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近幾年中國打火機市場發展突飛猛進,不僅在國內市場表現活躍,更在世界市場上取得了驕人的成績。據統計,全球每年的打火機需求量為160億只,而中國打火機產量就能達到100億只左右,年銷售額70億元人民幣,約占世界打火機生產量的70%。

目前中國國內大部分打火機生產都是采用壓電效應技術。壓電效應是某些介質在力的作用下產生形變時,在介質表面出現異種電荷的現象。這種實現力──電轉換等功能的神奇效應已被應用到與生產、生活、軍事、科技密切相關的許多領域,國內的打火機廠商基本都是選用壓電陶瓷作為原材料。

在打火機的生產過程中測量陶瓷元件產生的瞬間電壓是非常重要的工作,在傳統的生產線上,國內打火機廠商缺乏專業測量儀器,市場上唯一的打火機電子測試儀功能單一,不能進行擴充應用,并且操作復雜,無法實現自動化,再加上昂貴的價格,導致其無法為打火機生產廠商提供價值。

如果選用其他儀器進行測量,因為電壓脈沖持續時間甚短,指針慣性較大,導致普通指針式多用電表的指針無法同步體現電壓的變化最大幅偏轉；由于液晶顯示響應速度較慢,普通的數字顯示型多用電表也來不及顯示最高瞬間電壓,只能顯示電壓降落(較平緩階段)過程中的隨機電壓讀數,同樣不能實際應用。因此,只有高性能的數字示波器才具有對此的測試能力,例如本則案例中在溫州部分生產線開始使用的北京普源精儀科技有限責任公司(RIGOL)DS1000數字示波器。

RIGOL數字示波器應用測試方案

RIGOL推出的DS1000系列高性能數字示波器帶寬達到100M,實時采樣率400MSa/s,存儲深度1M采樣點,廣泛應用于電子線路測試、混合信號電路測量等眾多領域。在打火機瞬時電壓測試中RIGOL DS1000發揮著巨大的優勢。用RIGOL DS1000示波器測量打火機電壓波形和脈沖持續時間的過程如下:

第一步,設置探頭和CH1 通道的衰減系數為1:1000。

第二步,進行觸發設定。按下觸發(TRIGGER)控制區域“MENU”按鈕,顯示觸發設置菜單。在此菜單下分別應用1～5號菜單操作鍵設置觸發類型為“邊沿觸發”、邊沿類型為“上升沿”,信源選擇為“CH1”、觸發方式“單次”或“普通”,“觸發設置”耦合為“直流”。然后調整水平時基和垂直檔位至適合的范圍。接下來旋轉觸發(TRIGGER)控制區域“LEVEL”旋鈕,調整適合的觸發電平。最后按“RUN/STOP”執行按鈕,等待符合觸發條件的信號出現。

圖1  壓電打火元件  。

圖2  RIGOL  DS1000單次和普通方式捕捉波形。

如果有某一信號達到設定的觸發電平,即采樣一次,顯示在屏幕上。(利用此功能即可以輕易捕捉到偶然發生的事件,例如壓電陶瓷受壓放電的波形變化:將觸發電平設置到剛剛高于正常波形電平,按“RUN/STOP”按鈕開始等待,則當放電波形發生時,機器自動觸發并把觸發前后一段時間的波形記錄下來。)

測量過程最后一步,探頭輸入接線柱上的兩根導線的鱷魚夾需分別接在打火機壓電元件的兩個電極上。迅速按下黑色塑料壓桿,可以看到原來位于中央高度的水平亮線向上(或向下)跳動并保持。此時示波器上顯現幅值讀數為,顯示脈沖下降沿時間8.6μs。調整光標位置,得到脈沖持續時間約為10.0μs。

RIGOL DS1000示波器的光標追蹤測量方式是在被測波形上顯示十字光標,通過移動光標的水平位置,光標自動在波形上定位,并顯示當前定位點的水平、垂直坐標和兩光標間水平、垂直的增量。其中,水平坐標以時間值顯示,垂直坐標以電壓值顯示。

此外,還可以調用RIGOL DS1000示波器U盤存儲功能對放電波形進行保存。可以通過存儲菜單對示波器內部存儲區和ΜSB存儲設備上的波形、設置文件進行保存與調出操作,也可以對ΜSB存儲設備上的波形文件、設置文件、位圖文件以及CSV文件進行新建和刪除操作,雖然不能刪除儀器內部的存儲文件,但可將其覆蓋。

圖3  DS1000示波器光標追蹤和全部測量。

圖4  RIGOL DS1000示波器U盤存儲。

圖5   DS1000上正常放電波形。 圖6   DS1000上異常放電波形。

利用P/F功能實現自動化

在電子發火的打火機生產線上,對于其點火裝置的檢驗主要有兩個參數:1、一次性按下按紐后其輸出端輸出首個波峰電壓達到18600V；2、其首個波峰的上升時間約為10.0μs。但是即使是工廠專用的測量裝置,檢測這兩個參數也需要很大的人工成本。為了解決這個問題,RIGOL提出了用P/F模塊實現自動化測量的解決方案。

通過采用自制純電阻分壓器和阻容式分壓器進行分壓,我們發現由于其放電電壓是急劇等變得不可忽略,使得在其放電過程中各個電阻上分壓不同；而通常分壓器中的電感和電容上升的,上升時間在3μs左右,使得純電阻電路中很小的正常情況下忽略不計的感抗和容抗器件的震蕩和自激發電場在放電過程中又會通過電路作用于壓電陶瓷,使得壓電陶瓷再放電時產生巨大的介質損耗或者極化,所以時常使得壓電陶瓷失效。

RIGOL最終提供了以下問題解決方案:

1、使用純電阻分壓器,建議分壓倍數1:1000(沒有高壓電阻使用,100K:100M串連),測量100K電阻上的電壓；

2、使用RIGOL DS1000采集一個正常點火器通過分壓器的放電曲線；

3、參照這個曲線利用DG系列函數/任意波形發生器創建合適的波形輸出給示波器,RIGOL DS1000利用這一輸入創建P/F規則,設置合理的觸發電平,取普通觸發方式,這樣示波器輸出P的和不能觸發的點火裝置就是不合格產品。

標準的制定工作建議對點火器進行測試,測量出可以點火的臨界曲線,并以此作為檢測標準。

下面是采用此方案對一些點火裝置的檢驗結果。雖然自動化測試系統已經在部分生產線上開始應用,但仍然有不少工廠還處于人工測試階段。這種人工測試方法是用人手指直接感受產品,每測試一個壓電元件工廠工人都要親身感覺一次電壓,如果麻痹感有異于正常電壓,則判斷為漏電產品。顯然,這種方法不僅會給工人身體帶來很大危害,身體長期處于麻痹狀態更不可能保證產品的實際質量。工業生產線上需要更多RIGOL這樣的安全解決方案,為勞動者的健康和產品質量提供雙重保障。

本文小結

在工業生產中,壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性還可以應用于煤氣灶打火開關、炮彈觸發引信、擴音器、電唱頭、地震儀等器件,利用壓電效應制作的壓電驅動器更因為具有精確控制的功能成為精密機械、微電子和生物工程等領域的重要器件,這些精密器件出廠質量的保障都離不開高效的測量解決方案。作為中國國內最大的基礎測量產品及解決方案供應商,RIGOL此次在打火機生產線上的應用是一個具有借鑒價值的成功案例,為批量測試很多元器件整體模擬輸出信號質量提供了高可用測試環節的樣例。

北京普源精儀科技有限責任公司供稿