉指电极传感器极间电容分布示意图，分析测量原理如下，由于叉指电极11在测量时呈弧形，当将叉指电极11压紧后，两个相邻的叉指节之间的介质为焊条4药皮和聚酯pet薄膜，两个相邻的叉指节的间距为w，传感器装置接地后不影响电容式传感器的电容。当焊条4药皮含水量不同时，药皮的介电常数将发生变化，因此电容c2的值也将发生变化；当将叉指电极11压紧后，电极的另一侧间距增大，两个电极之间的介质为空气，因此c3的值变小，但是在测量同种型号焊条4时，叉指电极11的弯曲程度是一致的，因此在这里c3和c1可以看成一个定值。由图12可以看出，电容c1、c2和c3是并联关系，因此一对叉指节之间的总极间电容为：
52.c0＝c1+c2+c3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
53.式(1)中，c1为一对叉指节之间所以产生的平板电容，c2和c3分别为一对叉指节待测材料侧和基地材料由于边缘效应所产生的的电容，计算较为复杂，通常使用保角映射法得到，本发明实施例的基底材料为聚酯pet薄膜。
54.当焊条4的含水量变化时，即待测材料介电常数发生改变，电容值的变化量为δc2，此时的总电容为：
55.c0＝c1+(c2+δc2)+c3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
56.对于叉指电容式传感器，因其有特有的叉指结构，其他条件不变的情况下，叉指节对数、叉指节长度、介电常数的变化均会引起叉指电容式传感器电容值的变化；在叉指电极11尺寸确定的情况下，焊条4药皮中相对介电常数发生变化时，电容值也随之变化。
57.本发明为满足常用焊条4(直径为：2.5/3.2/4.0mm)的现场快速检测需求，利用焊条4药皮相对介电常数的敏感性，采用叉指电容式传感器测量焊条药皮含水量，其含水量可由相对介电常数变化量转化为电容传感器的电容值的表征；目的在确保焊接前焊条4湿度符合焊接要求，实现焊条4湿度的无损检测和现场检测，避免周围环境对检测结果的影响，提高焊条4含水量检测效率，本发明实施例提供的传感器组件1的叉指电极11和电极引出线均进行有效的屏蔽和防水密封处理，以消除其对测量结果的影响，特别是对传感器组件1内材料特性的影响，防止测量装置产生的杂散电容对检测结果的影响，并将测量装置接地引线接地；在使用时，为了防止叉指电极11和焊条4紧密接触产生的磨损，叉指电极11两面均采用聚酯pet薄膜紧贴固定，实现叉指电极11全部被覆盖不接触空气，可有效避免填充物介电常数对测量的影响。
58.综上所述，本发明实施例提供的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置，利用叉指电极11柔性材料的特性，可以紧密贴合焊条4进行测量提高测量的精度；另外，由于叉指电极11的叉指结构特点，避免了以往电容式传感器因焊条4焊芯偏心产生的并联电容带来的电容误差对检测结果的影响；此外，相较于常规的传感器电极借助填充物来固定支撑，本发明通过将叉指电极11连接在u型支撑弹片12的两端悬空放置，避免了测量过程中其它填充物的相对相对介电常数对传感器检测结果的影响，进一步提高了测量精度；本发明实施例的湿度测量装置通过旋转旋钮52进行收线，带动叉指电极11紧紧包裹焊条4，有效解决了一定的空气隙会造成串联电容的问题。本发明实施例提供给的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置可适用于不同型号的焊条4含水量检测，其测量精准可以实现无损检测、现场检测，并且结构简单、易于集成、携带方便、使用寿命长，可广泛应用于焊接现场、焊条厂家、焊条储存等检测场所，具有极其广阔的应用前景。
59.实施例二
60.本发明实施例提供了一种采用实施例一所述的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置的焊条湿度测量方法，所述方法包括如下步骤：
61.步骤1：利用接地引线将所述基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置接地，以消除杂散电容对测量的影响；
62.步骤2：将所述叉指电极11的上电极14和下电极15用引线对接消除残余电荷；
63.步骤3：将所述焊条4置于焊条放置柱35的v形槽上；
64.步骤4：转动旋钮52驱动绕线轮5对牵引绳51进行收线，收线过程中，牵引绳51通过滑轮53拉动支撑板21向焊条4的方向移动，同时滑轮53带动摆杆37将焊条4抵紧稳固在v形槽上，利用u型支撑弹片12的弹性使所述叉指电极11发生弹性变形，直至所述叉指电极11完全紧密贴合于所述焊条4的外表面为止，停止转动旋钮52进行测量；
65.作为本发明的一个实施例，测量所述焊条(4)的叉指电容式传感器的电容量为：
[0066][0067]
式(3)中，ε0为真空介电常数，ε1为每对叉指节之间缝隙的相对介电常数，ε2为焊条(4)的介电常数，ε3为聚酯pet薄膜的介电常数，h为叉指节宽度，w为每对叉指节之间缝隙的间距，l为叉指节长度，d为叉指电极(11)的厚度，n为叉指节的对数；
[0068]
步骤5：通过叉指电极11引线外接电容检测仪表，显示电容量c；
[0069]
步骤6：利用国标gb-51171995标准测量方法，标定叉指电容式传感器电容量与焊条4的含水量百分比的关系，从而根据测量得到的电容量c获取焊条4的湿度。
[0070]
其中，步骤5中叉指电极11引线外接电容检测仪表中的数据实时传输和数据存储，具体包括：采用电容数字转换器集成芯片对焊条4湿度进行检测，电容数字转换器集成芯片直接接入传感器组件1中的上电极14和下电极15；微控制器采用单片机作为主控芯片，将采集到的传感器电容值c进行分析和处理后，通过usb转换串口发送给上位机；上位机程序采用虚拟仪器开发平台labview来设计，并通过数据流的驱动方式，实现程序的并行执行，提高程序的执行速度；上位机通过串口接受主控芯片发来的湿度检测数据，并对检测数据进行处理，然后发送至电容检测仪表的显示控件进行显示。
[0071]
本发明实施例提供的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置的焊条湿度测量方法与实施例一提供的基于叉指电容式传感器的焊条湿度测量装置基于相同的技术构思，能够产生如实施例一所述的有益效果，在本实施例中未详尽描述的内容可以参见实施例一。
[0072]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。