（材料加工工程专业论文）基于虚拟仪器的弧焊品质分析系统.pdf

霞庆大学硕： 二学位论文 中文摘要 摘要 本文以焊接电流、电弧电压为信息源，自主开发了一套基于虚拟仪器的弧焊 品质分析系统。通过该系统对弧焊品质的分析与评定，一方面可以评价焊接设备、 焊接材料的性能，另一方面也可咀引导焊接设备、焊接材料的优化设计，以及制 定合理的焊接工艺规范。 该系统由硬件信号检测电路和相关软件组成。系统以微机为主要虚拟仪器硬 件设备，其它外围硬件还包括电流、电压霍尔传感器，数据采集卡和与之配套的 接口电路。虚拟仪器软件用虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 开发，具有功能强 大，界面逼真的特点。 整个系统具有信号采集、波形显示与回放、数据统计分析、数据存储，曲线 及数据打印输出功能。本系统对焊接电压和电流波形数据进行统计分析后，能够 得到反映焊接过程的统计图形和统计参数。本文的统计图形有电流电压概率密度 分布图，频数分布图，u i 图等。统计参数有平均燃弧时间，平均短路时间，平均 短路峰值电流，平均燃弧电流，平均周期电流，单位时间内断弧次数，燃弧时间 标准偏差，短路时间标准偏差，短路峰值电流标准偏差，周期平均电流标准偏差， 断弧时间标准偏差等等。 当熔滴过渡不稳定的时候，焊接电流电压波形将变得很不规则，飞溅因此而 大量产生。基于这种现象，本文在波形特征分析的基础上采用了能够预测飞溅量 的多元线性和非线性回归统计模型，并以飞溅量的多少为指标定量评价弧焊品质。 本论文还设计了一个规律性研究程序，即改变电弧电压，由计算机求出不同弧压 对应的短路过渡频率，然后用数值拟合方法拟合出短路过渡频率和电弧电压之间 的关系曲线，最终得到短路过渡频率和电弧电压之间的变化关系。 文章最后用该系统检测了半自动c 0 2 气体保护焊在不同电弧电压下的焊接电 流电压波形，得到了能如实反映弧焊品质的分析结果，证明了系统的可靠性和准 确性。 关键词：虚拟仪器，弧焊品质，l a b w i n d o w “c v i ，统计分析，短路过渡，飞溅 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e da t e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mf o r a r cw e l d i n gq u a l i t yb a s e d o nt h ev i s u a li n s t r u m e n tw h i c hi s a l l o d i a l l ye m p o l d e r e d ，a n da l l t h ei n f o r m a t i o nf o r a n a l y z i n gc o m e sf i ：o mw e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g e b a s i n go n t h er e s u l to f w e l d i n g q u a l i t ya n a l y z i n ga n de s t i m a t i n gb yt h i sv i s u a li n s l r m n e n ts y s t e m ，w ec a nk n o wt h e p e r f o r m a n c eo fw e l d i n ge q u i p m e n ta n dw e l d i n gc o n s u m e ri no n eh a n d ，i nt h eo t h e r h a n dw ec a r l o p t i m i z e t h ed e s i g no ft h e m ，a l s ot h ew e l d i n gp r o c e d u r ec a nb e e n o p t i m i z e d t h es y s t e m c o m p o s e d o fh a r d w a r e i n s p e c t i n g c i r c u i ta n dv i s u a li n s t r u m e n t s o f t w a r e b e s i d e st h ep c ，t h eo t h e rh a r d w a r ei nt h i s s y s t e m a r ec o n s i s to fa d c o n v e c t o r ( d a q ) h a l ls e n s o r so fw e l d i n gv o l t a g ea n dw e l d i n gc u n 枷a n dd a t al i n e t h ev i s u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ei sp r o g r a m m e d b y l a b w i n d o w s c v l w i t ht h i s s y s t e m , w ec a ni m p l e m e n ts i g n a ls a m p l i n g 、w a v e f o r m ss h o w i n g 、 s t a t i s t i c sa n da n a l y s i so fd a t as t