一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置的製作方法
2023-06-04 02:11:21 2
專利名稱：一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試裝置，具體涉及一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置。
背景技術：
目前，電鍍過程都使用成熟固定的工藝參數，鍍槽中溶液組分、ra值，濃度及溫度 等參數都是基本固定的，因此，只需要根據鍍種的不同，採用不同的電流密度範圍進行電 鍍，一般可以獲得所需的鍍層質量。在確定電流密度時，通常需要根據工件的種類和數量， 計算工件表面積，然後設定輸出電壓值。 根據電鍍工藝因素的分析可知，電流密度是對電鍍質量影響最重要的參數之一，
由於電鍍過程尤其是掛鍍過程中，電流變化很大，鍍液不均，這直接導致了產品質量的不穩 定，因此，實現對電流密度的在線測量和控制，是實現過程質量控制的關鍵一環。假設待鍍金屬電化學當量為K，密度為P ，鍍槽電流效率為n (對於某種固定的溶
液和電鍍工藝參數條件下，其值是固定的，可以通過庫侖計計法拉第定律計算獲得)，在電
鍍時間t內獲得厚度為d的鍍層，則所需的電流密度Dk為",T^(贏2) (1)。 而電流密度Dk = I/S，即通過工件的單位面積所需的電流。因此，計算得到工件表 面積S後，調節電壓，獲得所需電流I，就可以得到指定的電流密度。當在給定電壓輸出的情
況下，當鍍槽中工件數量發生變化時，浸入溶液中的工件面積發生變化，工件數量多，導電 表面積大，電阻小，根據歐姆定律，則通過的電流大，因此可以基本保持電流密度恆定，從而 獲得穩定的鍍層。 計算表面積時，由於工件形狀複雜，現在多用手工計算，不但工作量大，而且由於 存在曲面、空洞、凹凸臺階等情況，不同形狀及電極相對位置情況下，由於尖端效應的原因， 工件表面所獲得鍍層不同，因此導致電鍍過程中實際電流密度值與理想值存在偏差，計算 複雜而不精確；另一方面，由於工件表面粗糙度的原因，理想的平面和實際平面存在較大誤 差，而且不同工件便面粗糙度存在較大差異，這也導致採用計算獲得的電流密度值存在較 大偏差。 另一方面，為了控制鍍層厚度，根據(1)式，在工藝參數固定的情況下，通過調節
電流密度大小或者電鍍時間，理想狀態下，即可以獲得所需鍍層厚度的鍍層。 再者，鍍槽中，由於鍍液分散能力及工件形狀等多因素影B向，使得同一槽中工件不
同部位的電流密度存在不同，當電鍍時在採用所需最小鍍層厚度的電流密度，顯然可以節 省成本，提高產出。這就需要知道鍍槽中的最小電流密度部位和最大電流密度部位，另一方 面，還可以通過測量電流密度分布，分析導致電流密度分布不均的原因，採取改進措施，提 高產品質量的穩定性。 由此可見，電流密度是控制鍍層質量的關鍵工藝因素，傳統的電流密度時通過測量外電路的電流及通過工藝試驗來確定的，不能實現微機控制，直接影響了電鍍質量。實 時在線測量電流密度並通過電流密度值控制電源輸出，將對傳統電鍍工藝帶來革命性的變 化。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種滾鍍過程中電流密度實時在線 測試裝置。本發明裝置可在線採集滾筒內工件電鍍時的電流密度，並對電鍍電源進行控制， 實現恆電流密度電鍍，保證滾鍍質量，從而克服了工件表面積計算不準，導致鍍層厚度變化 的問題，對於電極接觸電阻、滾筒數目及滾動內工件任意變化的情況下，均具有很好的適用 性。 本發明目的通過如下技術方案實現 —種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，包括數據採集與傳輸模塊和傳感變 換模塊；數據採集與傳輸模塊包括測針部件)和切換開關，傳感變換模塊包括磁敏傳感器、 激磁電源、偏置電路和差動放大電路，其連接方式為 磁敏傳感器的負極端與鍍槽的陰極板連接，磁敏傳感器的正極端通過切換開關與 測針部件的一端連接，電鍍時磁敏傳感器、測針部件和鍍液形成電流迴路；磁敏傳感器輸入 側設有主線圈，輸出側設有第一副線圈和第二副線圈，主線圈與激磁電源連接，第一副線圈 與偏置電路的輸入端連接，第二副線圈與差動放大電路連接，差動放大電路輸出端分別與 數字顯示模塊和電鍍電源的控制端連接。