近幾年中國(guó)打火機(jī)市場(chǎng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)表現(xiàn)活躍，更在世界市場(chǎng)上取得了驕人的成績(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年的打火機(jī)需求量為160億只，而中國(guó)打火機(jī)產(chǎn)量就能達(dá)到100億只左右，年銷售額70億元人民幣，約占世界打火機(jī)生產(chǎn)量的70％。
目前中國(guó)國(guó)內(nèi)大部分打火機(jī)生產(chǎn)都是采用壓電效應(yīng)技術(shù)。壓電效應(yīng)是某些介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時(shí)，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。這種實(shí)現(xiàn)力──電轉(zhuǎn)換等功能的神奇效應(yīng)已被應(yīng)用到與生產(chǎn)、生活、軍事、科技密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的打火機(jī)廠商基本都是選用壓電陶瓷作為原材料。
在打火機(jī)的生產(chǎn)過程中測(cè)量陶瓷元件產(chǎn)生的瞬間電壓是非常重要的工作，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)線上，國(guó)內(nèi)打火機(jī)廠商缺乏專業(yè)測(cè)量?jī)x器，市場(chǎng)上唯一的打火機(jī)電子測(cè)試儀功能單一，不能進(jìn)行擴(kuò)充應(yīng)用，并且操作復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，再加上昂貴的價(jià)格，導(dǎo)致其無法為打火機(jī)生產(chǎn)廠商提供價(jià)值。
圖1 壓電打火元件
如果選用其他儀器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)殡妷好}沖持續(xù)時(shí)間甚短，指針慣性較大，導(dǎo)致普通指針式多用電表的指針無法同步體現(xiàn)電壓的變化最大幅偏轉(zhuǎn)；由于液晶顯示響應(yīng)速度較慢，普通的數(shù)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(jī)電壓讀數(shù)，同樣不能實(shí)際應(yīng)用。因此，只有高性能的數(shù)字示波器才具有對(duì)此的測(cè)試能力，例如本則案例中在溫州部分生產(chǎn)線開始使用的北京普源精儀科技有限責(zé)任公司（RIGOL）DS1000數(shù)字示波器。
RIGOL數(shù)字示波器應(yīng)用測(cè)試方案
RIGOL推出的DS1000系列高性能數(shù)字示波器帶寬達(dá)到100M，實(shí)時(shí)采樣率400MSa/s，存儲(chǔ)深度1M采樣點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子線路測(cè)試、混合信號(hào)電路測(cè)量等眾多領(lǐng)域。在打火機(jī)瞬時(shí)電壓測(cè)試中RIGOL DS1000發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢(shì)。用RIGOL DS1000示波器測(cè)量打火機(jī)電壓波形和脈沖持續(xù)時(shí)間的過程如下：
第一步，設(shè)置探頭和CH1 通道的衰減系數(shù)為1：1000。
第二步，進(jìn)行觸發(fā)設(shè)定。按下觸發(fā)（TRIGGER）控制區(qū)域“MENU”按鈕，顯示觸發(fā)設(shè)置菜單。在此菜單下分別應(yīng)用1～5號(hào)菜單操作鍵設(shè)置觸發(fā)類型為“邊沿觸發(fā)”、邊沿類型為“上升沿”，信源選擇為“CH1”、觸發(fā)方式“單次”或“普通”，“觸發(fā)設(shè)置”耦合為“直流”。然后調(diào)整水平時(shí)基和垂直檔位至適合的范圍。接下來旋轉(zhuǎn)觸發(fā)（TRIGGER）控制區(qū)域“LEVEL”旋鈕，調(diào)整適合的觸發(fā)電平。最后按“RUN/STOP”執(zhí)行按鈕，等待符合觸發(fā)條件的信號(hào)出現(xiàn)。
圖2 RIGOL DS1000單次和普通方式捕捉波形
如果有某一信號(hào)達(dá)到設(shè)定的觸發(fā)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(fā)生的事件，例如壓電陶瓷受壓放電的波形變化：將觸發(fā)電平設(shè)置到剛剛高于正常波形電平，按“RUN/STOP”按鈕開始等待，則當(dāng)放電波形發(fā)生時(shí)，機(jī)器自動(dòng)觸發(fā)并把觸發(fā)前后一段時(shí)間的波形記錄下來。)
測(cè)量過程最后一步，探頭輸入接線柱上的兩根導(dǎo)線的鱷魚夾需分別接在打火機(jī)壓電元件的兩個(gè)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(dòng)并保持。此時(shí)示波器上顯現(xiàn)幅值讀數(shù)為18.6kv，顯示脈沖下降沿時(shí)間8.6μs。調(diào)整光標(biāo)位置，得到脈沖持續(xù)時(shí)間約為10.0μs。
RIGOL DS1000示波器的光標(biāo)追蹤測(cè)量方式是在被測(cè)波形上顯示十字光標(biāo)，通過移動(dòng)光標(biāo)的水平位置，光標(biāo)自動(dòng)在波形上定位，并顯示當(dāng)前定位點(diǎn)的水平、垂直坐標(biāo)和兩光標(biāo)間水平、垂直的增量。其中，水平坐標(biāo)以時(shí)間值顯示，垂直坐標(biāo)以電壓值顯示。
