（材料加工工程专业论文）激光深熔焊接非穿透焊缝的熔深实时监测.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要- r q v 2 - - f 本文研究非穿透激光深熔焊接过程中焊缝熔深的实时监测。与传统的焊 接工艺方法相比激光焊接具有高效率、高焊接质量等一系列的优越性，因而 在工业生产中获得了广泛的应用。非穿透激光深熔焊接过程中焊缝熔深是最 重要的焊接质量之一。一些偶然的不稳定因素可能导致焊缝熔深的变化，这 不能满足高质量要求的工业应用。因此对非穿透激光深熔焊接过程进行焊缝 熔深的实时监测有非常重要的意义。) 激光致等离子体的光、声信号中包含有 焊接质量的一些重要信息，本文选择激光致等离子体的光、声信号作为焊缝 熔深监测的传感信号。 本文通过一系列激光焊接试验来寻求激光致等离子体光、声信号与非穿 透焊缝熔深之间的关系。激光致等离子体的光、声信号强度可以反映焊缝熔 深的变化。降低激光功率时，焊缝熔深降低的同时激光致等离子体的光、声 信号强度也呈下降趋势。在焊接工艺参数不变的条件下，当偶然的不稳定因 素导致焊缝熔深变化达8 时，激光致等离子体的光信号强度大幅度下降。 快速傅立叶变换( f f t ) 有效地揭示了激光致等离子体光、声信号的频谱特 征。激光致等离子体光、声信号的频谱特征与焊接时使用的激光器的特性紧 密相关。采用纵流激光器焊接时，其相应焊缝的f f t 图中没有特征主频峰。 采用横流激光器焊接时，其相应焊缝光信号的全貌f f t 图和平稳焊缝段的局 部f f t 图中存在特征主频峰，非平稳焊缝段的局部f f t 图中没有特征主频峰。 这些试验结果为实时监测焊缝熔深提供了一条有效途径。 关键词：激光焊接 实时监测 焊缝熔深等离子体 频谱分析 华中# 技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e p e n e t r a t i o nd e p t hr e a l t i m em o n i t o r i n gi ss t u d i e dd u r i n g p a r t i a l p e n e t r a t i o n l a s e ri e l d i n g l a s e rw e l d i n gh a sb e e nh i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r y d u et oi t s a d x 。a n t a g e s o v e rc o n v e n t i o n a lw e l d i n gm e t h o d s s u c ha s h i g hp r o d u c t i xi t ) ：e x c e l l e n th 。e l d q u a l i t y e ta 1 t h ep e n e t r a t i o nd e p t ho ft h e l a s e rw e l di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t i e si np a r t i a l - p e n e t r a t i o nl a s e r w e l d i n g b u ts o m er a n d o m u n s t a b l ef a c t o r sm a yc a u s et h ep e n e t r a t i o nd e p t ht o f l u c t u a t e w h i c h c o u l d n tm e e tt h ei n d u s t r i a ld e m a n d sf o r h i g hq u a l i t y t h e r e f o r er e a l t i m em o n i t o r i n go ft h 6p e n e t r a t i o nd e p t hb e c o m e se x t r e m e l y n e c e s s a d d u r i n gp a r t i a l p e n e t r a t i o