CN114264697A - 一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火花塞陶瓷体的检测方法，具体涉及一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置及检测方法，包括高压脉冲充放电***和红外成像仪；高压脉冲充放电***包括电信号发生部、高压气室和电信号接收部；电信号发生部与电信号接收部通过火花塞电连接；火花塞与高压气室可拆卸连接；电信号发生部向火花塞充电，并由电信号接收部记录火花塞放电的电压信号；红外成像仪对准火花塞，测定火花塞的表面温度。与现有技术相比，本发明将高压脉冲充放电测试方法与红外成像温度检测方法相结合，可以解决单依据电压值进行判定无法有效剔除轻微瑕疵品的问题，且无需在高压环境下安装高速摄影机，更为简单、安全，成本也得到了降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种火花塞陶瓷体的检测方法，具体涉及一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置及检测方法。
背景技术
火花塞是用于内燃机上点火***的零件，其接收由导线输送来的高压脉冲，使两级间的气体被击穿而产生电火花，从而引燃燃烧室中空气与燃料的混合气体。火花塞，俗称火嘴，它的作用是把高压导线(火嘴线)送来的脉冲高压电放出，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花以引燃汽缸内的混合气体，主要类型有：准型火花塞、缘体突出型火花塞、电极型火花塞、座型火花塞、极型火花塞、面跳火型火花塞等。火花塞安装在发动机的侧面或顶部，早期的火花塞靠缸线与分电器连接，近年来，汽车上的发动机基本上都改成了点火线圈与火花塞直接相连。火花塞的工作电压至少为10000V，高压电靠点火线圈由12V电生成，然后传递给火花塞。由于火花塞的工作特性，要求其必须具备较高的耐电压性能，其外壁通常采用绝缘性能优良的陶瓷体材料。
目前对于火花塞陶瓷体材料缺陷的检测主要是采用高压脉冲放电后电压降的方法进行判定。例如，申请号为CN201210549956.8的实用新型专利，公开了一种火花塞耐高电压自动检测方法及装置，其通过在流水作业线上通过一个夹持机构将待检验火花塞夹紧，使点火螺纹端朝下***一个高压气体密封腔内；再给火花塞导电螺杆加载高压脉冲信号，依据高压击穿后电压下降原理，采集电压信号并给出缺陷判定。由于该专利的测试过程只有一步，轻微瑕疵品在被击穿后对电压信号影响不明显，导致轻微瑕疵品在高压脉冲充放电测试中不容易被检出，容易造成误判。
申请号CN201810054229.1的发明专利和申请号CN201820091429.X的实用新型专利则针对这些问题进行了技术改进，在测试室下腔设置高速成像装置，将高压脉冲充放电测试方法与高速成像方法相结合，在高压测试的基础上增加了低压测试，不设置火花塞的点火间隙使正常充放电和击穿的电压下降差异变大，并且在电压信号评价手段上增加了电压信号与时间轴的包络面积对比，有效提高火花塞陶瓷体在线检测的准确度。然而该专利需要在测试室下腔设置高速成像装置，但测试室内充满了高压气体，这对成像装置本身和其安装提出了很高的要求，大大增加了检测设备的制造复杂度和成本。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置及检测方法，将高压脉冲充放电测试方法与红外成像温度检测方法相结合，可以解决单依据电压值进行判定无法有效剔除轻微瑕疵品的问题，且无需在高压环境下安装高速摄影机，更为简单、安全，成本也得到了降低。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，包括高压脉冲充放电***和红外成像仪；
