（材料加工工程专业论文）mig焊电弧声数采硬件系统架构与产生机理研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m i g 焊电弧声数采硬件系统架构与产生机理研究 摘要 m i g 焊是一种高效、低廉、适应性广的焊接制造技术，它在金属结构制造 业中的应用极为广泛。针对焊接过程稳定性和焊接质量在线监控等问题，本文 以m i g 焊电弧声信号作为研究对象，进行了以下三方面的工作。 利用已有得研究成果，通过市场调研和选型，架构了m i g 焊电弧声信号 数采硬件系统。系统主要由a w a l 4 4 2 3 传声器、信号调理模块和p c i 1 7 1 3 采 集卡组成。实验测试结果表明，系统已基本具备了对电弧声进行高速多通道实 时数据获取，满足了课题需要。同时，整套系统具有对焊接噪声的良好抑制作 用。 通过传声器、保护气、熔滴过渡和焊接飞溅实验完成了对电弧声初步探 讨。m i g 焊电弧声信号频率主要分布在7 0 0 0 h z 以内，其中射滴过渡有两个波 形，分别居于1 0 0 0 h z 和6 0 0 0 h z 左右，而射流过渡波形相对集中，能量绝大 部分分布在3 0 0 0 h z - 6 0 0 0 h z 范围内。电弧声信号受传声器、保护气和焊接飞 溅影响较大，性能良好的传声器在做到对信号的有效辨识的同时，还可以达到 对噪声的有效屏蔽；保护气流量过小，电弧燃烧不稳定，电弧声时断时续；过 大，容易焊穿，伴有“口哨 声响。焊接飞溅对电弧声信号幅度有增大作用。 飞溅源于液态金属的爆破，在局部瞬间气体膨胀，将热能转化为机械能，并以 波动形式传播出去。 阐述了电弧声产生机理。电弧声是气体放电的伴生物，是等离子体集体振 荡以波形方式传播的结果，也是声源和声道共同作用的产物，其频谱特性主要 取决于声道的频率响应。在此基础上，建立了电弧声线性产生模型，采用 l e v i n s o n d u r b i n 递推算法提取了电弧声信号的线性预测系数，并用所得系数重 构了声波信号，重构信号与原信号保持了波形和频谱特性的一致性。印证了电 弧声信号的线性预测分析是对电弧声道系统的一个估计。 关键词m i g 焊；电弧声；信号采集；产生机理 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a r c h i t e c t u r eo fd a t a a c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e m a n dr e s e a r c h0 ng e n e r a t i o nj e c h a n i s mo ia r c 1 一 o j 1 l i s o u n di nm i g w e l d i n g a b s t r a c t m i gw e l d i n gi sa ne f f i c i e n t ，i n e x p e n s i v e ，w i d e a d a p t a b i l i t y o fw e l d i n g m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i t s m e t a ls t r u c t u r e m a n u f a c t u r i n g w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s f o rt h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l i t ym o n i t o r i n g i s s u e ss u c ha so n l i n e ，t h i sa r t i c l ei no r d e rt om i g w e l d i n ga r cs o u n ds i g n a lf o rt h e s t u d yc o n d u c t e dt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s m a ym a k eu s eo fe x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，t h r o u g hm a r k e tr e s e a r c h a n d s e l e c t i o n ，m i gw e l d i n ga r ca r c h i t e c t u r eo ft h ea c o u s t i cs i g n a ld a t aa c q u i s i t i o n h a r d w a r es y s t e m s y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e da w a14 4 2 3m i c r o p h o n e ，s i g n a l c o n d i t i o n i n gm o d u l e sa n dp c i - 1 713a c q u i s i t i o nc a r dc o m p o n e n t e x p e r i m e n t a lt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sb e e nb a s i c a