n l a s e rw e l d i n g t h eo p t i c a la n da c o u s t i c s i g n a l so fal a s e r i n d u c e dp l a s m ac o n t a i ni m p o r t a n ti n f o r m a t i o n a b o u tt h e w e l d i n gp r o c e s s ，a n dt h e ) a r ec h o s e na st h es e n s i n gs i g n a l si nt h ep e n e t r a t i o n d e p t hm o n i t o r i n g as e r i e so fl a s e r w e l d i n ge x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt of i n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i c a la n da c o u s t i cs i g n a l sa n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t h t h e a m p l i t u d eo f t h eo p t i c a la n da c o u s t i cs i g n a l sc a nr e f l e c tt h ed e p t hc h a n g e i nt h es i t u a t i o n h e nl a s e rp o w e ri sr e d u c e d t h ep e n e t r a t i o nd e p t hd e c r e a s e s a n dt h e a m p l i t u d e o ft h e o p t i c a l a n da c o u s t i c s i g n a l s s h o wt h es a m e d e c r e a s i n gt r e n d i nt h eo t h e rs i t u a t i o nw h e nw e l d i n gp a r a m e t e r sa r ek e p tt h e s a m ea n da n8 c h a n g ei nt h ep e n e t r a t i o nd e p t hi sc a u s e db 、，r a n d o mu n s t a b l e f a c t o r s ，t h e o p t i c a ls i g n a l sa m p l i t u d e d e c r e a s e s r a p i d l y f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) t e c h n i q u e sp r o v e t ob eu s e f u li n r e v e a l i n g t h e s i g n a l s s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ef e a t u r e so ff f tf i g m ；e sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e t y p eo f1 a s e r st h a ta r eu s e di nw e l d i n g w h e nal o n g i t u d i n a l l y e x c i t e dl a s e ri s a p p l i e d i nt h e w e l d i n g t h e r ei sn oc h a r a c t e r i s t i c s p e c t r a l l i n ei nt h e c o r r e s p o n d i n g f f tf i g u r e s h o w