o r i n g 、c u l w ea n dd a t ap r i n t i n ge t c i nt h i ss y s t e m ，t h e v i s u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ei st h ec o r e ，t h r o u g ht h es o f t w a r eu s i n gs o m ea l g o r i t h m s w h i c ha r em a i n l ys t a t i s t i c sm e t h o d s ，w ec a no b t a i nt h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o n c u r v e ，c l a s sf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n c u r v ea n du - ic b r v e s w ea l s oc a no b t a i nm a n y p a r a m e t e r sl i k ea v e r a g es h o r t c i r c u i tp e r i o da r ct i m e ，a v e r a g es h o r t c i r c u i tt i m e , a v e r a g e s h o r t c i r c u i tp e a kc u r r e n t ，a v e r a g es h o r t c i r c u i ti n s t a n t a n e o u sc u r r e n t ， a v e r a g ec u r r e n t d u r i n g s h o r t c i r c u i tp e r i o d ，a n dt h e i rs t a n d a r dd e v i a t i o n w h e nt h em e t a l d r o p l e t su n i f o r m l yt r a n s f e r r e d ，t h es h a p eo ft h ew a v e f o r m s b e c o m e s v e r yi r r e g u l a r , a n dh e n c e ，m u c hm o r es p a t t e r si sg e n e r a t e d t h ep u r p o s eo f t h i s s t u d yw a st od e v e l o ps t a t i s t i c a ll i n e a ra n dn o n l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l sb a s e do nt h e a m o u n to fs p a t t e r s m e a n w h i l ew h i c hc a r lb e e na i le f f e c t i v ei n d e x i m p l y i n g a r c w e l d i n gq u a l i t y t h i sp a p e ra l s od e s i g n sap r o g r a mw a sl o r e s e a r c ht h er e l a t i o n b e t w e e na r cv o l t a g ea n ds h o r t - c i r c u i tf r e q u e n c y t h r o u g h n u m e r i c f i t t i n g t h ew e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ew a v e f o r m sa r ec o l l e c t e df o rd i f f e r e n ta r c v o l t a g ei nt h ee x p e r i m e n tu s i n gs e m i a u t o m a t i c0 0 2w e l d i n ge q u i p m e n t t h ea n a l y z i n g a n de s t i n l a t i n gt e s t i f i e dt h i ss y s t e mi ss u c c e s s f u l k e y w o r d s ：v i s u a li n s t r u m e n t ，a r cw e l d i n gq u a l i t y , l a b w i n d o w s c v l ， s t a t i s t i c sa n a l y s i s ，s h o r t - c i r c u i t ，s p a t t e r i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 选题背景、目的及意义 焊接作为材料连接方法及成型工艺，己成为现代制造技术中不可缺少的部分。 焊接工艺发展到今天，虽然种类繁多，但电弧焊工艺仍是众多焊接工艺中应用最 广、影响最大的。