l l yh a v et h es o u n do fa r c i n gh i g h s p e e d m u l t i c h a n n e lr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，m e e t st h er e q u i r e dt o p i c s a tt h es a m et i m e ， t h ee n t i r es y s t e m 、析mag o o dn o i s eo nt h ei n h i b i t o r ye f f e c to fw e l d i n g t h r o u g ht h em i c r o p h o n e ，t h ep r o t e c t i o no fg a s ，d r o p l e tt r a n s f e ra n dw e l d i n g s p a t t e re x p e r i m e n t sc o m p l e t e dap r e l i m i n a r ys t u d yo ft h ea r cs o u n d m i gw e l d i n g a r cs o u n ds i g n a lf r e q u e n c yi sm a i n l yd i s t r i b u t e da t7 0 0 0 h zw i t h i no n eo ft h e t r a n s i t i o nh a st w od r o ps h o tw a v e f o r m s ，10 0 0 h za n d6 0 0 0 h zl i v i n gs e p a r a t e l y , w h i l e t h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no fj e tt r a n s i t i o nw a v e f o r m ，t h ev a s tm a j o r i t yo ft h e d i s t r i b u t i o no fe n e r g ya t3 0 0 0 h z 6 0 0 0 h zr a n g e a r cs o u n ds i g n a lb yt h e m i c r o p h o n e ，t h ep r o t e c t i o no fg a sa n dw e l d i n gs p a t t e ri n f l u e n c e dt h ep e r f o r m a n c eo f ag o o dm i c r o p h o n et od oa tt h ee f f e c t i v er e c o g n i t i o no ft h es i g n a la tt h es a m et i m e ， b u ta l s oc a na c h i e v ea ne f f e c t i v es h i e l d i n go ft h en o i s e ；t h ep r o t e c t i o no fg a sf l o w r a t ei st o os m a l l ，a r cc o m b u s t i o ni n s t a b i l i t y , v o i c eo fi n t e r m i t t e n ta r c ；t o ol a r g e ，e a s y t os o l d e rt ow e a r , a c c o m p a n i e db y ”w h i s t l i n g ”s o u n d a r cw e l d i n gs p a t t e ro na c o u s t i c i i s i g n a la m p l i t u d eh a si n c r e a s e dr o l e s p a t t e ro fl i q u i dm e t a lf r o m t h eb l a s t ，a tt h el o c a l i n s t a n t a n e o u sg a se x p a n s i o n , t h et h e r m a le n e r g y i n t om e c h a n i c a le n e r g y , a n d f l u c t u a t i o n si nt h ef o r mo fm e d i a a r eo nt h es o u n dg e n e r a t i o nm e c h a n i s m s o u n da l ed i s c h a r g ew i t hg a sa l e b i o l o g i c a l ，a r ec o l l e c t i v eo s c i l l a t i o n so fp l a s m ai no r d e rt od i s s e m i n a t et h er e s u l t so f w a v e f o r m ，b u ta l s oas o u n ds o u r c ea n dc h a n n e lt h ec o m b i n e de f f e c to ft h ep r o d u c t c h a r a c t e