所述的高压脉冲充放电***包括电信号发生部、高压气室和电信号接收部；所述的电信号发生部与电信号接收部通过火花塞电连接；所述的火花塞与高压气室可拆卸连接；所述的电信号发生部向火花塞充电，并由所述的电信号接收部记录火花塞放电的电压信号；
所述的红外成像仪对准火花塞，测定火花塞的表面温度。
优选地，所述的电信号发生部通过产生高压脉冲向火花塞充电，所述的高压脉冲的电压为38kV或48kV，频率为50～60Hz。根据实际实验条件进行电压和频率的选取。
优选地，所述的电信号发生部包括电源、脉冲发生器、线圈驱动件和线圈；所述的电源分别与线圈驱动件和线圈电连接；所述的脉冲发生器与线圈驱动件电连接；所述的线圈驱动件与线圈电连接；所述的线圈与火花塞电连接；所述的电源、脉冲发生器、线圈驱动件和线圈接地。
优选地，所述的火花塞的侧电极为未弯折状态，用以防止点火端跳火。
优选地，所述的高压气室内设有充气口、排气口和待测样连接口；所述的火花塞通过待测样连接口与高压气室螺纹连接，使高压气室形成一个密封空间；所述的充气口向高压气室充气，所述的排气口由高压气室排气；所述的高压气室接地；所述的高压气室内部压力为40～60bar，由于火花塞的放电电压与高压气室内部压力成正比，当高压气室内部压力低于此压力下，会导致火花塞在未达到高压脉冲的电压即发生提前放电现象，达不到检测效果。高压气室内充入的气体为干燥压缩空气或者氮气。
优选地，所述的电信号接收部包括高压探头和示波器；所述的示波器通过高压探头与火花塞电连接；所述的示波器接地；火花塞放电的电压信号经高压探头衰减后，由示波器采集并记录。高压探头的衰减比率根据示波器的示波范围所决定。
优选地，所述的红外成像仪设有2～4台，对称于火花塞设置。通过对称于火花塞设置的红外成像仪可以检测火花塞的表面所有位置的温度。
优选地，所述的红外成像仪测量火花塞表面的温度场，红外成像范围覆盖火花塞一周，可以准确的判断火花塞表面是否存在局部区域温度上升的情况。
优选地，所述的红外成像仪的镜头为微距镜头，通过微距镜头的使用可以实现近距离、微小物体的拍摄，放大拍摄体(最大1:1的放大倍率)，提高检测精度，测温范围为-40～330℃。
本发明第二方面公开了一种采用如上所述的火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置进行火花塞陶瓷体缺陷在线检测的方法，包括如下步骤：
S1：高压脉冲充放电测试：将待测火花塞安装于高压气室中，并通过电信号发生部对待测火花塞的螺杆加载高压脉冲进行高压脉冲充放电测试，并通过电信号接收部接收待测火花塞放电的电压信号，进而可以得到其放电时的电压波形，通过比较该电压波形与合格火花塞(标准品)的电压波形，判定待测火花塞是否在高压脉冲充放电测试中被击穿；
S2：火花塞上部红外热成像测试：在步骤S1进行的同时，采用红外成像仪对待测火花塞上部的螺杆进行温度测量，通过判断表面局部温度是否较于原温度温差大于50℃，判定待测火花塞上部是否在高压脉冲充放电测试中被击穿；
S3：火花塞下部红外热成像测试：快速取出经步骤S1和S2测试的待测火花塞，并采用红外成像仪对待测火花塞下部进行温度测量，通过表面局部温度是否较于原温度温差大于50℃，判定火花塞下部是否在高压脉冲充放电测试中被击穿；
S4：通过判断步骤S1接收的电压信号和步骤S2、步骤S3测量的温度变化是否同时满足要求，以判断待测火花塞是否合格。
优选地，步骤S3中在取出待测火花塞之前，需要将高压气室内的气体排空，防止高压气体发生意外情况而引起的安全事故。
优选地，步骤S3的总耗时≤60s，即快速取出与温度测量的总耗时要求控制在60s以内。控制步骤S3的耗时时长在60s以内可以防止由于火花塞在取出后放置时间过长而引起的温度变化导致的检测记过失准。
优选地，步骤S4中判断待测火花塞是否合格的标准为同时满足如下三个标准：