e v e r w h e nat r a n s v e r s e l y e x c i t e dl a s e ri s a p p l i e di n t h ew e l d i n gt h e r ei sa no b v i o u sc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r a l1 i n ei nt h e o p t i c a l f f tf i g u r eo ft h ew h o l ew e l da n do ft h e p a r t w e l dw i t hs t a b l e p e n e t r a t i o nd e p t h ，b u tt h es p e c t r a ll i n ed i s a p p e a r sw h e na na b r u p tc h a n g ei n t h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fap a r tw e l dh a p p e n s t h e s er e s u l t sp r o v i d eav a l i d a p p r o a c ht om o n i t o rp e n e t r a t i o nd e p t hd u r i n gl a s e rw e l d i n g k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g p e n e t r a t i o nd e p t hp l a s m a r e a l t i m em o n i t o r i n g s p e c t r a la n a l y s i s l i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 激光深熔焊接具有速度快，焊缝深宽比大，焊接热效率高，热影响区 和焊接变形小等显著优点，因此在诸如航空、航天、汽车、船舶等工业领 域都获得了广泛的应用，同时由于激光束便于传输，容易实现加工过程自 动化，因而与其他焊接方法相比，激光焊具有不可比拟的优势。七十年代 以来，随着大功率激光焊接的大量试验研究和工业应用，发现了激光焊接 过程中类似于等离子弧焊和电子束焊接中的小孔现象，基于小孔效应的激 光焊接机理逐渐地被揭示出来”2 ”。 然而，激光焊是一个极为复杂的物理化学过程，焊接过程受到众多因 素的影响，并且各因素之间又存在相互作用。在激光焊接过程中包含许多 复杂而又相互影响的物理过程，如材料的熔化和蒸发，小孔的形成以及激 光诱导的等离子体的出现；由于小孔壁对激光入射角度的改变而造成的菲 涅尔( f r e s n e l ) 吸收，使得工件对激光吸收率大大提高“1 ；等离子体对 激光可产生折射、反射、散射和吸收作用，即改变激光的聚焦状态。激光 一物质一等离子体之间的相互作用使这一加工过程更加复杂化。 对于非穿透激光焊，焊缝熔深是焊接质量的关键参数。然而，非穿透 激光深熔焊缝的熔深是难以预先精确地确定的。与传统的加工工艺相比， 激光焊的焊缝熔深是柔性的激光束与被焊材料在某段时间内相互作用的 结果，到达工件表面的激光功率密度的波动，材料热力学性能的改变和其 它一些偶然的不稳定因素都可能使非穿透焊缝的熔深随之发生改变。实践 表明，在焊接过程中，即使保持常用的激光焊接工艺参数( 如激光功率、 焊接速度、透镜焦距与离焦量、侧吹气流量等) 不变，激光深熔焊缝的熔 深也可能会出现较大变化。这就是说，对常规激光焊接工艺参数的监测， 不能保证激光焊接质量。为了保证焊接质量和充分发挥激光焊的高速高效 优势，必须对焊接过程进行实时监测。本文研究非穿透激光深熔焊缝熔深 的实时监测。 1 1 两种模式的激光焊接 激光焊接一般以两种模式进行，即激光热传导焊和激光深熔焊接。 在热传导焊接模式中，激光束主要是在工件表面为金属材料所吸收， 然后通过热传导以及熔化金属的对流把热能传向材料内部，熔化区不断扩 大而形成焊缝。在激光束的作用下，材料主要是被熔化，而不发生明显的 汽化，所得焊缝熔深较小，焊缝宽度较大，深宽比小。 