r i s t i c so fi t ss p e c t r u md e p e n d sp r i m a r i l yo nc h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e o n t h i sb a s i s ，t h es e tu po f l ea r cg e n e r a t e dl i n e a ra c o u s t i cm o d e l ，u s i n gl e v i n s o n - d u r b i nr e c u r s i v ea l g o r i t h me x t r a c t e da c o u s t i cs i g n a la r cl i n e a rp r e d i c t i o nc o e f f i c i e n t ， a n dc o e f f i c i e n to fr e c o n s t r u c t i o nf r o mt h ea c o u s t i cs i g n a l ，r e c o n s t r u c t i o no fs i g n a l s w i t ht h eo r i g i n a ls i g n a lt om a i n t a i nt h ew a v e f o r ma n ds p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so f c o n s i s t e n c y a c o u s t i cs i g n a lc o n f m n st h ea r co fl i n e a lp r e d i c t i o na n a l y s i so fa r c c h a n n e ls y s t e mi sa ne s t i m a t e k e y w o r d sm i gw e l d i n g ，a r cs o u n d ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文m i g 焊电弧声数采硬件系统 架构与产生机理研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 弓场勘 日期：扣7 年弓月，日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 m i g 焊电弧声数采硬件系统架构与产生机理研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 铷 、 副彩磊 日期： 日期： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 传统上，焊接质量是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证的，其局限 性显而易见。由于焊接过程存在大量的随机影响因素，仅通过稳定工艺参数不 可能全面保证焊缝质量；焊后检验作为质量保证体系虽必不可少，但不具实时 性，无法及时发现和处理焊接过程中出现的问题，有缺陷的焊缝只能返修或报 废。长期以来，人们一直在寻求获取更多和更直接能反映焊接状态、焊缝质量 或焊接缺陷的途径，实现焊接质量的在线识别、评价和监控。 焊接质量在线监控方法主要通过两种途径实现：1 ) 利用先进、复杂的传感 技术；2 ) 借助于现代信号分析、人工神经网络的研究成果，结合计算机强大 的数据处理能力，研究焊接过程中电流、电压以及声、光等信号，提取能够反 映焊接过程物理状态变化、导致缺陷或影响接头质量的信号特征，通过模式识 别实现焊接缺陷预警、质量分类乃至于焊接过程的闭环控制。由于无需价格昂 贵的传感器和复杂的硬件技术，后者具有很好的现实性和应用前景。 实际上，有经验的手工焊操作者往往能利用电弧声所反馈的信息，获得较 好的焊接质量。由此可见，电弧声中必然蕴藏着焊接过程中相关状态变化的信 息。可闻电弧声的传感和数据采集相对简单易行，是焊接质量在线监控有价值 的、潜在的源信号。电弧声与焊接电压、电流、弧长及阳极材料之间的关系很 早已被关注，但将电弧声信号用于焊接过程监控与诊断的研究，却仍处于初级 阶段。原因主要在于电弧声受焊接过程众多因素影响，具有高度的复杂性和非 线性，难以直观、简单地描述其变化规律并加以利用。换句话说，正因为电弧 声携带了太多信息，如何从中“听 出那些深藏其中、却是我们感兴趣的，并 不十分容易。如何准确全面地分析、提取并利用电弧声信号中有价值的信息， 是要解决的关键问题。 为此，本课题将以m i g 焊接过程中所产生的电弧声信号为主要研究对 象，通过市场调研，最终设计套由传感器、信号调理模块、数据采集部分组 成的电弧声信号采集系统并完成调试任务。在此基础上，通过实验来初步探讨 焊接过程影响电弧声因素及其产生机理和传播特性，建立声道线性预测模型， 为后续采用电弧声来监控焊接质量提供技术基础。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 焊接质量监控研究现状 焊接过程中电弧电压和电流直接影响电弧稳定性、熔滴过渡行为、熔池几 何形状等，同时焊接过程将产生声、光、磁、热等信号。这些信号与焊接参数 有着密切关系，是不同焊接状态下的产物，并间接反映了焊接稳定性与焊接质 量。然而焊接过程是一个多因素交互作用的复杂过程，焊接参数间相互藕合作 用，以及各种随机因素的影响，使焊接状态与各种焊接信号之间呈现高度复杂 性与非线性。