(i)待测火花塞放电的电压波形无异常；
(ii)待测火花塞上部的螺杆表面局部温度与原温度温差小于50℃；
(iii)待测火花塞下部的表面局部温度与原温度温差小于50℃。
其中(i)中所述的无异常是指待测火花塞的电压波形相较于合格火花塞(标准品)的电压波形的误差<10％，属于合格。
在耐电压测试过程中，轻微瑕疵品被击穿对接收的电压信号影响不明显，导致轻微瑕疵品在高压脉冲充放电测试中不容易检测出，从而使得轻微瑕疵品被误认为合格品流入市场；而对火花塞的表面进一步执行红外热成像测试，可以有效识别出瑕疵品被击穿导致的表面温度异常升高，进而可以精确识别出轻微瑕疵品。
优选地，当需要重复测试同一火花塞时，应尽量控制每次测试中被测火花塞快速取出与温度测量的总耗时一致，以提高测试结果的准确性。
由于火花塞的击穿可能发生在上部，也可能发生在下部，而绝缘陶瓷的导热性较差，因而击穿只会导致局部的温度升高。因此，只有当待测火花塞：1、电压波形与合格火花塞(标准品)的电压波形误差<10％；2、上部螺杆表面局部温度未升高(表面局部温度与原温度温差小于50℃)；3、下部表面局部温度未升高(表面局部温度与原温度温差小于50℃)，同时满足上述三个条件时，才可以判定该待测火花塞合格；反之，若其中一项测试不通过，则判定该被测火花塞为不合格。
本发明的工作原理为：
首先进行高压脉冲充放电测试：通过电信号发生部对火花塞进行充电，并通过电信号接收部接收并记录火花塞放电的电压信号；在高压脉冲充放电测试的同时进行火花塞上部红外热成像测试：红外成像仪监测火花塞在进行高压脉冲充放电测试时的温度；完成高压脉冲充放电测试后，排出高压气室内的高压气体，并快速取出待测火花塞，用红外成像仪对火花塞进行火花塞下部红外热成像测试：通过红外成像仪对火花塞下部进行温度测量。综合三个测试的结果，当待测火花塞得到的电压波形与合格火花塞(标准品)的电压波形误差<10％、火花塞上部螺杆表面局部温度未升高且火花塞下部表面局部温度未升高同时满足时，判定该待测火花塞合格。
测试原理是：在高压脉冲充放电测试中，轻微瑕疵品被击穿对接收的电压信号影响不明显；红外热成像测试，可以有效识别出瑕疵品被击穿导致的表面温度异常升高，进而可以精确识别出轻微瑕疵品。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明结合高压脉冲充放电测试和红外热成像测试两种方式对火花塞进行耐电压性能的检测，第一步先通过高压脉冲充放电测试将无法达到耐电压值要求的不合格品剔除，余下的待测样品通过红外热成像测试，进一步将轻微瑕疵品剔除，最终获得无瑕疵合格品。整套流程快速、高效，并且可以精确分辨合格品、轻微瑕疵品和不合格品，有效防止轻微瑕疵品和不合格品进入市场后可能发生的安全问题。
2、在耐电压测试过程中，轻微瑕疵品被击穿对电压信号影响不明显，导致轻微瑕疵品在高压脉冲充放电测试中不容易检测出，从而使得轻微瑕疵品被误认为合格品流入市场；而本发明对火花塞的表面进一步执行了红外热成像测试，可以有效识别出瑕疵品被击穿导致的表面温度异常升高，进而可以精确识别出轻微瑕疵品。两测试结果均属于可量化的数值，因而可以十分精确地判定火花塞是否合格，并且对于不同型号、结构的火花塞可能存在的不同判定条件，只需进行简单的设置调整即可适应不同火花塞的测试。
3、本发明的检测方法的准确性高，可以有效识别合格品与轻微瑕疵品，进一步完善了火花塞耐电压性能的测试，可以指导火花塞生产厂商用于批量检验。
4、本发明的检测装置的结构简单，在原有的高压脉冲充放电测试的装置上安装多个红外成像仪即可实现，可以直接对现有生产线进行改进且不破坏原有动线和结构，益于实用。采用红外成像仪使检测装置的成本较低，并将红外成像仪设置在高压气室的外部，可以避免将其设置在高压环境中，降低了检测设备成本和安装复杂度，并方便后期的维护。