相反，在激光深熔焊接过程中，在高能密聚焦激光束的作用下，工件 华中科技大学硕士学位论文 表面被迅速加热升温、熔化并发生剧烈的汽化，巨大的金属蒸汽反冲压力 使液态金属表面向下凹陷，形成凹坑，激光束直射至凹坑底部，产生新的 蒸发，从而进一步加深凹坑，直至最后形成所谓的小孔。由于小孔的产生， 激光束可以深入材料内部，材料对激光束的吸收率明显提高，所得焊缝熔 深大，宽度小深宽比大。 与热传导焊接模式相比，激光深熔焊接效率高，焊接速度快，熔深和 焊缝深宽比大，热影响区小，焊件变形小，因而是实际应用中通常期望得 到的焊接模式。两种激光焊接模式的转换主要取决于激光功率密度的大 小。 在激光功率密度较低时( 功率密度i 1 ； 3 如果( 0 是典型的等离子体振荡频率，t 是带电粒子与中性粒子碰撞的 平均时间，则气体的行为象等离子体而不象中性气体的条件是c o x t ) ) 1 。 波氐( r i m ) 图2 1激光深熔焊接过程中高温电离气体产生的光谱 图2 1 是文献”在激光深熔焊接试验中得到的光谱图，图中含有较多 的铁元素的谱线但没有保护气体a r 气的谱线，这是由激光致等离子体的产 生机理决定的。强激光辐射下气体电离的机理已为人们普遍接受的有两种： 多光子电离和级联电离。 气体原子或分子同时吸收多个光子，这些光子合起来的能量达到原子或 分子的电离能，则可以引起气体击穿，这一过程就称为多光子电离。多光子 电离可用下式描述： m + n h d - - * m + + e ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中各符号的意义 m 中性粒子 o n蠢一：冒想莨罂 华中科技大学硕士学位论文 n h u e - - - - - - - - - - - - - - - - 一 m + 同时吸收的光子数 普朗克常数 光子的频率 电子 离子 可见，激光波长越长，原子电离能越大，多光子电离必须同时吸收的光 子数目越多。在a r 气保护f 的钢材激光焊接情形中，铁元素的激发能约为 4 5 e v ，电离能约为5 8e 、，氩元素的激发能约为1 3 e v 。但是对于波长为 1 0 6 u m 的c o 。激光来说，一个光子的能量仅为0 1 2 e v ，这远小于铁元素和氩 元素的激发能和电离能。而且般认为，只有当激光功率密度达到1 0 ”w c m 2 时，发生多光子电离的可能性才比较大。对一般的激光焊接来说，发生多光 子电离几乎是不可能的。 级联电离是自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，获取了足 够能量的自由电子与气体原子或分子发生非弹性碰撞而使原子或分子电离。 级联电离可用下式来描述： e + m _ 2 e + m + ( 2 2 ) 级联电离的这一反应将导致雪崩击穿，即电子密度将随时间里指数关系 增长。在激光焊接过程中，高温金属蒸汽因为热电离而产生大量的自由电子； 另一方面，材料表面的热发射也将提供大量的自由电子。这些自由电子将通 过逆韧致辐射吸收激光能量，再通过电子与中性粒子的级联电离来产生激光 致等离子体。由于金属蒸汽的激发能、电离能远远小于保护气体的电离能和 激发能，因此在钢材的激光深熔焊接过程中，主要是铁元素和被加速的自由 电子之间发生级联电离从而形成激光致等离子体。 2 2 激光致等离子体对非穿透焊缝熔深的影响 前已述及，激光致等离子体对激光焊接过程的作用具有两重性。一方面， 激光深熔焊接过程中形成的等离子体能够显著地降低焊缝熔深，同时增加焊 缝宽度，这对焊接过程来说是极为不利的，因此要求控制激光致等离子体以 加大焊缝熔深，如果等离子体控制不好，上浮到工件表面以上并且形成等离 子体云团，将阻碍激光对工件的辐射，形成激光致等离子体对入射激光束的 屏蔽现象，严重时甚至会造成激光深熔焊接过程的中断。另一方面，激光与 物质的相互作用的研究表明，较低激光功率密度所形成的稀薄的激光致等离 子体不仅不会屏蔽激光束进入被焊工件，而且还可以改善材料对激光能量的 华中科技大学硕士学位论文 耦合效率。但是，在高功率：激光深熔焊接过程中形成的激光致等离子体 在没有适当控制的条件下通常会降低焊缝熔深。研究表明，采用辅助气流来 消减激光致等离子体对入射激光束的屏蔽以增加焊缝熔深是控制等离子体 的有效方法。 