这种复杂性与非线性为焊接过程质量检测及建立精确的数学模型 带来困难。 1 2 1 电弧电信号 电弧电压和电流信号易于采集，具有较为明确的物理意义，且与电弧稳定 性、熔滴过渡以及焊接质量直接相关，是焊接质量监控、电流波形控制等研究 最为常用的信息源。 在c 0 2 气体保护焊熔滴过渡过程中，电压和电流信号是各种电弧物理现象 的丰富载体。短路过渡焊接过程的不稳定现象，主要发生在熔滴短路阶段和短 路结束电弧的重新引燃时期。熔滴短路能否较快形成液桥并顺利爆断；以及在 熔滴对熔池冲击较大的情况下迅速重新引燃电弧，是过程稳定的关键。短路过 渡过程中短路电流上升速度、短路电流峰值、电弧再引燃电压等参数对焊接过 程的稳定性有较大影响。短路液桥爆断时的电流大小，直接影响短路末期“电 爆炸”的飞溅大小和电弧重新引燃时冲击熔池所产生的飞溅大小：短路峰值电 流可在一定程度上反映飞溅水平。燃弧过程中的电压与电弧长度成正比，统计 得出燃弧电压平均值可以表征平均电弧长度，它与最大燃弧电压值的差异可体 现焊接过程中瞬时弧长的变化量。利用电流和电压可以计算电弧的等效电阻， 熔滴过渡中等效电阻的变化可用来反映液桥状态的变化。可见，c 0 2 焊接电弧 电压和电流蕴涵着飞溅以及其它与焊接质量有关的信息，通过提取特征参数可 用来检测焊接质量、识别焊接缺陷。 文献【1 l 研究认为c 0 2 焊在正常燃弧、焊穿或断弧时，其电弧电压和电流具 有明显不同的概率分布，根据一定时段内电流、电压的分布概率值通过人工神 经网络自组织特征映射模型，可对上述三种情况进行分类。文献f 2 l 以c 0 2 焊接 过程中燃弧时间、短路时间、短路峰值电流、电流变化率、短路周期等作为特 征参数，研究了其概率分布与焊接过程的关系。文献f 3 l 利用电弧电压、电流信 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 号的均值、标准差、变异系数及动态伏安图等进行焊接稳定性评价。文献 4 1 从 实时采集焊接过程电流、电压信号中，提取超值电流、电压，低值电流、电压 等统计参数，分析了它们对燃弧稳定性的影响。文献吲用电弧电压、焊接电流 的概率分布作为评价弧焊电源动特性的依据。文献 6 】利用瞬时i u 波形来反映 c 0 2 气体保护焊熔滴过渡特征，分析了电弧电压的功率谱特征，认为功率谱的 峰值频率可反映焊接中占主导地位的熔滴过渡频率，而频率分布状况可反映熔 滴过渡的规则性，峰值频率越高，频率分布范围越集中，则弧焊过程越稳定。 国外也有许多利用焊接电流和电压信号进行焊接过程监控研究的报道。文 献【7 j 利用短路过渡c 0 2 焊焊接电流及电弧电压计算电弧的平均电阻，建立焊接 平均电流、送丝速度及均值电阻多元回归模型，对焊接过程中焊炬顶端到工件 的距离进行识别。文献【8 】介绍了一种用电弧电流和电压监控c 0 2 焊熔滴过渡方 式的方法。焊接电流和电压信号还被用来实时监测导电嘴的磨损情况 9 1 。基于 电弧电压和电流信号进行焊接过程监控，目前的分析方法仍以信号时域特征的 统计分析为主，通过探寻统计特征与焊接过程参量的相关性，建立回归模型、 模糊分类器、人工神经网络以及专家系统，但仍处于研究探索阶段。 1 2 2 电弧光信号 随着电弧物理的深入研究，人们认识到，焊接电弧光谱可以反映焊接过程 中电弧的物理和化学状态的变化：同时，由于电弧光具有时空可分辨性、灵敏 度高、动态响应快、监测信息量大等特点，因而具有很大的研究与开发潜质。 研究工作者测量了弧光总强度与弧长之间的定量关系，并提出可利用这种关系 控制弧长。对弧光进行光谱分析则可实现弧长的准确识别。与此同时，当电极 的垂直位置固定时，熔池振荡将引起电极与熔池表面间距( 实质为弧长) 的变 化，此时熔池的振荡变化就反应在弧长上。因此，利用电弧光强度及光谱特征 可以监测熔池的振荡情况。有学者尝试利用电弧光强度与弧长的比例关系，针 对m i g 焊和c 0 2 气体保护焊进行v 型坡口的焊缝跟踪不同波段不同谱线的电 弧光谱中所包含的信息各不相同。熔滴过渡直接导致电弧空间粒子浓度和分布 的变化，监测相应的电弧光谱就能检测熔滴过渡形式。 国内外科研人员对电弧光谱的研究初期主要在可见光区，如国外学者 s h e a j e 等于8 0 年代初对电弧光进行了研究【1 0 l ，国内天津大学也于9 0 年代初 对焊接电弧等离子体的光谱诊断与应用方面进行了报道，在利用电弧光谱监测 焊接过程方面开展了大量工作。依据光谱强度与电弧等离子体内部温度、粒子 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 浓度和成分等因素之间的相关规律【l l 】1 1 ，分析电弧内部的金属过渡状态及过程， 进而对焊接电弧熔滴过渡进行监测。对于电弧光传感，虽然其能反映焊接过程 中众多的信息，如熔池形态并指出电弧光谱可以反映出焊接过程中各种物理和 化学状态变化。近年来，电弧光谱的研究逐渐向非可见光区扩展，天津大学在 9 9 年报道了关于焊接电弧紫外光谱的计算机采集与处理系统的研究，将以往研 究电弧光谱的区间由可见光扩展到了被视为对人体有害的紫外光区，并发现了 紫外区有可能产生高品质的弧焊图像和含有其它有用信息【1 2 1 。但是到目前为 止，这种分析方法主要针对钨极氩弧焊，在其他弧焊中的应用报道较少，原因 由于熔滴过渡的搅动作用，使熔化极电弧光谱辐射存在比非熔化极电弧大得多 的时变性，很难用光谱图像直观地表示熔化极电弧光谱辐射，电弧区上下电弧 空间光谱辐射特征没有非熔化极电弧明显，整个电弧区间存在着随时间变化而 强度不断变化的金属谱线。