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述測針部件包括至少一個 測針。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，測針部件包括兩個以上測 針，電鍍時只有一個測針工作，通過切換開關切換，各個測針循環使用。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述測針部件還包括一個絕 緣空心隔離套，空心隔離套的一端為開口，測針位於絕緣空心隔離套中，空心隔離套側面開 有多個均有分布且直徑小於2mm的孔。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述測針部件還包括一個端
蓋，端蓋與空心隔離套的開口端通過螺紋連接，端蓋的中間開有一個圓形孔，與測針連接的
銅導線外設有絕緣層，絕緣層外套有錐形彈簧，錐型彈簧的小端朝向端蓋外側。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述的測針部件還包括固定
座和活動座，固定座通過第一卡位與端蓋通過過盈配合連接，固定座再通過第二卡位與活
動座過盈連接，活動座採用拔插式結構，測針固定在活動座中。當所有測針均失效後，旋開
空心隔離套，拔下活動座進行更換。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述測針頭部覆蓋有一個絕 緣帽。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，數據採集部件的測針可以置 入滾筒內，隨工件一起電鍍；封裝在空心隔離套的測針與工件一起電鍍，空心隔離套的作用 是用來保護測針，避免測針與工件直接接觸，產生大電流，從而可能燒壞測量裝置。測針面 積較小，以保證長時間使用；通過切換開關，多個測針可以輪流使用，並保證任何時刻只有
4一個測針參與電鍍。在結構設計上，測針固定在活動座上，活動座採用拔插式結構，保證更 換方便；測針頭部採用絕緣套保護，減小電力線集中效應，保證測量準確；
上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，信號傳輸部分，將多股相互 隔離的銅導線置入絕緣層內，絕緣層外部與包括錐形彈簧，錐型彈簧小端朝測針端蓋外部， 並穿過端蓋中心孔。彈簧的作用用來保護絕緣套不被磨損。連接時應保證多股銅導線相互 絕緣；及彈簧與電鍍電源不得形成通路，否則彈簧將被電鍍導致失效。 傳感變換模塊由磁敏傳感器、激勵電源、偏置電路和差動及放大電路組成，實現所 測電流密度顯示及將採集的電流信號轉換為0-5V控制電壓的輸出，其原理是採集到的電 流信號由磁敏傳感器通過磁場的變化轉換為電壓信號的變化輸出。變換部分獲得測針電流 信號後，由磁敏元件將信號放大。磁敏元件可以是軟磁體(比如坡莫合金)或霍爾傳感器， 主要實現電流信號到電壓信號的變換及放大。輸出部分將非線性補償後的電壓信號進行顯 示，同時作為電鍍電源輸入控制信號，電鍍電源獲得測量裝置的輸出電壓信號後，調節電源 電壓，從而實現恆電流密度輸出。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述端蓋的中間開有一個圓 形孔，銅導線一端通過固定在滾筒上的換向盒連接到電流密度測試儀輸入端陽極，一端連 接固定在固定座上的連接端子，銅導線外有絕緣層，絕緣層要求耐磨耐巻繞，絕緣層外套錐 形彈簧，彈簧小端朝外，防止導線在旋轉時斷路。 