而熔化极气体保护焊( 包括m i g 和m a g ) 又是现代弧焊工艺 中最为重要的，尤其是c 0 2 焊接方法，它从2 0 世纪5 0 年代初问世以来，以其高 效、节能、低成本和便于自动化等特点受到人们极大的关注。在8 0 年代初，先进 工业国家的c 0 2 焊工作量就已占焊接总量的3 0 ，到8 0 年代末上升到5 9 ，其 中日本到达7 l ，成为一种主要的焊接方法1 1 。本论文就主要是以c 0 2 焊的弧焊 品质为研究对象的。 由于市场经济的发展，质量已成为任何产品的生命。对于许多采用焊接工艺 制造的工业产品，焊接质量则是这些产品质量的关键组成内容。因此焊接质量的 控制与保证是许多重要焊接产品制造业极为关注的问题，并投入可观的财力与智 力不断研究与提高产品的焊接质量。工业产品焊接质量的控制水平往往决定着该 产品在市场上的竞争力。 焊接产品都是为了某一使用目的而设计制造的，因此焊接质量的概念应该是 焊接产品的焊接接头使用性能是否满足了产品设计的要求。一般焊接产品焊接接 头使用性能的主要内容有：力学性能，内、外部缺陷，产品焊后几何尺寸等。一 些特殊焊接产品除上述内容外，还有其他一些特殊性能要求，例如：抗腐蚀性能； 抗高温性能；导电、导磁性能；抗辐射性能；记忆性能等，统称为焊接质量 “。 任何一个焊接产品在投入焊接生产之前，为可靠获得产品设计所要求的焊接 质量，首先需要进行多方面的大量焊前试验工作。但是即便是用通过标准试样进 行焊接试验得来的焊接参数进行焊接，也并不能全部得到满意的焊接质量。焊接 试验和实际焊接过程的焊接质量不一致的原因，是因为在实际焊接过程中，可能 出现许多无法预知的随机干扰因素。这些干扰因素可划分为两大类2 1 ： 1 ) 实际焊接工件产生的干扰因素 a 工件形状精度； b 对缝或坡口加工的精度； c 组装精度： d 固定焊点的尺寸、间距。 2 ) 焊接过程出现的干扰因素 a 焊接电弧形状、电弧斑点运动等无规律变化； 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 b 网络电压波动、导电嘴接触状况等原因使焊接电流变化而引起的弱输入变化； c 焊枪运动过程中，因焊工手动操作或因运行机构稳定性引起的弧长变化，焊 缝对中变化及焊速变化等： d 因工件结构或夹具固定引起的工件局部导热状态的变化； e 送丝系统可能出现的焊丝矫直情况变化引起的送丝偏离；送丝机构或导丝管 阻力变化引起的送丝速度变化。 f 焊接过程的焊接变形所引起的对缝间隙变化，对缝错边变化，电极与工件距 离的变化等。 g 因焊工疲劳而可能引起的所有变化因素。 因此，在上述诸多随机干扰因素可能产生的条件下，如果在焊接过程中不采 取任何检测和控制措施来判别、抵消或补救干扰因素带来的破坏焊接质量的后果， 返回碍接试验焊工 一一一 返回 簧蹴叩 图1 】传统焊接生产过程焊接质量控制环节框图 f i g u r e l 1t h et r a d i t i o n a lw e l d i n gq u a l i t yc o n t r o lr a t h e 图1 2 现代焊接生产过程焊接质量控制环节框图 f i g u r e l 2t h em o d e mw e l d i n gq u a l i t yc o n l r o lr a t h e 2 离线运动过程 在线运行过程 离线运动过程 在线运行过程 篓 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 只靠采用通过严格焊接试验的焊接条件和参数来得到完全满意的焊接质量是不可 能的。因此，为了得到稳定的高质量焊接产品，都必须在合理选用焊接条件和焊 接参数之后采用的焊接质量检测，最好是焊接过程中的实时监测，分析原因，能 及时调整焊接参数，确保焊接质量。 传统的焊接生产过程是利用熟练技术工人的技能来实现这种实时质量检测与 控制的，见图1 1 1 2 1 。这种检测与纠正方法不仅效率低，人为误差大，成本高，材 料、人力浪费严重，而且这只是主观性评价，没有为焊接生产过程提供工艺质量 证明的客观性，使得分析焊接缺陷时无案可查。同时，这种检钡0 需要专家的存在， 知识也很难积累，分析与纠正的效果不佳。为此，现代的焊接过程( 质量) 检测 充分利用计算机来完成，如图1 2 所示 2 。建立基于计算机的在线检测系统后，可 以对焊接过程的工艺参数进行实时记录、监测和分析，可以客观的监督焊接过程 的状态和行为，及时地检测出焊接过程中的干扰或误差信号，以便于操作人员对 焊接过程进行调整，从而可以有效地避免大量的焊后修复，降低废品率。此外， 记录的工艺参数还可以为全面评价焊接过程工艺，分析缺陷产生的原因提供重要 的客观依据。这一点对机械化和自动化的焊接过程显得尤为重要，因为在这些场 合，操作人员很少或不能对焊接设备的行为进行控制。因此基于计算机的焊接过 程监测分析系统对保障焊接质量和降低生产物资和时间的消耗十分有益。 正是因为如此，有些国家标准( 如德国的d i n ) 和国际标准( i s o ，e n ) 及法 律都有相关的条款明确规定对焊接过程进行连续的实时在线监测和记录。在一些 工业发达国家中均已在焊接生产线上采用了过程质量监测装置，并将焊接过程质 量的可记录性和可追溯性列入国家或行业的标准。 3 】 通过以上的分析可以看出，对焊接过程进行实时在线监测不但是生产单位保 障焊接质量、降低消耗、提高生产率的内在要求，而且也是贯彻、执行国家和国 际标准、完善企业质量保证体系的必然选择。更进一步，建立这样的系统还可以 作为以后焊接过程实时人工智能监控的初级阶段。 