因此到目前为止利用电弧光谱检测焊接过程也主要 应用于非熔化极气体保护焊。另外光学传感器结构复杂、造价昂贵、安装到焊 接设备或焊接机器人上会对焊枪的灵活移动造成一定的障碍，并且这些传感器 对实际检测精度和可靠性都要求比较高，所以利用电弧光信号检测焊接过程的 大部分工作仍然处于实验室研究阶段。图1 1 为通用焊接电弧光谱测量装置原 理图。 宏 譬旧 1 激光管2 电弧3 光阑4 反射镜组5 透镜组6 狭缝7 光谱仪 8 高压电源9 光电信增管1 0 模数接口1 1 显示器1 2 计算机主机 图1 - 1 通用焊接电弧光谱测量装置 f i g 1 一l g e n e r a lw e l d i n ga r cs p e c t r u mm e a s u r i n gd e v i c e 6一奄 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 3 电弧声信号 焊接电弧声是电弧燃烧过程中产生的非平稳随机信号。在实际生产中，熟 练的焊工往往能根据电弧声音辨别焊接过程稳定性、熔滴过渡方式和飞溅大 小，说明电弧声波与焊接过程具有相关性。研究表明电弧声来源于焊接电弧过 程中能量水平的变化，它反映了燃弧和短路过程中空气振动的强弱程度。电弧 声压及其频率变化，与引起空气振动的各种原因有关，包括电弧斑点跳动、熔 滴熔池振荡、短路和再引弧，以及焊接飞溅等，同时它与电弧稳定性、焊接飞 溅量和各种焊接缺陷存在不同程度的相关性【1 3 1 。因此，焊接电弧声波也成为用 于焊接质量检测的信息源之一。但由于焊接过程中声波的来源复杂、电弧声波 容易受到其它因素影响，本身易受干扰，数据采集相对困难，而且电弧声波的 产生机理和传播特性等许多问题尚待进一步研究，因此国内外对焊接电弧声的 研究成果不多，以电弧声波为信息源的质量检测报道也相对较少。 在电弧声研究方面，学者们已经对其进行了初步的研究，这些研究主要集 中在g m a w 焊方面，以及在高能焊接出现小孔效应的焊接方面。通过众多的 研究表明，焊接过程中的电弧声信号与焊接参数、熔滴过渡、熔池形态以及焊 接过程稳定性有着密切的关系。 在国外，早在上世纪7 0 年代末，日本学者a r a t a y o s h i k a i 曾对不同焊接方 法的电弧声特征及其与焊接规范的关系等方面开展了研究。1 9 8 1 年a f m n a z 总结了非熔化极、熔化极焊接、c 0 2 气体保护焊以及电弧气刨等方法的电弧声 特点，指出电弧声取决于输入电弧能量的变化，弧长、焊丝熔化速率、焊丝类 型与尺寸、焊接电压、电流、保护气种类、焊接位置、焊接速度都对电弧声产 生影响。尝试利用电弧声进行焊接过程监控的工作始于上世纪8 0 年代后期。 k a s k i n e n 和m u e n e r 等提出焊接电弧的等离子体体积变化突变产生电弧声，如 果等离子体体积与电弧能量成正比，则声压 s ：k 堕型或s ：k fl d _ q l + y 坐1( 1 1 ) 讲l 出 班 、 式中：玎为电弧能量；v 为电弧电压；，为电弧电流；k 与k 为常数。1 9 9 1 年 j a o j h n o s n 设计了g m a w 焊接过程控制系统，采集焊接过程中的电弧电压、 焊接电流、电弧声。j a o j h n o s n 通过对颗粒过渡、喷射过渡、射流过渡三种熔 滴过渡情况下的g m a w 电弧电压、电流、电弧声信号波形进行的对比分析， 认为由于受到声音传感设备的限制，采集的电弧声信号较电压信号缺少有用特 征信息。澳大利亚的s a i n i 和f o l y d 等人在1 9 9 8 的研究认为电弧声在g m a w 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 焊在线质量监控中具有应用前景，他肯定了m n a z 等人的观点，即电弧声波产 生于电弧能量的突变。电弧、保护气及焊接设备是焊接过程中声音的主要来 源，保护气与设备所产生的声音远小于电弧自身所产生的声音。电弧输入能 量、熔滴过渡方式和过渡速率又构成了影响电弧声的3 个主要因素。同时他们 给出了短路过渡与喷射过渡两种过渡形式下的声波时域波形和由经典法得到的 声波功率谱，并在不同规范下作了比较，得到了两种过渡形式下声波特征有所 不同的结论，从而为进一步分析电弧声与焊接过程的相关性奠定了实验及理论 基础。l a d i s l a v o r a d 和j a n e z g r u m 研究了以g m a w 焊接过程中的电弧声作为 焊接质量在线监测的可行性。认为保护气体种类及焊丝的干伸长都将会对焊接 电弧声产生影响。通过对焊接过程熔滴过渡所产生的声音与母材微观结构变化 所产生的声音进行比较发现，由熔滴过渡引起的电弧声在整个焊接过程所产生 的声音中占主导。指出焊接电弧声的不规则变化将反应焊接过程的不稳定性， 肯定了焊接电弧声在焊接过程质量监测中的应用价值【1 4 1 。 m c u d n i a 与p r e z e l j 以g m a w 焊接过程中的电弧声作为研究对象，并用其 特性表征焊接过程的稳定性以及焊接质量。主要在时域范围内对焊接电流、焊 接电弧声、短路过渡过程之间的对应关系进行了研究。同时建立了焊接电流与 电弧声压之间的传递函数，将焊接电流作为为系统的能量输入，焊接电弧声作 为系统的能量输出。认为电弧声波的产生与焊接电弧输入能量有关，其关系表 达式为 尸( f ) = c l j d “( u i ) ( 1 - 2 ) 式中：p ( t ) 为电弧声压；c l = a ( k d c 2 ； 相对于电弧的距离；k 为绝热膨胀系数； 电流i 之间的关系为 口= l 厶把为几何因子；k 为麦克风 c 为声速。