5、本发明的检测装置和检测方法可以全自动化的实现，进而可以进一步提高检测的效率及过程的安全性，并且可以精确控制测量时间，提高平行测试的一致性，提高测试结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的检测装置在实施例1中进行高压脉冲充放电测试和火花塞上部红外热成像测试时的结构示意图；
图2为本发明的检测装置在实施例1中进行火花塞下部红外热成像测试时的结构示意图；
图3为本发明的检测装置中的红外成像仪的一种设置方式的示意图；
图4为本发明的检测装置中的红外成像仪的另一种设置方式的示意图；
图中：1-电源；2-脉冲发生器；3-线圈驱动件；4-线圈；5-火花塞；6-高压探头；7-示波器；8-红外成像仪；9-高压气室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种火花塞5陶瓷体缺陷在线检测装置，如图1和图2所示，包括高压脉冲充放电***和红外成像仪8；高压脉冲充放电***包括电信号发生部、高压气室9和电信号接收部；电信号发生部与电信号接收部通过火花塞5电连接；火花塞5与高压气室9可拆卸连接；电信号发生部向火花塞5充电，并由电信号接收部记录火花塞5放电的电压信号；红外成像仪8对准火花塞5，测定火花塞5的表面温度。
更具体地，本实施例中：
电源1、脉冲发生器2、线圈驱动件3、线圈4、高压探头6和示波器7均可采用现有的测试装置的仪器和设备，红外成像仪8采用分辨率高于320×240，并配有微距镜头的红外热成像仪。
电源1、脉冲发生器2、线圈驱动件3和线圈4共同组成电信号发生部，其中，电源1分别与线圈驱动件3和线圈4电连接，脉冲发生器2与线圈驱动件3电连接，线圈驱动件3与线圈4电连接，线圈4与火花塞5电连接，电源1、脉冲发生器2、线圈驱动件3和线圈4接地。电信号发生部向火花塞5充电为电信号发生部通过产生电压为48kV，频率为50Hz的高压脉冲向火花塞5充电。
待测试的火花塞5与高压气室9的待测样连接口螺纹连接，使高压气室9形成一个密封空间，高压气室9接地。待测试火花塞5的侧电极一端伸入高压气室9内，而螺杆一端则位于高压气室9外，并与电信号发生部和电信号接收部相电连接，其中侧电极处于未弯折状态，防止点火端跳火引起的测试结果不准确。测试前，充气口向高压气室9内进行充气，使高压气室9内部压力达60bar，高压气室9内充满的干燥氮气为高压脉冲充放电测试提供条件；测试后高压气体由排气口排出高压气室9。
电信号接收部包括高压探头6和示波器7，其中示波器7通过高压探头6与待测试火花塞5电连接，并且示波器7接地。待测试火花塞5放电的电压信号经高压探头6衰减后，由示波器7采集并记录。高压探头6的衰减比率根据示波器7的示波范围所决定，在本实施例中选用的高压探头6的衰减比率为1:1000。
在待测试火花塞5的周围对称设置了红外成像仪8，通常可以采用2～4台，如图3和图4所示，可对称设置2台，或对称设置4台，或者是以火花塞为中心，旋转对称设置3台，形成三角形结构。在本实施例中，选择如图4中的设置方式，在火花塞5周围对称设置4台红外成像仪8以测定火花塞5表面所有位置处的温度。红外成像仪8用于测量火花塞5表面的温度场，红外成像范围覆盖待测火花塞5一周，可以准确的判断火花塞5表面是否存在局部区域存在温度上升的情况。为进一步提高测试的准确性，红外成像仪8的镜头优选选用微距镜头，并且红外成像仪8的测温范围为-40～330℃。
采用上述的装置对火花塞5陶瓷体缺陷进行在线检测，需要按如下步骤进行：
S1：高压脉冲充放电测试：将待测火花塞5安装于高压气室9中，并通过电信号发生部对待测火花塞5的螺杆加载高压脉冲进行高压脉冲充放电测试，并通过电信号接收部接收待测火花塞5放电的电压信号，通过比较待测火花塞5放电的电压信号形成的波形与合格火花塞5(标准品)的电压波形来判定待测火花塞5合格与否；