本课题的目的就是利用虚拟仪器强大的测试分析能力构建弧焊品质分析系 统，用于弧焊焊接过程的检测与分析。具体意义如下： 1 ) 评估焊接设备通过对电弧电压和焊接电流实时、快速的采样，对采样数据 的统计分析，能够客观详细的评估焊机性能，引导焊接设备的优化设计； 2 ) 评估焊接材料，并且为新材料，新工艺的研究提供方法和手段利用本系统 可评价焊接过程的稳定性，熔滴过渡形态，找出其中的规律，为焊接材料的研 究指明方向： 3 ) 用于焊接质量在线控制焊接条件及参数中发生的每种变化都会在反映 焊接过程参数的统计图形、统计参数中表现出来，因此，通过该系统可望在线 重鏖奎堂堡圭堂垡笙苎 ! 竺兰 的评估焊接质量； 4 ) 用于评估焊工的操作技能； 5 ) 为电弧焊机出厂进行技术鉴定，如测试输入电流，额定电流，功率因素，以及 为弧焊电源的静特性、动特性曲线拟合等等打下良好基础。 1 2 国内外研究概况 国内外研究机构和组织对焊接过程质量检测和焊缝质量信息的传感做了大量 的研究和探索。下面按照他们各自采用的技术路线及其技术水平作简单介绍。 研究初期，国内外学者和机构研制了基于计算机的焊接过程或电焊机动态参 数检测和分析系统。国内有哈尔滨工业大学、清华大学、大连铁道学院、哈尔滨 焊接研究所、船泊工业公司、黎明机械公司等；国外有像美国的c r c 公司、梅利 克公司、l i n d e 公司，英国的0 l s 公司，德国的t r u n k 公司，德国汉诺威大 学等都开发了多种焊接过程测试系统 0 】。这些系统各有特色，但是由于受当时计 算机发展水平的限制而大都采用低档微机系统或单片机来构建测试系统对焊接电 流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、保护气流量等参数进行测试和分析，试图 通过对焊接过程稳定性的判定而达到评价焊接过程质量的目的。以德国汉诺威大 学著名教授r e h f e l d td 研制的焊接过程分析仪a n a l y s e rh a n n o v e ra h x 1 1 为例，它可在线实时记录并同时统计分析电弧电压，焊接电流及时间参数。该 分析仪以5 0 k h z 至2 0 0 k h z 的频率对焊接电流、焊接电压和时间参数进行采样和分 析。测试结束后，立即可获得测试分析结果，测试分析结果和相关信息被存入磁 盘。它通过对焊接电流电压的统计分析，可给出反映焊接过程的特征数据：电压 概率密度分布，电流概率密度分布，短路时间频数分布，燃弧时间频数分布，权 重燃弧时间频数分布，燃弧周期频数及它们的标准偏差，平均值等，从而定量地 对焊接过程进行评定 1 叫2 1 。但是受计算机硬件条件的限制，焊接过程分析仪 a n a l y s e rh a n n o v e ra hx i i 的测试时间很短，最长测试时间为3 5 秒左右。 所以，这些系统虽然解决了以往测试系统功能单一、运算能力不足、各路焊接信 号难以实现真正同步等问题，但若将其用于连续的实时在线监测焊接过程和需分 析大量数据的场合显然是力不从心。 现在国际国内研究比较热的是研究自动焊在线的实时焊接质量判别。这是今 后本课题的进一步研制方向。国内的自然科学基金对这方面也有大力支持。因此 下面简单介绍一些国际国内在焊接实时质量判别方面的研究现状。 数据采集在现有的技术条件下已不成问题，难点部分在于数据实时快速的加 工和处理，从中提取与焊接质量相关的质量信息，这不仅需要扎实且丰富的焊接 知识，而且需要信号处理和计算机方面的知识。德国的d r e h f e l d t 等人开发了具有 4 最庆大学硕士学何论文 模糊推理能力的焊接过程实时检测系统。该系统用a n a l y s e rh a n n o v e r a h x i i 对焊接电流和电压进行采集和统计分析，给出电参数的概率密度分布并由 f u z z ym o n i t o rh a n n o v e rf m h 对其进行模糊推理分析。实现焊接过程的在 线判定和过程干扰的在线识别。n a t e c h o n o l o g i e s 公司开发的监测系统也具有相 似的功能”1 。 借助先进的信息技术，焊接过程监测系统的智能化水平不断在提高。i m p a c t e n g i n e e r i n g ，i n c 公司开发的监测系统可同时监测和分析焊接过程的电弧电流、电源 输出电压、保护气流量和送丝速度，当发现问题时，在监视器上显示诊断信息， 以便于操作人员作相应的纠正操作 1 4 1 。t p q u i n n , h v a n d e r v e l d t 等人通过采集分析 包含焊接熔池振荡信息的电弧电压信号，应用人工神经网络实现了g m a w 焊缝熔 透情况的实时在线监测【1 ”。华南理工大学利用焊接电流，电弧电压作为监测信号， 采用自组织特征映射( s o m ) 神经网络对波形参数进行自动分类，通过不同类别 下波形参数所对应的焊缝缺陷的识别，理论上可用于焊接过程的在线监测，实时 监测焊缝的缺陷、位置及其产生的原因。 利用焊接电弧光谱作为质量控制信息，在国内外曾有所报道。红外装置可进 行非接触测量且响应速度快，测试精度高，为焊接过程的质量监测和控制提供了 非常有用的传感器。美国c a r l s o n n m 等人运用c c d 成像技术，计算机图象处理 技术，实现了焊接温度场的动态测试，和熔池特征信号的提取，并为进而实现实 时控制焊接温度场和焊缝成型奠定了基础【1 ”。清华大学的潘际銮，张华等将红外 成像技术应用与焊接温度场的监测。