最终得出电弧声压与焊接 尸( f ) = c i 2 r i + 三( f 2 + 五) + 去( ，2 + ii i d t ) ( 1 - 3 ) o 。 研究f 1 3 1 认为电弧声可划分为两类，一类为脉冲声信号；另一类是扰动信 号。脉冲声信号与电流的快速变化有关，主要来源于电极与母材间的短路过程 以及部分飞溅冲击熔池、熔化金属脱离电极、电弧的突然点燃所导致电弧周围 保护气体温度的急剧上升与膨胀，引起周围气体的振动。扰动信号则来源于焊 接过程中电弧的爆炸与电极、熔池的物理和几何尺寸的变化等，为进一步分析 电弧声与焊接过程的相关性奠定了实验及定的理论基础。 在国内对于电弧声的研究很少，北京工业大学研究发现焊接过程中的声音 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动，与熔池的振动有关，并据此声 音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明，声音信号 的低频段分量( o l o o h z ) ，在熔池处于不同阶段时有明显的变化，熔池处于过 渡阶段时其值大，穿孔后小，未穿孔时居中。甘肃工业大学对c 0 2 电弧声与飞 溅的相关性进行了研究，指出在时域上利用统计法得到的短路前后1 4 4 m s 内声 波能量与飞溅呈线性关系，并探讨了焊接电压与电流对声波能量的影响，从频 域上利用经典谱估计方法给出了电弧声的功率谱。并利用电弧声的频域分段能 量进行焊接飞溅大小的神经网络映射分析。c g 修茨曾通过测定弧柱中声波的 传播速度来求弧柱温度。他认为声波是由靠近一方电极，由另一电极的火花放 电所产生，声速可表示为 v = 压芘犀 ( 1 - 4 ) 式中y = c ，o ；p 为压力；m 为分子量。所以只要测得弧柱中的声速，就 可以得到其密度而求出温度。兰州理工大学的樊丁教授与马跃洲教授近年来对 电弧声进行了一系列的研究，文献【1 5 1 对c 0 2 焊接电弧声与飞溅的关系及影响飞 溅的因素作了深入研究，发现了焊接飞溅与短路结束时电弧声能量及短路平均 声能成线性关系：文献【1 6 】对c 0 2 焊接过程中焊接电流、电弧电压和电弧声进行 了信号降噪处理和奇异点分析，提取不同频率范围的声波能量作为表征焊接过 程状态变化的特征向量，研究了特征集合与焊接飞溅的相关性；文献【1 7 1 对m i g 焊接过程中电弧声产生机理进行了研究，认为电弧能量的变化是产生电弧声的 激励源，保护气体、弧柱等构成时变的声道系统，声音激励和声道系统共同作 用产生电弧声：文献【2 0 】针对短路过渡气体保护焊( m i g 焊) 电弧声信号进行了时 域和频域特征分析，提出电弧声道的概念，建立其参数化等效电气模型。利用 线性预测( l p c ) 模型参数构造径向基函数( r b f ) 0 经网络输入样本空间，对焊接 保护气流量不足进行了在线模式识别。 1 3 本文主要研究内容 本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目( e 2 0 0 7 0 1 ) 、宁波自然基金重点 项目( 2 0 0 8 a 6 1 0 0 3 1 ) 、黑龙江省青年骨干教师支持项目( 1 1 5 3 g 0 0 9 ) 乖n 哈尔滨市科 技创新人才专项资金项目( 2 0 0 7 r f q x g 0 5 5 ) “管道g m a w 电弧声发射特征与 熔深控制基础实验研究”。以m i g 焊接过程中所产生的电弧声为主要研究对 象，通过市场调研，完成电弧声信号数采硬件系统架构。然后，通过实验对影 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 响电弧声的因素进行初步研究，探寻电弧声产生机理和传播特性。主要涉及到 以下几个方面： 1 ) 设计一套m i g 焊电弧声信号数采硬件系统。将传声器、信号调理模 块、数据采集卡和p c 有机地组合起来，完成对电弧声信号的测试采集任务。 同时，通过硬件起到对噪声屏蔽作用。 2 ) 借助实验来了解m i g 焊过程中影响电弧声的因素。根据已有研究成果 可以了解到，电弧声与弧长、焊丝熔化速率、焊丝类型与尺寸、焊接电压、电 流、保护气种类、焊接位置、焊接速度，焊接飞溅量、保护气流量和焊丝干伸 长、熔滴过渡方式和过渡速率等因素有关。基于以上七个影响电弧声因素，着 重进行了传声器、保护气、熔滴过渡及焊接飞溅实验。 3 ) 探寻电弧声产生机理。在实验了解基础上，阐述电弧声产生机理，建 立电弧声线性产生模型，并用线性预测分析来描述声道模型。 哈尔滨理i 大学工学硕士学位论文 第2 章电弧声数采硬件降噪及系统设计 m i g 焊电弧声信号作为焊接过程的伴生物之，蕴涵着丰富的电弧信息， 它与电弧行为、熔滴过渡方式、焊接参数、电弧稳定性等密切相关，并且其传 感、采集方法简单易行，是研究m i g 焊质量监控重要的源信号。 为此，将m i g 焊接电弧声作为研究对象，主要针对可闻声波频带( 2 0h z - 2 0k h z ) 的声波信号口”，结合已有研究成果，设计一套m i g 焊电弧声信号采集 系统硬件平台。同时，该系统对噪声要具备一定的抑制作用。 2 1 硬件系统架构 图2 - 1 给出了m i g 焊电弧声数采硬件系统原理图和实物图。 誉勰 7 u 曼j7 + 0 1 0 1 0 0 0 l 圃圈圆圈圆圈 a ) b ) 劬原理圈b ) 实物幽 图2 - im i g 焊电弧芦数采硬件系统 f i g2 。