高功率激光焊接过程中形成的致密的激光致等离子体对入射激光束有 屏蔽效应，控制等离子体行为是提高焊缝熔深的必要手段。 瞄；j d 刎 l q ( m h 图2 2喷嘴与工件的夹角 图2 3 气体流量与焊缝熔深的关系 适当大小的喷嘴与工件的夹角0 ( 图2 2 ) 是保证激光致等离子体得到 有效控制的前提，夹角0 太大或太小都不利于将等离子体限制在焊接小孔 内，一般地，当夹角在3 0 。0 7 5 。范围内时，等离子体能够得到有效控 制而获得最大焊缝熔深：“。侧吹气体流量的大小也是影响等离子体控制效 果的重要因素，图2 3 显示了侧吹气体流量对焊缝熔深的影响关系“”。适 当流量大小的辅助气体能够获得最大焊缝熔深是因为辅助气体起到了压缩 从焊接小孔中喷出的金属蒸汽的作用，从而避免了等离子体对入射激光束的 屏蔽，使得有足够高的激光功率密度到达小孔底部来形成大的焊缝熔深。如 前所述，不是所有的激光致等离子体都会屏蔽被焊工件对入射激光束的吸 收，一般认为，在使用某一辅助气体的具体的焊接条件下，只有当激光功率 密度超过某一临界功率密度时才会出现所谓的激光致等离子体对焊接过程 的屏敝现象。对于不同的辅助气体，这一临界功率密度存在很大的差异，研 究表明， ，n 2 ，c o ：和h 的临界功率密度是依次升高的“o ，结果如图2 4 。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 l mp w ，a w t q p h , c r l k w l - w ，m t a w 图2 4焊接气体对焊缝熔深的影响 从图2 4 可以看出，当辅助气体为a ，气时，增加激光功率至5 k w 左右时， 焊缝熔深出现了陡降的情形，其原因是出现了等离子体屏蔽现象：但是在用 h e 气作辅助气体时，即使激光功率达到1 9 k w 时也没有出现等离子体屏蔽现 象。根据目前的研究结果，h 。气被认为是控制等离子体对入射激光束的屏蔽 效果最佳的气体。h e 气具有优良的导热性和高的电离能被认为是h e 气能够 有效地抑制等离子体屏蔽的主要原因。 激光致等离子体屏蔽入射激光束进而降低焊缝熔深的根本原因有两个， 其一，激光致等离子体吸收大量的激光能量使得实际进入被焊工件的激光能 量大为降低；其二，激光致等离子体改变聚焦激光光斑的空间形态，导致激 光功率密度下降。 e、皇善豆_筝 ee6岂翟， e童暑j，s 华中科技大学硕士学位论文 激光束进入等离子体后其能量通过各种机制部分地被等离子体吸收， 激光在等离子体中的吸收机制很多，又很复杂，其中等离子体吸收激光能量 的最主要机制是逆韧致吸收。处于激光场中的电子随着激光电场进行高频振 荡，一旦和其它粒子碰撞，这一振荡动能就会变成等离子体的无规则运动的 能量，激光能量被吸收，这就是逆韧致吸收过程。应用经典的两粒子碰撞理 论，得到等离子体对激光能量的逆韧致吸收系数“”为： 中去老务锄。， 为激光频率，k 。为玻尔兹曼常数，t 。为等离子体的电子温度，n 。和1 1 分别为等离子体的电子密度和离子密度。对于主要由一价电离的铁金属蒸汽 组成的等离子体来说z = 1 ，n ，= n ；。上式表明等离子体对激光能量的吸收和等 离子体电子密度的平方成正比，和激光频率的平方成反比，和等离子体电子 温度的3 2 次方成反比。在高功率密度的激光束的辅照下，被焊金属迅速蒸 发并发生电离从而形成高电子密度的等离子体，进而导致入射到等离子体中 的激光能量被大量吸收，最终使得到达焊接小孔底部的激光能量降低。激光 致等离子体对入射激光能量的吸收是出现等离子体屏蔽从而降低焊缝熔深 的原因之一。 激光致等离子体吸收激光能量的同时还改变聚焦激光光斑的空间形态。 焊接激光束进入等离子体后会发生折射而偏转方向，等离子体对激光束的折 射率与等离子体的电子密度有关。激光深熔焊接时产生的等离子体不仅在时 间上是起伏变化的，而且在空间分布上也是不均匀的。等离子体中的电子密 度存在着梯度分布，因此等离子体对激光的折射率和等离子体对激光的偏转 角也存在梯度分布。在激光致等离子体的折射作用下，激光束聚焦斑点扩大， 功率密度降低，并虽焦点位置也发生了改变。激光致等离子体对聚焦激光光 斑空间形态的改变是出现等离子体屏蔽从而降低焊缝熔深的另一个原因。 