实时地获得了焊接温度场的全面信息，并利 用热循环参数对熔宽，熔深实施闭环控制。 甘肃工业大学( 现兰州理工大学) 研制了计算机检测和分析系统，对c 0 2 焊 接电弧声与飞溅的关系做了深入的研究。结果发现焊接飞溅与短路过渡结束时， 电弧声能及短路平均声能成线性关系，从而提出用声能来表征焊接飞溅的新型传 感方法。e t 本学者k o u k e t s u ，m 等指出电弧声信号有助于焊接质量特征信息的提取。 将各种检测和传感手段综合起来的焊接质量监测系统在国外也已有报道。美 国爱达荷州国家工程实验室( i d a h on a t i o n a le n g i n e e r i n gl a b ) 在n a s a ( 美国国 家航空航天宇航局) 的赞助下完成了g m a w 焊接监测系统，它综合了以下技术： ( 】) 应用激光e m a t ( e l e c t r o m a g n e t i ca c o u s t i ct r a n s d u c e r ) 进行非接触的超声波检测 技术来实现凝固焊缝的缺陷检测；( 2 ) 应用c c d 成像和l a s e rs t r i p e 组成的集成光学 系统获得冷却速度和焊缝尺寸信息；( 3 ) 通过监测数字化的电弧电压波动来检测熔 滴过渡，实现理想的热输入【”】。欧洲一些科研组织，如英国b a b l o k 技术中心、法 国焊接研究所完成了焊接过程的实时在线检测工艺，其主要特点为实现未完成焊 缝几何形状的预测【j ”。日本的k o u k e t s t h m 等人开发的焊接过程质量在线保障系统 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 采用了以下传感器：电压、电流、速度、声音和焊炬高度传感器。国内华南理工 大学将多媒体技术应用于焊接过程监测中，实现了多种信息的实时处理、分析和 融合 1 9 1 。 上述方法归纳起来大体上可分为两类1 ) 基于电孤传感( 检测电弧电压和电流 信号) 的方法；2 ) 基于成像的方法。后者由于数据采集量大，实时性难以保证， 而且系统结构复杂，运动空间受限，抗干扰能力差，成本高，在实际的生产过程 中应用推广困难。在焊接生产过程中，当其他的工艺规范确定后，焊接过程的质 量将主要取决于电弧的行为和状态，而电弧的行为和状态可由电流和电压反映， 并且焊接电流电压信号的采集相对容易，所受干扰小。因此，对焊接过程的焊接 电流电压信号所包含的各种信息进行提取是焊接过程实现实时监测和质量判别的 有效途径。随着信息技术的进步，将进一步细化和完善焊接过程中焊接电流，电 弧电压波形所包含的焊缝质量特征信息。再借助人工智能方法( 人工神经网络、 模糊逻辑推理、专家系统) ，建立焊缝缺陷与焊接电参数信号之间的对应关系，进 而可以判别弧焊品质的好坏，焊机与焊材的优劣等。【2 ”司 从上面的研究现状也可以看出，对于自动焊实时的质量判别在国外已取得了 不少成果，但在国内却仅仅停留在理论层次上，还没有在实际生产中成功应用的 例子，本课题以后在这方面发展很有前景。 1 3 主要研究内容 电流、电压信 号传感器信号调理h 黼( a d 糕) 卡蒜拟h 各 图1 3 系统整体结构示意圈 f i g u r e l 3t h e s k e t c hm a p o f g e n e r a lf r a m e 本课题主要完成图1 3 所示的弧焊品质分析系统的构建，实现对弧焊( 主要是 c 0 2 焊接) 过程工艺参数的自动记录和监测，并重点对采集的信号进行分析，最 终达到对弧焊品质、电焊机、焊接材料等方面的评估。主要为以下几方面： 1 ) 传感器的合理选择，最前端检测仪电路的设计，硬件抗干扰措旄的采取，还有 就是关键硬件一数据采集卡的选用。 2 ) 数据采集程序的设计、编制与调试。能对弧焊过程的电信号进行实时在线监测， 实现对电流、电压波形的记录和显示。 3 ) 数据分析程序的设计、编制与调试。对采集的数据进行处理，提取各种特征信 息；进行弧焊品质综合评价；对一些参数变化规律进行研究。这是课题的重点。 4 ) 试验研究。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 2 系统总体设计 2 1 虚拟仪器技术 2 1 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器( v i s u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念是由美国国家仪器公司( n i ) 最 先提出的。所谓虚拟仪器就是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测 量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控 制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后 的新一代测量仪器。【2 3 】 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、 仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量 仪器( 包括g p i b 、r s 2 3 2 等传统仪器以及新型的v x i 模块化仪器) 为基础，将仪 器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机 硬件( 处理器、存储器、显示器) 和测量仪器( 频率计、示波器、信号源) 等硬 件资源与计算机软件资源( 包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及 图形用户界面) 有机地结合起来。 