S2：火花塞5上部红外热成像测试：在步骤S1进行的同时，采用红外成像仪8对待测火花塞5上部的螺杆进行温度测量，通过表面局部温度是否升高判定待测火花塞5上部是否在高压脉冲充放电测试中被击穿；
S3：火花塞5下部红外热成像测试：排空高压气室9内的高压气体，快速取出经步骤S1和S2测试的待测火花塞5，并采用红外成像仪8对待测火花塞5下部进行温度测量，通过表面局部温度是否升高判定火花塞5下部是否在高压脉冲充放电测试中被击穿；本步骤需要在60s内完成，以防止由于火花塞5在取出后放置时间过长而引起的温度变化导致的检测记过失准。
S4：通过判断步骤S1接收的电压信号和步骤S2、步骤S3测量的温度变化是否同时满足要求，以判断待测火花塞5是否合格。
只有当待测火花塞5同时满足如下三个标准时，判断为合格：
(i)待测火花塞5放电的电压波形无异常(相较于合格火花塞5(标准品)的电压波形误差<10％)；
(ii)待测火花塞5上部的螺杆表面局部温度与原温度温差小于50℃；
(iii)待测火花塞5下部的表面局部温度与原温度温差小于50℃。
对于同一火花塞5测试样品的多次平行测试，应尽量控制每次测试的条件相一致，以提高测试结果的准确性。
在耐电压测试过程中，轻微瑕疵品被击穿对接收的电压信号影响不明显，导致轻微瑕疵品在高压脉冲充放电测试中不容易检测出，从而使得轻微瑕疵品被误认为合格品流入市场；而对火花塞5的表面进一步执行红外热成像测试，可以有效识别出瑕疵品被击穿导致的表面温度异常升高，进而可以精确识别出轻微瑕疵品。
因此，只有当待测火花塞5同时满足如下三个条件时：1、电压波形与合格火花塞5(标准品)的电压波形误差<10％；2、上部螺杆表面局部温度未升高；3、下部表面局部温度未升高，才可以判定该待测火花塞5合格；反之，若其中一项测试不通过，则判定该被测火花塞5为不合格。
对某生产线上的火花塞5采用本实施例中所描述的条件和方法进行合格测定，并同时采用常规方法(高压脉冲充放电测试)作为对比。共对1000件火花塞5进行测定，测定结果表明高压脉冲充放电测试的测试结果为合格994件；本实施例的方法的测试结果为合格992件，其中2件是由于局部表面温度上升超过50℃而判定为不合格，经进一步对该2件火花塞5的结构和性能的完整测定，证实确实属于瑕疵品，证明本检验方法可以作为实际判断方法使用，并且具有快速、准确的特点。
本发明的工作原理为：
首先进行高压脉冲充放电测试：通过电信号发生部对火花塞5进行充电，并通过电信号接收部接收并记录火花塞5放电的电压信号；在高压脉冲充放电测试的同时进行火花塞5上部红外热成像测试：红外成像仪8监测火花塞5在进行高压脉冲充放电测试时的温度；完成高压脉冲充放电测试后，排出高压气室9内的高压气体，并快速取出待测火花塞5，用红外成像仪8对火花塞5进行火花塞5下部红外热成像测试：通过红外成像仪8对火花塞5下部进行温度测量。综合三个测试的结果，当待测火花塞5得到的电压波形与合格火花塞5(标准品)的电压波形误差<10％、火花塞5上部螺杆表面局部温度未升高且火花塞5下部表面局部温度未升高同时满足时，判定该待测火花塞5合格。
测试原理是：在高压脉冲充放电测试中，轻微瑕疵品被击穿对接收的电压信号影响不明显；红外热成像测试，可以有效识别出瑕疵品被击穿导致的表面温度异常升高，进而可以精确识别出轻微瑕疵品。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，包括高压脉冲充放电***和红外成像仪(8)；
所述的高压脉冲充放电***包括电信号发生部、高压气室(9)和电信号接收部；所述的电信号发生部与电信号接收部通过火花塞(5)电连接；所述的火花塞(5)与高压气室(9)可拆卸连接；所述的电信号发生部向火花塞(5)充电，并由所述的电信号接收部记录火花塞(5)放电的电压信号；