2 3 激光致等离子体与熔深监测方案的关系 激光致等离子体是影响非穿透焊缝熔深的重要因素，在本课题研究非穿 透激光焊缝的熔深监测过程中，我们选择激光致等离子体的特征光、声信号 作为传感信号，利用本课题组在前期研究工作中自行研制成功的光、声监测 系统，通过激光焊接实验来寻求焊缝熔深与激光致等离子体的光、声信号之 间的关系。 4 华中科技大学硕士学位论文 绍。 3光声传感器与数据采集卡 监测系统硬件部分沿莆课题组前期的工作，有关硬件组成本文作以下介 3 1光声传感器 传感器是能感受规定的被测物理量并按照一定的规律转换成可用输出 信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是传感 器中能直接感受或响应被测物理量的部分；转换元件是传感器中能将敏感元 件感受或响应的被测物理量转换成适于传输或测量的电信号部分。传感器是 系统与系统之间实现信息交流的接口，它为系统提供赖以进行处理和决策所 必需的信息，它是工业检测和自动控制系统中必不可少的关键组成部分。传 感器根据被测物理量的不同可以分为光传感器，声传感器等多种类型。传感 器具有能量与信息的转换功能，它可以将激光焊接中的等离子体光声信号转 换成电信号输出。 光传感器的种类很多，技术成熟并且应用广泛的光传感器是可见光和近 红外光传感器。c o ：激光致等离子体的特征光信号波长为4 0 0 - - 4 4 0 n m ，属于 可见光”，因此可以方便地选择合适的光传感器来拾取其特征光信号。光 传感器主要是利用半导体的光电效应研制而成的，根据其特点可分为简单光 传感器、集成化的光传感器和光纤传感器等。 简单光传感器主要包括光电二极管、光电三极管、光电池以及光敏电阻 等。光电二极管和光电池都有一个p n 结，并且工作原理也相近，不同之处 在于光电池的光敏元件接收面积要比光电二级管大，并且光电池的光敏元件 工作在零偏状态下，而光电二极管的光敏元件工作时则加一定的反偏压。光 电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二级管的三极管，因此 其结构与一般晶体管类似，和一般三极管不同的是它的发射极一边的尺寸很 小t 基极区比发射极区域具有大得多的面积，以此来扩大光照面积。光敏电 阻有非常高的灵敏度，但其线性度不好，多用来作为开关量的测量，在对线 性度要求较高的场合不宜使用。 电荷耦合器件又称为c c d 器件，它是七十年代新发展起来的典型的集成 化的光传感器。c c d 器件不仅可以将光信号转换为电信号，而且还具有存储、 转移并逐一读出信号电荷的功能，利用电荷耦合器件的这一功能，可以将其 制成图像传感器。随着超大规模集成电路制造技术的发展，c c d 图像传感器 的感光面阵越做越大，像素越来越多，早已达到了电视分辨率实用化的要求。 与普通传感器相比，c c d 图像传感器有着无可比拟的优点：灵敏度高，动态 华中科技大学硕士学位论文 范围大，结构紧；奏，噪声低，体积小，重量轻，可靠性高等。除此以外，c c d 图像传感器具有成像功能并且图像不畸变，无残留图像，像素彼此独立， 互不干扰，像素存储自由变大。不过c c d 图像传感器的价格高，主要在军事 和天文观察上获得了一些应用。 光纤传感技术是伴随着光导纤维通信技术的发展在七十年代后期才开 始出现的一种崭新的传感技术。按照光纤在传感中起到的作用，光纤传感器 可以分为功能型和传光型两大类。功能型光纤传感器利用光纤本身的特征把 光纤直接作为敏感元件，其中的光纤感知信息又传输信息。传光型光纤传感 器利用其他敏感元件感知光信号的变化，光纤仅作为传输介质。光纤传感器 虽然有些已经达到商品化水平，但从整体来看，光纤传感器仍处于理论探索 和实验室研制阶段。 由于光电三极管灵敏度高、线性度好、响应速度快、结构简单而坚固、 价格便宜，能够满足熔深监测的要求，因此课题组前期的工作选择3 d u 8 0 b 高灵敏度光电三极管作为光传感器。其技术参数如表3 1 所示。 表3 1 光电三极管3 d u 8 0 b 的特性参数 光电三极管的输出信号强度和其接收到的光照度成正比，而光照度又与 光致等离子体的光辐射量成正比，因此光电三极管可以及时反映辐射光强度 的变化。 为了接收到激光焊接过程中辐射的特征光谱，采用光学滤光片来滤去杂 光，光学接收系统的结构如图3 1 所示。 。 