2 1 2 虚拟仪器的特点及优势 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪 器，软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准 的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优 点之一，有了这一点，仪器的升级和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序 将可选硬件( 如g p i b ，v x i ， r s 2 3 2 ，d a q 板) 和可重复用库函数等软件结 合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己 的虚拟仪器( v i ) 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活 性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便她由用户自己来 增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从 一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的系统而不丢失已有的硬件 和软件资源。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功 能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、 计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上 流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可 实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以 专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界而，风格 简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成 方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构 成自动控制系统。 表1 1 传统仪器和虚拟仪器之间的比较 t a b l e l 1t h ec o n t r a s t b e t w e e n t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n ta n d v i g u a l i n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活性，可与计算机技术保封闭性，仪器间互相配合较差 持同步发展 关键是软件，系统升级方便，可以通关键是硬件，升级成本高，而且要上门 过网络下载升级程序进行升级服务 价格低廉，仪器资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法共享资源 体积较小，便于携带和野外工作体积较大，不便于运输 用户可以定义仪器功能功能由生产商预先定义 可以与网络及周边设各方便连接功能单一，只能连接很少的设备 由表1 1 1 2 4 1 可见，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能 够满足科技高速发展对电了测量技术提出的新要求，必然会成为电予测量仪器发 展的趋势。 z 1 3 虚拟仪器的发展现状与相关标准 虚拟仪器发展现状跚 随着1 9 7 8 年i e e e - 4 8 8 标准作为测量仪器的程控总线，测量仪器业从此有了 共同的开放式总线，促进了测量仪器的迸步。i e e e - 4 8 8 标准是仪器业权威h p 公 司花十年时间开发成功的h p i b m 的修改版，它对控制命令作了规定，数据格式 也有定义，但编程软件和语言是宽松的，不作限制。实际上，h p 公司对h p i b m 编程使用的是d o s 系统的b a s i c 语言，即专用于仪器编程的h p b a s i c ，它比b a s i c 要精简，比较容易掌握，但仍然要具有专业水平的工程技术人员去编写。 八十年代，计算机蓝色巨人i b m 进入微型计算机市场，它的x t a t 微机成 为业界的事实上标准，i b m 公司还开放x t a t 微机的兼容机市场，插卡式仪器应 运而生，x t a t 总线后来变成i s a 总线，i s a 仪器插卡至今仍在使用中。基于p c 基仪器的发展过程虽然有起有伏，但随着微机性能的不断提高，价格越来越便宜， 用户数以亿计，于是p c 机仪器也成为测量仪器中的重要组成部分，与传统的台式 仪器并存，作用不可低估。从事虚拟仪器的公司在过去大部分是中、小型企业， 它们的产品在性能上无法与大型的台式仪器相比，大型的测量仪器公司也不愿投 入人力物力去开发p c 基插卡仪器。