[发明专利]一种测量电弧压力分布和电流密度分布的装置及测量方法

权利要求书

1.一种测量电弧压力分布和电流密度分布的装置，其特征在于：包括电机(1)、定位框(6)、固定在定位框(6)上的导轨(2)、安装在定位框(6)上并与电机(1)相连的丝杠(3)、安装在导轨(2)上的滑动件(4)、安装在滑动件(4)下端的焊枪位置调整机构(5)、设置在定位框下方的平台面(19)、固定在平台面(19)和定位框(6)之间起到支撑定位框作用的支撑柱(20)、放置在平台面上的容器(12)、放置在容器(12)内的阳极板和称重传感器、以及左电流传感器(8)、左示波器(7)、右电流传感器(21)、右示波器(22)、左AD转换模块(10)、右AD转换模块(17)、左计算机(9)和右计算机(18)；其中：滑动件(4)连接在丝杠(3)上，滑动件(4)在丝杠(3)的带动下能够沿着导轨(2)滑动；所述的阳极板包括左阳极板(11)和右阳极板(16)，在左阳极板(11)和右阳极板(16)之间设置有绝缘材料(14)，在左阳极板(11)和容器(12)之间设置有左称重传感器(24)，在右阳极板(16)与容器(12)之间设置有右称重传感器(26)，左称重传感器(24)通过左AD转换模块(10)与左计算机(9)相连，右称重传感器(26)通过右AD转换模块(17)与右计算机(18)相连；在容器(12)内设置有冷却液(25)，左阳极板(11)和右阳极板(16)都浸泡在冷却液(25)中，左阳极板(11)与左电流传感器(8)相连，左电流传感器(8)与左示波器(7)相连；右阳极板(16)与右电流传感器(21)相连，右电流传感器(21)与右示波器(22)相连；焊枪安装在焊枪位置调整机构(5)的下端。

2.根据权利要求1所述的一种测量电弧压力分布和电流密度分布的装置，其特征在于：在左阳极板(11)和右阳极板(16)上开有相同大小的槽，在槽内塞入密度小于所述冷却液密度的轻质块(23)。

3.根据权利要求1所述的一种测量电弧压力分布和电流密度分布的装置，其特征在于：所述的左电流传感器(8)与右电流传感器(21)是相同型号的电流传感器；所述的左示波器(7)与右示波器(22)是相同型号的示波器；所述的左AD转换模块(10)与右AD转换模块(17)是相同型号的AD转换模块；所述的左称重传感器(24)与右称重传感器(26)是相同型号的称重传感器。

4.根据权利要求1所述的一种测量电弧压力分布和电流密度分布的装置，其特征在于：所述的绝缘材料的厚度为50微米～150微米。 

5.使用权利要求1所述的测量电弧压力分布和电流密度分布的装置对电弧压力分布和电流密度分布进行测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)电机(1)带动丝杠(3)匀速转动，使焊枪(13)在导轨(2)上匀速地从左向右沿垂直绝缘材料(14)的方向运动，焊枪(13)与阳极板之间的电弧(15)随焊枪也匀速地从左向右沿垂直绝缘材料(14)的方向运动；沿阳极板上表面的电弧区域记为电弧圆域；

2)作用在左阳极板上电弧力的采集由左称重传感器(24)、左AD转换模块(10)、左计算机(9)来实现，并从左计算机上读取电弧力值，记为F₁(x)；

作用在右阳极板上电弧力的采集由右称重传感器(26)、右AD转换模块(17)、右计算机(18)来实现，并从右计算机上读取电弧力值，记为F(x)；

作用在左阳极板上的电弧电流通过左电流传感器(8)、由左示波器(7)采集得到，并从左示波器(7)上读取电弧电流值，记为I₁(x)；

作用在右阳极板上的电弧电流通过右电流传感器(21)、由右示波器(22)采集得到，并从右示波器(22)上读取电弧电流值，记为I(x)；

3)当电弧垂直通过绝缘材料(14)时，作用在左、右阳极板上的电弧力值F_1(x)、F_(x)和流过左、右阳极板的电弧电流值I_1(x)、I_(x)都随着焊枪相对于绝缘材料位置发生变化而变化，并从变化趋势得出电弧(15)从开始到右阳极板(16)左侧面至刚好完全进入右阳极板所需的时间Δt；丝杠的转速等于电机的转速，由丝杠的转速和导程得出电弧的运动速度V为

上式中：

h_B为丝杠的导程；

n为电机的转速；

因此，电弧半径R_m为：

上式中：V为电弧的运动速度； 

Δt为电弧从开始到右阳极板左侧面至刚好完全进入右阳极板所需时间；

4)右阳极板所受的电弧力值F_(x)即为电弧圆域在右阳极板上的投影面积对电弧压力P_(ρ)的积分，流过右阳极板的电流值I_(x)即为电弧圆域在右阳极板上的投影面积对电流密度J_(ρ)的积分，其表达式分别为：

上式中：

X为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域中心与右阳极板左侧面的距离，0≤X≤R_m；

R_m为电弧半径；

P_(ρ)为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域压力分布；

J_(ρ)为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域电流密度分布；

ρ为电弧圆域范围内的任意点离圆心的距离；

同理，对于左阳极板所受的电弧力值F_1(x)即为电弧圆域在左阳极板上的投影面积对电弧压力P_(ρ)的积分，流过左阳极板的电流值I_(x)即为电弧圆域在左阳极板上的投影面积对电流密度J_(ρ)的积分，其表达式分别为：

上式中：

X为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域中心与左阳极板右侧面的距离， 

0≤X≤R_m

R_m为电弧半径；

P_(ρ)为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域压力分布；

J_(ρ)为电弧垂直通过绝缘材料时电弧圆域电流密度分布；

ρ为电弧圆域范围内的任意点离圆心的距离；

F_max为左计算机所得的电弧力最大值；

I_max为左计算机所得的电弧电流最大值；

5)求解方程(3)(4)或(5)(6)，得到电弧半圆域压力P_(ρ)和电弧半圆域电流密度J_(ρ)，从而作出电弧半圆域压力分布曲线和电弧半圆域电流密度分布曲线；根据圆的对称性，以圆直径为对称轴，作出电弧整个圆域压力分布曲线和电弧整个圆域电流密度分布曲线。