图3 1光学接收系统“” 滤光片和聚焦透镜构成光信号衰减器，其作用是在光电传感器与焊点之 间进行隔离。这一方面对焊点的强光进行了衰减，减少了焊接环境及金属高 温辐射的影响，保护了光电传感器。另一方面，使波长为4 0 0 4 4 0 n m 的特 征光信号透过滤光片聚焦在光电传感器的接收平面上。在装配上述元件的套 1 6 华中科技大学硕士学位论文 筒内壁上车有螺旋线槽移动透镜，实现像距的无极连续调节。在光电三极管 位置的固定上，借鉴照相显微结构，采用了弹片压紧的可拆卸装置，先用毛 玻璃观察像位，调节好像距后，再换用光电三极管传感。 传声器是一种声电换能器，用来把被测声信号转换成电信号。一般要求 它的频率范围宽，频率响j 立平直，夫真小，动态范围大，尤其是稳定性好。 按照换能原理和结构的不同，传声器可分为三种：电动式传声器、压电式传 声器和电容式传声器。 电动式传声器也叫动圈式传声器，它主要由跟线圈连在一起的振膜及磁 体所组成。当传声器接收到信号后，传声器的振膜发生振动，使线圈在磁场 中运动，从而在线圈中产生了交变电压输出。电动式传声器的固有噪声较小， 输出阻抗低，不需要阻抗变换电路，因此电路比较简单。但是它的体积大， 频率响应不平直，易受电磁场干扰。 压电传声器又叫晶体话筒，它是靠具有压电效应的晶体在声音的作用下 变形而引起电压输出的换能器。这种传声器结构简单，频率响应也比较直， 但是受温度影响大，稳定性差。 电容式传声器是近代高质量录音中使用最广泛的传声器，它的频带宽， 响应平直，畸变小，瞬态响应也非常好，灵敏度变化小，长时间稳定性好。 近年又发展了一种新型电容式传声器，采用永久极化的介质材料一驻极体作 振膜，可以省去极化电压。 c z h 一6 5 驻极体的电容式传声器被用来传感声信号。它的频率响应平 直，灵敏度高，响应速度快。主要技术特性如下： 频率范围：4 0 1 6 0 0 0 h z ： 灵敏度：( o d b = 1 v p a ，1 k h z )一4 6 3 d b ： 输出阻抗： 2 2 k ： 指向性：全方向： 等效噪声级： 3 6 d b ： 标准工作电压：1 5 v ( d c ) ： 最大工作电压：l o v ( d c ) ： 灵敏度衰减特性：( 当电压降到1 v 时) 3 d b ： 工作电流： o 5 m a ： 重量： 3 3 0 p s ) 等。 d 转换器按原理可分为直接a i d 转换器和间接a d 转换器。所谓直接 1 8 二：如孔乱孔钆孔&吼坨坞 华中科技大学硕士学位论文 a d 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型、并联比较 型等。其中逐次逼近型ad 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的 分辨率和速度，故目前集成化的a d 芯片采用逐次逼近型居多：i i 白j 接a d 转 换器是先把模拟量转换或中间量，然后再转换成数字量，如电压j 时间转换 型( 积分型) 、电压频率转换型、电压脉宽转换型等。有些转换器还将多路 开关、基准电压源、时钟电路、二一十译码器和转换电路集成在一个芯片内， 已超出单纯a d 转换功能，使用十分方便。 a d 转换器的主要参数有分辨率和转换时间等。分辨率是指a d 转换器 可转换成二进制数的位数。例如：若1 个1 0 位a d 转换器，去转换一个满 量程为5 v 的电压，则它能分辨的最小电压为5 0 0 0 m y l0 2 4 = 5 m v 。若模拟输入 值的变化小于5 m y ，则a7 d 转换器无反应，而保持不变。同样的j v 电压，若 采用1 2 位的a d 转换器，则它能分辨的最小电压为j 0 0 0 m v 4 0 9 6 = l m v 。可见 a i ) 转换器的数字量输出位越多，其分辨率就越高。转换时间是指从输入启 动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间，通常以转 换时间的倒数( 即转换速度) 来描述a d 转换器的这一性能。从a d 转换器 的电路性能来看，分辨率和转换速度( 即精度和速度) 是一对矛盾“”，例如， 型号为m a x l 0 4 的高速a 7 d 转换器的转换速度高达1 0 0 0 m h z ，然而其分辨率仅 为8 位：型号为a d s l 2 1 0 的高精度a d 转换器的分辨率高达2 4 位，但是其 转换速度只有1 0 h z 。