此时，n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 简称n i ) 公司 发现p c 基仪器甚至台式仪器缺少测量工程技术人员易学易懂的编程工具，这些编 里鏖叁堂堡主堂垡鲨苎 ! 墨蓥璺堕堡主上 程工具对于微机是通用的，对于测量仪器也是通用的，但是软件专业公司不会花 力气去开发，测量仪器公司也做不好，n i 公司看准这一点，定位自己的作用是沟 通计算机与测量仪器，开发出非软件专业的测量仪器用户都会使用的编程工具。 由于策略和定位的对路，适逢m i c r o s o f t 公司推出图形化界面的w i n d o w s 操作系统， n i 公司的第三代产品l a b w i n d o w s c v l 和l a b v i e w 大获成功，这些图形化编程工 具的使用者只需根据图标和鼠标就可以编制测量程序。n i 公司的l a b e w 编程 工具的销售量近年甚至超过h p 公司的v e e 编程工具，n i 公司亦成为测量仪器业 界的最有影响的p c 基仪器供应商和仪器用软件公司。 虚拟仪器的数据采集系统 虚拟仪器的硬件部分根据所采用总线的不同而异，主要有g p i b 系统、v x i 系统、p x i 系统、串行系统和数据采集系统等，这里只介绍一下数据采集系统。 在多数的测试测量、过程监视和工业控制以及实验室研究中，我们面临的是 数据采集问题，且多为非电量的采集，如温度、压力、流量、转速、湿度、酸碱 度等。在以计算机为主机的数据采集系统中，数据采集实际上归结为计算机的输 入输出( ) 。在虚拟仪器中，利用插在计算机的内外扩展槽或v x l 、p x i 机箱中 的数据采集板或数据采集模块以及信号调理系统来完成数据的i 0 的。数据采集板 或模块是一a d 、d a 装置，利用它进行实时的数据采集并将数据存到计算机的 r a m 中，由于计算机和开发系统具有强大的数据计算、分析和处理功能，所以可 以根据需要对采集的数据进行计算、分析和处理。 这一类的虚拟仪器，可以替代传统的盒式仪器，如数字示波器、数字万用表、 频谱分析仪等，也可以做成专用的医用检测仪器，如心脏监测仪器，同时还可以 根据需要组成专用的数据采集监控系统、工业通信系统、图像采集分析系统等。 2 1 4 虚拟仪器的软件开发系统 “软件即是仪器”这个观点己成为一个事实并为多数人所接受，因为随着计 算机和软件技术的发展，在现代仪器和自动测试系统中软件的投资占有的比例越 来越大，远远大于硬件投资。虚拟仪器的层次结构图，如图2 1 所示。 图2 1 瞄l 中每个模块都具有标准化的接口，可以纵向和相邻的模块互相通信， 也可以使同层次的虚拟仪器模块之间互连。例如，对于底层驱动程序，其功能首 先是利用硬件模块提供的标准接口对其进行控制和管理，同时为上一层模块提供 标准调用接口，使上一层软件设计时与硬件模块无关。对于应用程序设计人员来 说，一旦有了仪器驱动程序，在并不十分了解仪器内部操作过程的情况下，也可 以进行虚拟仪器系统的设计工作。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 图2 1虚拟仪器结构层次图 f i g u r e 2 1t h e s t r u c t u r eo f v i s u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器的重要组成部分是软件开发平台，。软件开发平台的水平在很大程度 上代表了虚拟仪器的水平。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪 器开发系统的功能也越来越强大和完善，主要有n i 公司的l a b v i e wl a b w i n d o w s c v i ，h p 公司的v 观，i o t e c h 公司的d a s l a b ，k e i t h l e y 公司的v i e w d a c ， h e m d a t e 公司的s n a p m a s t e r 等【2 6 】，其中别具特色且在世界上销售量最大的要数 n i 公司的l a b v i e w 。用l a b v i e w 建立的软件面板，其界面友好、操作简单直观。 与传统文本语言相比，用l a b v i e w 编程易学易懂省时省力，可以节省大量系统开 发时间，即使对于没有文本语言编程基础的非软件工程师来说也可以很快学习、 掌握并应用l a b v i e w 来开发虚拟仪器。 综上所述，虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、数模与模数转 换技术、软件技术等完美的结合，它已被愈来愈多的技术人员所接受，成为当今 测量测试领域里的一支最重要力量。随着微电子技术和软件技术的发展，虚拟仪 器技术一定会得到更快发展，并在科研生产特别是高科技领域得到更广泛地应用。 2 2 系统的硬件组成 弧焊品质分析系统由两部分组成：信号获取和信号处理，组成图见图2 2 。 刭匦 源卜r燃 fi 卡 微机 虚拟仪器 弧焊品质 分析软件 图2 2 系统整体组成图 f i g u r e 2 2t h ec o n s t i t u e n te l e m e n to f s y s t e m 显示 打印 霎瘗奎堂堡主堂焦丝奎 ! 墨竺璺苎型! ! 硬件主要由赛扬8 0 0 计算机，传感器电路，带金属屏蔽层的双芯电缆，1 2 位 a d 数据采集卡组成。