所述的红外成像仪(8)对准火花塞(5)，测定火花塞(5)的表面温度。
2.根据权利要求1所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的电信号发生部通过产生高压脉冲向火花塞(5)充电，所述的高压脉冲的电压为38kV或48kV，频率为50～60Hz。
3.根据权利要求1或2所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的电信号发生部包括电源(1)、脉冲发生器(2)、线圈驱动件(3)和线圈(4)；所述的电源(1)分别与线圈驱动件(3)和线圈(4)电连接；所述的脉冲发生器(2)与线圈驱动件(3)电连接；所述的线圈驱动件(3)与线圈(4)电连接；所述的线圈(4)与火花塞(5)电连接；所述的电源(1)、脉冲发生器(2)、线圈驱动件(3)和线圈(4)接地。
4.根据权利要求1所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的火花塞(5)的侧电极为未弯折状态。
5.根据权利要求1所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的高压气室(9)内设有充气口、排气口和待测样连接口；所述的火花塞(5)通过待测样连接口与高压气室(9)螺纹连接；所述的充气口向高压气室(9)充气，所述的排气口由高压气室(9)排气；所述的高压气室(9)接地；所述的高压气室(9)内部压力为40～60bar。
6.根据权利要求1所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的电信号接收部包括高压探头(6)和示波器(7)；所述的示波器(7)通过高压探头(6)与火花塞(5)电连接；所述的示波器(7)接地；火花塞(5)放电的电压信号经高压探头(6)衰减后，由示波器(7)采集并记录。
7.根据权利要求1所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的红外成像仪(8)设有2～4台，对称于火花塞(5)设置。
8.根据权利要求7所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置，其特征在于，所述的红外成像仪(8)的镜头为微距镜头，测温范围为-40～330℃。
9.一种采用如权利要求1～8任一所述的火花塞陶瓷体缺陷在线检测装置进行火花塞陶瓷体缺陷在线检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：高压脉冲充放电测试：将待测火花塞(5)安装于高压气室(9)中，并通过电信号发生部对待测火花塞(5)的螺杆加载高压脉冲进行高压脉冲充放电测试，并通过电信号接收部接收待测火花塞(5)放电的电压信号；
S2：火花塞(5)上部红外热成像测试：在步骤S1进行的同时，采用红外成像仪(8)对待测火花塞(5)上部的螺杆进行温度测量；
S3：火花塞(5)下部红外热成像测试：快速取出经步骤S1和S2测试的待测火花塞(5)，并采用红外成像仪(8)对待测火花塞(5)下部进行温度测量；
S4：通过判断步骤S1接收的电压信号和步骤S2、步骤S3测量的温度变化是否同时满足要求，以判断待测火花塞(5)是否合格。
10.根据权利要求9所述的一种火花塞陶瓷体缺陷在线检测方法，其特征在于，步骤S4中判断待测火花塞(5)合格的标准为同时满足如下三个标准：
(i)待测火花塞(5)放电的电压波形无异常；
(ii)待测火花塞(5)上部的螺杆表面局部温度与原温度温差小于50℃；
(iii)待测火花塞(5)下部的表面局部温度与原温度温差小于50℃。
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