i d a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e mo f a r cs o u n di nm i g w e l d i n g $ 匮 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 系统主要由传声器、调理模块、采集卡、工控机、机械执行机构和焊接设 备等组成。整个过程为：采用传声器拾取焊接过程电弧声，将声波物理信号转 换为微弱电信号，经前置放大器与调理模块的放大与滤波，送给数据采集卡， 完成a d 转换和信号存储工作。下面将重点介绍传声器、信号调理模块与采集 卡选型过程。 2 1 1 传感器 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对 象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问 题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。具体标准如 下： 1 ) 根据测量对象与测量环境确定类型要进行一个具体的测量工作，首 先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因 为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的 传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些 具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还 是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量：传感器的来源，国产还是 进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种 类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2 ) 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度 越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较 大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外 界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器 本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度 是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它 方向灵敏度小的传感器：如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度 越小越好。 3 ) 频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必 须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延 迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就 宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而频率低的传感器 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机 等) 响应特性，以免产生过火的误差。 4 ) 线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论 上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越 大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后 首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线 性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可 将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5 ) 稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定 性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用 环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应 能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境 选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有 定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能 是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场 合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6 ) 精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系 统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感 器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可 以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测 量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度 高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满 足要求的传感器。 本课题所采集的信号为电弧声信号，同时考虑到后续研究电弧声信号产生 机理以及信号特征分析提取的方便性，我们同时将焊接电流和电压信号进行同 步采集存盘。 2 1 1 1 电压传感器电压传感器的取决因素有：( 1 ) 传感器的晶体的形状、尺寸 及其弹性和压电常数( 2 ) 传感器的芯片的阻尼块及壳体中安装方式( 3 ) 传感器 的祸合、安装及试件的声学特性。 经过对相关产品的广泛了解，决定采用北京世特美测控技术有限公司的 s a l tv 5 v 6 系列电压传感器，如图2 2 所示，其特性主要有频响宽度、谐振 频率、幅度灵敏度等。 哈尔滨理工大学工学碰士学位论文 1 ) s a l t 5 0 v s v 6 系列电压传感器此型号电压传感器适用a c ，d c ，脉 冲等复杂电压信号的隔离转换，使用通过安全的信号变换后能够直接被a d ， d s p 等各种采集装置直接采集和接受广泛应用于电焊机，变频器，u p s 伺 服控制等系统电流信号的采集和反馈控制，响应时间快，抗干扰能力强。 ! 乜 8 t i o i 图2 - 2s a i t 5 0 v 5 v 6 系列电压传感器 f i g 2 2 s a i t s o v 5 v 6s e r i e sv o l t a g es e n s o r 2 ) 型号说明，如图2 3 所示。 s a 【t _ v _ v 6 圈2 - 3 型号说明 f i g2 - 3m o d e ld e s c r i p t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 ) 主要性能指标，见表2 1 。 表2 1 电参数 t a b l e2 - 2e l e c t r i cp a r a m e t e r s 4 ) 接线端定义，见表2 2 。 表2 - 2 接线端定义 t a b l e2 2t b r m i n a ld e f i n i t i o n 5 ) 接线图，如图2 4 。 s a i t m o d e l 图2 - 4 接线图 f i g 2 4w i r i n gd i a g r a m 1 3 暗尔j 寡理1 = 大学t 学硕l 学位论文 2 1 1 2 电流传瞎器电流传感器是传感器的一种分类，其主要信号源是采集信 号的电流大小，工作原理主要是霍尔效应原理，被测电流厶流过导体产生的磁 场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流l 流过次级线圈产生的磁场补 偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，经过放大器放大，其补偿电流厶即可精 确反映原边电流厶值。主要特性参数有标准额定值i p n 和额定输出电流t s n ， 偏移屯流i s o ，线性度，温度漂移，过载，精度。根据本实验的要求，采用北 京世特美测控技术有限公司的s d l t s 0 0 c 5 v 6 系列电流传感器，如图2 - 5 所 小： 1 ) s d l t 5 0 0 c 5 v 6 系列电流传感器概述此型号电流传感器适用a c ， d c ，脉冲等复杂电流信号的隔离转换，使用通过简单的信号变换后能够直接 被a d 、d s p 等各种采集装置直接采集和接受，广泛应用l 电焊机，变频 器- u p s ，伺服控制等系统电流信号的采集和反馈控制，响应时唰快，抗干扰 能力强。 圈2 - 5s d i t 5 0 0 c s v 6 系列l 乜流传感器 p i g2 5 s e r i e sc u r r e n ts e n s o r 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 ) 型号说明，如图2 6 所示。 s d i t - c v 6 图2 - 6 型号说明 f i g 2 6 m o d e ld e s c r i p t i o n 3 ) 主要性能指标，见表2 - 3 。 表2 - 3 电参数 t a b l e2 - 3e l e c t r i cp a r a m e t e r s 4 ) 接线图，如图2 7 所示。 - 1 5 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 图2 7 接线图 f i g 2 7w i r i n gd i a g r a m 5 ) 接线端定义，接线端定义如表2 - 4 所示。 表2 - 4 接线端定义 t a b l e2 4t e r m