此外，還可以調(diào)用RIGOL DS1000示波器U盤存儲(chǔ)功能對(duì)放電波形進(jìn)行保存。可以通過存儲(chǔ)菜單對(duì)示波器內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)和ΜSB存儲(chǔ)設(shè)備上的波形、設(shè)置文件進(jìn)行保存與調(diào)出操作，也可以對(duì)ΜSB存儲(chǔ)設(shè)備上的波形文件、設(shè)置文件、位圖文件以及CSV文件進(jìn)行新建和刪除操作，雖然不能刪除儀器內(nèi)部的存儲(chǔ)文件，但可將其覆蓋。
圖3 DS1000示波器光標(biāo)追蹤和全部測(cè)量
圖4 RIGOL DS1000示波器U盤存儲(chǔ)
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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化
在電子發(fā)火的打火機(jī)生產(chǎn)線上，對(duì)于其點(diǎn)火裝置的檢驗(yàn)主要有兩個(gè)參數(shù)：1、一次性按下按紐后其輸出端輸出首個(gè)波峰電壓達(dá)到18600V；2、其首個(gè)波峰的上升時(shí)間約為10.0μs。但是即使是工廠專用的測(cè)量裝置，檢測(cè)這兩個(gè)參數(shù)也需要很大的人工成本。為了解決這個(gè)問題，RIGOL提出了用P/F模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)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(jìn)行分壓，我們發(fā)現(xiàn)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(gè)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(shí)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(jì)的感抗和容抗器件的震蕩和自激發(fā)電場(chǎng)在放電過程中又會(huì)通過電路作用于壓電陶瓷，使得壓電陶瓷再放電時(shí)產(chǎn)生巨大的介質(zhì)損耗或者極化，所以時(shí)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(shù)1：1000(沒有高壓電阻使用，100K:100M串連)，測(cè)量100K電阻上的電壓；
2、使用RIGOL DS1000采集一個(gè)正常點(diǎn)火器通過分壓器的放電曲線；
3、參照這個(gè)曲線利用DG系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器創(chuàng)建合適的波形輸出給示波器，RIGOL DS1000利用這一輸入創(chuàng)建P/F規(guī)則，設(shè)置合理的觸發(fā)電平，取普通觸發(fā)方式，這樣示波器輸出P的和不能觸發(fā)的點(diǎn)火裝置就是不合格產(chǎn)品。
標(biāo)準(zhǔn)的制定工作建議對(duì)點(diǎn)火器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量出可以點(diǎn)火的臨界曲線，并以此作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
下面是采用此方案對(duì)一些點(diǎn)火裝置的檢驗(yàn)結(jié)果。雖然自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)在部分生產(chǎn)線上開始應(yīng)用，但仍然有不少工廠還處于人工測(cè)試階段。這種人工測(cè)試方法是用人手指直接感受產(chǎn)品，每測(cè)試一個(gè)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(chǎn)品。顯然，這種方法不僅會(huì)給工人身體帶來很大危害，身體長(zhǎng)期處于麻痹狀態(tài)更不可能保證產(chǎn)品的實(shí)際質(zhì)量。工業(yè)生產(chǎn)線上需要更多RIGOL這樣的安全解決方案，為勞動(dòng)者的健康和產(chǎn)品質(zhì)量提供雙重保障。
本文小結(jié)
在工業(yè)生產(chǎn)中，壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性還可以應(yīng)用于煤氣灶打火開關(guān)、炮彈觸發(fā)引信、擴(kuò)音器、電唱頭、地震儀等器件，利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動(dòng)器更因?yàn)榫哂芯_控制的功能成為精密機(jī)械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件，這些精密器件出廠質(zhì)量的保障都離不開高效的測(cè)量解決方案。作為中國(guó)國(guó)內(nèi)最大的基礎(chǔ)測(cè)量產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，RIGOL此次在打火機(jī)生產(chǎn)線上的應(yīng)用是一個(gè)具有借鑒價(jià)值的成功案例，為批量測(cè)試很多元器件整體模擬輸出信號(hào)質(zhì)量提供了高可用測(cè)試環(huán)節(jié)的樣例。
北京普源精儀科技有限責(zé)任公司供稿