上述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，所述的測針頭部被一個絕緣 冒覆蓋，測針頭部不被電鍍，防止電力線集中，測針208的直徑及長度均< 2mm，可以保證 長時間使用後再切換，被電鍍部分面積已知(比如高度為2及直徑2mm的測針，其面積為 2*3. 14*2 = 12. 5mm2)。 傳統的電流密度測量方法中，採用通過測量外電路的電流及通過工藝試驗來確定 的方法，不能實現在線測量及控制的方法，從而影響了電鍍質量，對於滾鍍工藝，由於工件 處於滾筒內部，且不停的旋轉，一般方法無法實現在線的滾鍍工件電流密度。本發明裝置的 數據採集部件可以置入滾筒內，隨工件一起電鍍，因此反映了滾筒內部鍍液濃度和溫度變 化時工件電鍍電流的實際狀況，在可更換探針面積已知的情況下，根據探針的電鍍電流的 採集，就可以實時獲得滾鍍狀態下工件的電流密度。在連接可調壓式高頻電鍍電源時，利用 本裝置的輸出信號，調節電源輸出後，就可以實現恆電流密度控制，從而克服了工件表面積 計算不準，導致鍍層厚度變化的問題，對於電極接觸電阻、滾筒數目及滾動內工件任意變化 的情況下，均具有很好的適用性。 本發明採用了磁敏傳感器採集測針的微弱電流信號，並進行近似線性輸出，由輸 出端控制電鍍電源，調整電鍍電源輸出，從而保證恆電流密度電鍍。
相對於現有技術，本發明具有的優點及有益效果是 傳統滾鍍時，滾筒內溫度、溶液濃度等參數與滾筒外相比有顯著不同，同時工件處 於翻滾狀態，電鍍面積是時刻變化的，這將導致電鍍質量較難控制。本發明的裝置與方法， 可以將測針伸入滾筒內部，直接測量滾鍍工件的電流密度，無需計算工件表面積，將電流密 度作為反饋控制信號，用來控制電鍍電源，通過電鍍電源的電壓調節，實現恆電流密度控 制，可以顯著提高滾鍍電鍍質量。
圖1為本發明的結構框圖；
圖2本發明的測針部件結構圖；
圖3為本發明的電路原理圖；
圖4為實施例中傳感器的特性曲線；
圖5為實施例中的電源控制曲線。 其中，切換開關001 ，滾動轉軸002，鍍槽003，滾筒004，極杆導線005，傳輸導線 006，測針部件007，滾筒轉軸008，磁敏原件009，測試裝置，極板012，控制信號輸出導線 013，導線014，銅導線200，絕緣層201，彈簧202，端蓋203，第一卡位204，固定座205，第二 卡位206，活動座207，測針208，空心隔離套209。
具體實施例方式
下面結合附圖對滾鍍電流密度在線測試的裝置與方法作進一步的說明。 如圖1所示，本滾鍍電流密度在線測試裝置，首先打開滾筒蓋，將測針部件007置
入滾筒內部偏中央的位置，然後將被彈簧包裹的傳輸導線006與極杆導線005 —起，穿過滾
筒轉軸002的中心孔，導線006從滾筒轉軸008伸出來後，將多股銅導線分別接入切換開關
001，切換開關001的另一接口連接一根帶絕緣外套的單股銅導線，該導線直接接入測試裝
置的磁敏元件009上，作為輸入信號的陽極，測量裝置輸入信號的另一極接在附近的電鍍
電源陰極上，電鍍時，測針、溶液與陰極形成電流迴路，測針流過的電流送入測量裝置。測量
裝置可使用本溪繼電器廠生產的匿C-1低內阻型電流測量儀。其中，偏置表示偏置電路，整
流表示整流電路，差動表示差動電路，放大表示放大電路，數顯表示數字顯示。 如圖2所示，測針部件7，在進行測針更換時，首先旋開端蓋203，拔下活動座207，
混入準備好的其他活動座部件即可，更換方便。要求活動座內測針面積相等即可。測針部
件測針在任何時刻均只有1個測針參與電鍍，通過圖1所示切換開關1切換，可以使多個測
針循環使用。使得測針可以參與電鍍，並反映鍍槽內溶液濃度及溫度變化對電流的影響。 測針直徑及長度很小均為2mm，可以保證使用1周後再切換，被電鍍部分面積已知
高度為2及直徑2mm的測針，其面積為2*3. 14*2 = 12. 5mm2。如果使用其他面積的測針，則
