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自动变光焊接滤光镜(ADF)电路设计与实现

2008-07-22 10:08:13 我要评论(0) 字号:T | T
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自动变光焊接滤光镜(ADF)电路设计与实现,采用液晶光阀的焊接滤光镜称为自动变光焊接滤光镜,简称ADF;它的工作过程是:焊接起弧时的弧光信号由光敏吸收管将弧光信号转化为微安级的电流信号,由取样电阻转化为电压信号,经电容耦合,去除弧光中的直流成份,再将电压信号经运

一、工作原理
采用液晶光阀的焊接滤光镜称为自动变光焊接滤光镜,简称ADF;它的工作过程是:焊接起弧时的弧光信号由光敏吸收管将弧光信号转化为微安级的电流信号,由取样电阻转化为电压信号,经电容耦合,去除弧光中的直流成份,再将电压信号经运算放大电路进行放大,放大后的信号经双T网络进行选频,经低通滤波电路,送到开关控制电路,给LCD驱动电路发出驱动指令。LCD驱动电路使光阀由明态转为暗态,达到避免电弧光对焊工眼睛的伤害。高达48V的电压使液晶瞬间变黑,然后在极短的时间内关断高压,以免高压持续加在液晶上,损坏液晶片,增加功耗。而液晶驱动电路中输出与占空比成比例的直流电压驱动液晶光阀工作。其模拟线性控制电路框如(图1)所示:
 

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 二、液晶的结构和工作原理
液晶是不同于通常的固态、液态和气态的一种状态,它是在某个温度范围内兼有液态和晶体两种特性的物质状态,具有规则性分子排列的有机化合物,常用的液晶为向列相液晶,分子现状为细长棒形,长度约1~10nm,在不同的电流作用下,液晶分子会做规则旋转90o排列,产生透过度的差别,因而在电源接通与断开时产生明暗的区别。ADF上的液晶是采用将驱动电压直接施加在像素电级上,使液晶显示直接对应于所施加电压信号的一种驱动方法。其施加电压的基本思路是在相对应的一对电极间连续外加电场和不外加电场,根据所施加的电场的大小,显示透过度的差别。

三、遮光号的意义及相关电路
遮光号是指ADF能够滤光多少的程度,遮光号越大,表示ADF的透过率越小,根据不同的焊接需要,选择合适的遮光号,可以让焊工在工作时保持良好的可见度,能清晰看见焊接点和保证较好的舒适度,有利于提高焊接质量。
遮光号是ADF中的一个关键技术指标,根据焊接眼面防护具国家标准中ADF的透射比与遮光号的对应关系,各遮光号的可见光,紫外线,红外线透射比应符合表1的要求。

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图2      弧光     

    
ADF的液晶组合是由一块镀膜玻、两片液晶片和一块保护片组成。它的作用是要阻挡红、紫外线以及有害光的通过,又不能阻挡可见光的透过(见图2)。同时经滤光片过滤后,使焊工能舒服观察焊接对象的可见光,这就须通过对液晶光阀施加不同的电压来实现。如上所述,液晶是一种介于固体和液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物,在不同的电流作用下,液晶分子会做规则旋转90o排列,产生透过度的差别。由于液晶在电流电场下,可以简化成一个大容量的电容,具有非线性的特点,一旦弧光发生变化,加在液晶两端的电压也将随之发生变化,可见光的透过率将会发生很大的变化,很难保证遮光号达到所要求的等级准确度。对此我们将太阳能电池输出的电压由集成稳压芯片MCP1701将其稳压为6V电压,并且在液晶驱动电路中加入运算放大电路与RC组成的稳压电路。为了保证ADF在-5℃能符合表1的要求,我们在稳压电路中引入了负温度系数的NTC热敏电阻(见图3)。

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表1  ADF的透射比性能要求

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注:1)210nm和313nm之间,透射比不应超过313nm所允许的数值。
    2)在313nm和365nm之间,透射比不应超过313nm所允许的数值。
    3)在365nm和400nm之间,平均透射比不应超过可见光的平均透射比所允许的数值。


四、响应时间和倍压电路
响应时间是ADF的另一个主要技术指标,是指ADF明态时,光接收管接受弧光信号到ADF变为暗态时,所需要的时间间隔。它关系到焊工引弧时受到的强可见光瞬间照射的时间,也关系到电焊工人在焊接过程中能否始终清楚地进行观察,能否彻底地消除盲目引焊而伤害眼睛。响应时间越短,说明电焊面罩的性能越优良。ADF的响应时间主要由液晶材料的响应时间和电路中接受弧光的反映速度两部分组成,但液晶光阀的响应时间是起主要作用的,液晶光阀的转换时间越小,ADF的响应时间也将大大缩短。
液晶光阀的响应时间与加在其二端的电压大小成正比关系(在一定的范围内),电压越高,响应时间就越短。经多次实验发现,当加在液晶光阀两端的电压升高到50V后,响应时间就能达到很小,电压再往上增加,响应时间就变化不是很明显,当在ADF的液晶光阀两端瞬间施加输出与占空比成比例的50V左右直流高压,在常温的条件下,在DIN13时,其响应时间能达到0.0735ms(见图4)。由于液晶光阀长期采用高压驱动会降低它的使用寿命,同时也会增加电路中的功耗,因此在电路中还须设计能输出短暂高压的驱动电路。且需满足输出电流小,功耗低,负载能力高的特点。设计时我们在电路中设计了一个9级的倍压整流电路,理论上算出经9级升压后的电压为54V,减去二极管的压降后,实际倍压电路输出为50V左右的电压。综上所述因素,设计的倍压电路如(图5)所示。

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图   4


五、液晶组合的粘接
ADF的视窗是由镀膜玻璃,双片液晶光阀和一片保护玻璃组成(见图2),它们都属于玻璃材料,容易碎,如果他们之间粘接的不牢固,一旦焊接溶质飞溅到液晶组合,可能会造成液晶组合破裂,会伤到焊工的眼睛,因此,液晶组合的粘接的牢固性是ADF一项重要的安全指标。经过多次试验,采用了国外的A、B双组份胶水,按3:2的配比方法在真空的环境下进行搅拌后,在100级的净化环境下采用自动涂胶机进行点胶与粘接,确保ADF的液晶组合的光学特性达到EN379-2003及其相关标准要求,解决了液晶组合粘接工艺。

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图   5

六、总结
模拟线性控制电路在ADF中的应用,虽然成本降低,但电路复杂,而且在解决由于液晶非线性造成的遮光号难以准确调节有一定的困难,因此在未来的2~3年内,利用单片机的ADF技术将会得到广泛的应用,单位机可以利用离线测试,将对应遮光号的电压存入EEPROM数据库中,工作时单片机的程序就能以预先设定好信号,将当前液晶片对应的遮光号电压,输出到液晶光阀的电极上,从而达到准确调节遮光号。但从目前技术趋势看,以及从目前国内生活水平看,在未来的5~10年内,模拟线性控制电路在ADF的中的应用,还是有较长的生命寿期。随着劳动保护意识的提高和劳动保护法规的健全,ADF的使用也将会越来越广泛。

 

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