其中电流、电压传感器选用有源霍尔传感器。a d 采集卡 采样频率最高可达4 0 0 k h z 。 2 2 1 传感器 f i g u r e 2 3t h es k e t c hm a p o f s e n s o ra n ds i g n e dd e b u gc i r c u i t 传感器是一种能够将被测物理量( 如力、应变、位移、速度、加速度、温度、 应力等) 转换成与之相应的，易于检测、传输、放大和处理信号的功能器件。在 本系统中，传感器将电流、电压信号变换成适当的电量信号，然后经比例放大电 路、限幅电路、滤波电路进入测试系统的输入通道数据采集卡。它与计算机的连 接如图2 3 所示。 在本课题中，采用的传感器都是电量传感器，但用于焊接测量的电量传感器 种类很多，信号差异大、变化复杂，因此，传感器的选择是非常重要的。在测量 系统中，传感器的选用原则如下； 1 ) 量程和精度传感器的量程和精度是传感器两个非常重要的技术指标。选用传 感器的量程和精度应能满足测试的要求，其灵敏度要与计算机和数据采集卡的 字长位数相适应。 2 ) 频响特性传感器的频响特性必须在测试频率范围内保持不失真，且其反应速 度要与计算机相匹配。 3 ) 输出能力传感器要有较强的输出能力，传感器的输出电平高，输出阻抗低， 其带负载和抗干扰的能力就强，信噪比就高。 4 ) 线性范围任何传感器都有一定的线性范围，选用时应考虑被测物理量的变化 范围，使得传感器的非线性误差在允许的范围内。 而对于焊接检测用传感器来说，还要求其具有隔离能力和抗干扰能力，以保 证强电信号和弱电信号无直接的物理连接，避免被检测的强电信号干扰和破坏测 试系统。 焊接中常采用传感器的隔离方式有：电磁隔离、光电隔离、霍尔效应隔离。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本课题均采用霍尔效应隔离传感器采样焊接电压电流信号。 霍尔效应隔离是利用霍尔元件作为变换元件，其工作原理基于霍尔效应。将 霍尔元件置于磁场中，当有电流通过时，便会在元件的两端产生电位差，这个电 位差被称为霍尔电势。利用这个原理，可以采用霍尔元件测量电流的大小，导线 上有电流流过时，在导线周围产生磁场，磁场强度与导线流过的电流呈一定的函 数关系，测量霍尔电势的大小，便可推算出导线上电流的大小。利用霍尔元件， 传感器输出量和被测量只通过磁场建立联系，从而达到了良好的隔离效果。 2 2 2 a d 数据采集卡 要实现计算机对焊接电流、电弧电压信号的采集，就必须把模拟信号转为计 算机可以接受的数字信号，a d 数据采集卡即是执行这一功能的部件，是整个虚 拟仪器中至关重要的硬件模块，它的采集速度、精度、可靠性都是非常重要的因 素。 本系统采用的a d 数据采集卡是北京双诺测控技术有限公司生产的a c 6 1 11 数据采集卡。a c 6 1 1 l 提供1 6 路单端输入1 2 位a d 转换，a d 转换速度最高可达 4 0 0 k h z ，支持1 1 6 路波形信号的采集，其性能、指标如下 2 7 】： 模拟部分： a d 转换器：4 0 0 k h z 1 2 位a d a d s 7 8 1 8 ，a d 内置采样保持器。 1 6 路单端输入，输入阻抗：大于1 0 0 m ，最大输入电压； + 2 v 一1 2 y ， 瞬时输入耐压：- - 3 0 v + 3 0 v ，d b 2 5 孔式输入连接器。 输入支持： s h 、n o r m a 两种通道模式( 并行采样，扫描采样) 。对应的最 小每通道采样时间： s h ：n + 2 5 ( u s ) 其中：n 为设置的采样通道数量。 n o r m a ：2 5 u s 。 程控模拟输入范围，双极性输入幅度：+ 5 v 一5 v 、+ 1 0 v - - - i o v ，单极 性输入幅度：5 v 、1 0 v 输入。 a d 最大通过率：4 0 0 k h z ，输入通道建立时间 2 u s 。 采集启动模式：软件、硬件触发( 外触发) 启动。外部触发的极性可以选 择为“上升沿”或“下降沿”有效。 采样定时器模式：内部时钟、外部时钟。外部时钟支持上升、下降沿选择。 板上时钟：1 6 位定时器、基准时钟4 m h z ，设置范围：1 0 - - 6 5 5 3 5 ，对应 采样速度；4 0 0 k h z - - 1 6 h z a d 与计算机采用f i f o 接口，容量：4 k 字，提供：f i f o 空、半满、溢出 标志，半满标志支持中断。 重塞查堂堡主兰丝堡苎 ! 墨笙璺竺皇! 生 2 3 系统软件设计 2 3 1 开发虚拟仪器软件的语言 虚拟仪器是由软件虚拟实现的，自然在虚拟仪器研制的开始阶段必须选定一 种开发环境，编程语言。目前虚拟仪器开发工具可分为文本编程语言和图形化编 程语言及介于两者之间的编程语言三种。文本编程语言即一般的软件编程工具， 如v b 、v c + + 、b o f l a n dc + + 等。这类编程工具的优点是编程灵活，实现的功能灵 活，适合于一些专为单一功能虚拟仪器的开发，如开发频谱仪、相关分析仪等。 但对于开发专业化的虚拟仪器来说，如本课题要开发的弧焊品质分析系统，其缺 点就是对开发人员的编程要求太高，开发时间太长。这就使得一些领域专家不能 亲自构建真正适合需要的虚拟仪器系统。 图形化虚拟仪器编程语言则相反，它为不熟悉文本语言编程的设计者在测控 领域建立虚拟仪器系统提供了一个极为便捷、轻松的图形化设计环境。图形化编 程语言主要是n i 公