需要根據實際的測針面積進行換算。 如圖3所示，工作過程和測試方法如下 所述裝置的工作過程和測試方法是首先，在滾筒內部置入工件前，將安裝好的 測針部件放入滾筒內部，其導線端隨極杆一起從滾筒一端穿過，然後置入照正常工作狀態 工件，將所述裝置的切換開關固定在滾筒外部不旋轉的筒體部件上，將磁敏傳感器的一個 引出端009接到鍍槽的陰極板上，電鍍時即可與測針、鍍液形成電流迴路。工作時，測針電 流的變化引起磁敏片磁場的變化，在標準激勵信號的作用下，磁敏片次測感應信號發生顯 著變化，該信號通過差動放大和線性化處理，作為輸出控制信號，該信號可以控制電源的輸 出。 設測針半徑為1. 6mm，則導電面積為8mm2，先調整電鍍電源電壓，並測量所述裝置 的輸出控制電壓，使得裝置輸出控制電壓達到4V，這時，對應的測針電鍍電流應為0. 8mA， 電鍍電源的輸出電壓接近12V，因此，其電流密度為1A/dn^，然後，將所屬裝置的輸出控制電壓端接入電鍍電源的控制端，電源內部控制器設定好的查找表，將根據輸入端的控制電壓， 調節電源輸出電壓。如當測針電流為0. 8mA是，所屬裝置對應的輸出控制電壓為4V，則在電 源內部控制器查找表中對應的電源輸出電壓為12V，這時，電源自動調整電壓輸出到12V， 因此，保證電流密度為1A/dm2，如果由於工件的滾動，導致電流密度變化，這時，測針電流將 發生變化，比如測針電流降低到0. 4mA，則所屬裝置的輸出控制電壓變為2V，則在電源內部 控制器查找表中對應的電源輸出電壓為14V，這時，電源自動調整電壓輸出到14V，由於電 壓的升高，電鍍電流增力n，電流密度加大，電流密度加大到1A/dm2，電源輸出趨於穩定；反之 如果電鍍電源輸出電壓繼續升高，這時鍍槽電流加大，電流密度加大甚至超過1A/dm2，，則 所述裝置輸出控制電壓加大，電鍍電源就會調節電源輸出電壓降低，導致電流密度下降，保 證電流密度穩定在1A/dm2。由電流信號到輸出控制電壓信號的電路原理圖如附圖3所示。
所述裝置的工作過程和測試方法是首先，在滾筒內部置入工件前，將安裝好的測 針部件放入滾筒內部，其導線端隨極杆一起從滾筒一端穿過，然後置入照正常工作狀態工 件，將所述裝置的切換開關固定在滾筒外部不旋轉的筒體部件上，將磁敏傳感器的一個引 出端接到鍍槽的陰極板上，電鍍時即可與測針、鍍液形成電流迴路。工作時，測針電流的變 化引起磁敏片磁場的變化，在標準激勵信號的作用下，磁敏片次測感應信號發生顯著變化， 該信號通過差動放大和線性化處理，作為輸出控制信號，該信號可以控制電源的輸出。
設測針半徑為1. 6mm，則導電面積為8mm2，先調整電鍍電源電壓，並測量所述裝置 的輸出控制電壓，使得裝置輸出控制電壓達到4V，這時，對應的測針電鍍電流應為0. 8mA， 電鍍電源的輸出電壓接近12V(如圖4、圖5)，因此，其電流密度為1A/dm、然後，將所屬裝 置的輸出控制電壓端接入電鍍電源的控制端，電源內部控制器設定好的查找表，將根據輸 入端的控制電壓，調節電源輸出電壓。如當測針電流為0. 8mA是，所屬裝置對應的輸出控制 電壓為4V，則在電源內部控制器查找表中對應的電源輸出電壓為12V，這時，電源自動調整 電壓輸出到12V，因此，保證電流密度為1A/dm2，如果由於工件的滾動，導致電流密度變化， 這時，測針電流將發生變化，比如測針電流降低到0. 4mA，則所屬裝置的輸出控制電壓變為 2V，則在電源內部控制器查找表中對應的電源輸出電壓為14V，這時，電源自動調整電壓輸 出到14V，由於電壓的升高，電鍍電流增力B，電流密度加大，電流密度加大到1A/dm2，電源輸 出趨於穩定；反之如果電鍍電源輸出電壓繼續升高，這時鍍槽電流加大，電流密度加大甚至 超過lA/dm、，則所述裝置輸出控制電壓加大，電鍍電源就會調節電源輸出電壓降低，導致 電流密度下降，保證電流密度穩定在1A/dm2。由電流信號到輸出控制電壓信號的電路原理 圖如附圖3所示。
本實施例中的測』
電流》
:範圍
測量解析度
測針導電面積 電流密度測量範圍 測量內阻 工作電源 功耗
0 10mA
通過外分流可擴展量 0. OlmA
0. 5 10mm2(常用) 0. 1 200A/dm2 < 200mQ 220V(交流電壓) 10VA
:禾
、王
儀器體積 230 X 230 X 90mm 重量 2Kg 測量線長度 l米，5米。
權利要求
一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於包括數據採集與傳輸模塊和傳感變換模塊；數據採集與傳輸模塊包括測針部件(007)和切換開關(001)，傳感變換模塊包括磁敏傳感器(009)、激磁電源、偏置電路和差動放大電路，其連接方式為磁敏傳感器(009)的負極端與鍍槽的陰極板連接，磁敏傳感器(009)的正極端通過切換開關(001)與測針部件(007)的一端連接，電鍍時磁敏傳感器(009)、測針部件(007)和鍍液形成電流迴路；磁敏傳感器(009)輸入側設有主線圈，輸出側設有第一副線圈和第二副線圈，主線圈與激磁電源連接，第一副線圈與偏置電路的輸入端連接，第二副線圈與差動放大電路連接，差動放大電路輸出端分別與數字顯示模塊和電鍍電源的控制端連接。
2. 根據權利要求1所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於， 所述測針部件(007)包括至少一個測針(208)。
3. 根據權利要求1或2所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在 於，測針部件(007)包括兩個以上測針(208)，電鍍時只有一個測針(208)工作，通過切換開 關(001)切換，各個測針(208)循環使用。
4. 根據權利要求3所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於， 所述測針部件(007)還包括一個絕緣空心隔離套(209)，空心隔離套(209)的一端為開口， 測針(208)位於絕緣空心隔離套(209)中，空心隔離套(209)側面開有多個均有分布且直 徑小於2mm的孔。
5. 根據權利要求4所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於， 所述測針部件(007)還包括一個端蓋(203)，端蓋(203)與空心隔離套(209)的開口端通過 螺紋連接，端蓋(203)的中間開有一個圓形孔，與測針(208)連接的銅導線(200)外設有絕 緣層(201)，絕緣層(201)外套有錐形彈簧(202)，錐型彈簧(201)的小端朝向端蓋(203) 外側，並穿過端蓋中心孔。
6. 根據權利要求5所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於， 所述的測針部件(007)還包括固定座(205)和活動座(207)，固定座(205)通過第一卡 位(204)與端蓋(203)通過過盈配合連接，固定座(205)再通過第二卡位(206)與活動座 (207)過盈連接，活動座(207)採用拔插式結構，測針(208)固定在活動座(207)中。
7. 根據權利要求6所述的一種滾鍍過程中電流密度實時在線測試裝置，其特徵在於， 所述測針(208)頭部覆蓋有一個絕緣帽。
全文摘要
本發明公開了一種用於滾鍍電流密度在線測試的裝置，包括數據採集與傳輸模塊、傳感變換模塊；數據採集與傳輸模塊由可更換探針、隔離保護套、切換裝置及導線，傳感變換模塊實現微弱電流與電壓信號的轉換及非線性補償，實現所測電流密度顯示及將採集的電流信號轉換為0-5V控制電壓的輸出。該裝置的數據採集部件可以置入滾筒內，隨工件一起電鍍，因此反映了滾筒內部鍍液濃度和溫度變化時工件電鍍電流的實際狀況，在可更換探針面積已知的情況下，根據探針的電鍍電流的採集，就可以實時獲得滾鍍狀態下工件的電流密度。利用本裝置的輸出信號，調節電源輸出後，就可以實現恆電流密度控制，從而克服了工件表面積計算不準，導致鍍層厚度變化的問題。
文檔編號C25D17/16GK101748471SQ20091019434
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者姜立軍, 李哲林, 杜貴平 申請人:華南理工大學