因此在实际的工业应用中，兼顾转换速度和分辨率的 a o 转换器才可以满足大多数用户的要求。 a i ) 转换器同c p u 的接口是微机控制和监测系统中的重要接口。任何型 号的a d 芯片与任何型号的c p u 都可连接，但其接口形式随所用的a d 转换 器的型号，以及对a d 转换速度、分辨率的要求不同而有所差异。从接口电 路的结构形式来看，a d 转换器与c p u 的接口方式主要有如下三种： 1 与c p u 直接相连。有些型号的a d 转换器如a d 5 7 4 ，a d c 0 8 0 1 6 等，带 数据输出寄存器和三态门，它们的数据输出端可以直接与微机的数据总线相 连。 2 采用三态锁存器与c p u 相连。对于芯片内部不带输出锁存器的a d 转换器，如a d c l 2 1 0 、a d 5 7 0 等，需外接三态门锁存器后，才能与c p u 相连。 上述两种连接方式的特点是成本低，线路结构简单，实质上就是简单地加入 数据寄存器和三态门构成接口电路。但是上述两种连接方式在全部转换时间 内都要占用数据总线，因此不适合高速数据采集。 3 利用i o 接口芯片与c p u 相连。各类微型机系统都有自己的并行i o 接口芯片，c p u 利用这些接口芯片与a d 转换器相连，这不仅使用起来方便， 而且时序关系和电平均与c p u 一致，无须外加其他电路，就能可靠的工作， 这种接口形式应用较为广泛。 除了上述三种a d 转换器与计算机相连的方法外，有些公司将多路开关、 9 华中科技大学硕士学位论文 基准电压、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片上，将芯片与计算 机相连所需的一些部件集成在一张卡上，即数据采集卡，把数据采集卡直接 插入i o 槽即可使用。如台湾a d v a n t e c h 公司生产的p c l 系列数据采集卡功 能强大、性能稳定、使用方便在工控行业深受欢迎。本试验中的a d 转换 和数据采集就是通过使用台湾a d v a n t e c h 公司生产的p c l 一8 l8 h d 高性能数据 采集卡来实现的。 3 3p c l - 8 18 h d 数据采集卡 p c l 一8 1 8 h d 数据采集卡的一些主要性能参数如下： 1 6 路单端或8 路差分模拟信号输入( a d ) a d 转换数据精度1 2 位 最高数据采样频率1 0 0 k h z ( d m a 方式数据传送) 随卡带有1 kw o r df i f o 缓存 可用软件方式选择模拟电压输入范围： 差分信号：0 6 2 5 ，- + 1 2 5 ，2 5 ，- + 5 ，1 1 0 单端信号：o 1 2 5 ，0 2 5 ，o 一5 ，o 一1 0 1 6 路数字输入或输出，t t l d t l 电平兼容 1 路1 2 位模拟信号输出( d a ) 三种数据传送方式可选：程序控制、中断椤1 j 程传送或d m a 方式 p c l 一8 1 8 h d 有两个2 0 芯的扁平电缆接口和个d b - 3 7 的接口用以与外界 相连，其中两个2 0 芯的扁平电缆是用于数字信号输入和输出的，其d b 一3 7 的接口是用于模拟信号输入输出的，其各引脚的功能如图3 3 。 在安装数据采集卡之前，必须根据p c 机所使用的外设情况对其进行正 确的设置，以免造成硬件冲突，设备不能正常使用。根据我们的使用情况， 对p c l 一8 1 8 h d 主要进行i o 端口地址、d m a 通道、中断号等内容的设置。 外部设备中能被c p u 直接访问的寄存器通常称之为端口，c p u 通过这些 端口发送命令，读取状态和传送数据，因此，一个接口可有几个端1 3 ，如命 令口、状态口、数据口等。如何实现对这些端口的访问，就是所谓的i o 接 口寻址问题。有两种寻址方式，一种是端口地址与存贮器地址统一编址，即 存贮器映射方式；另一种是i 0 端口地址与存贮器地址分开独立编址，即 i 0 映射方式。不同的微机系统对i o 口地址的分配方案是不同的，有些 地址已经分配给了别的设备不能使用，有些地址是空闲的，能为我所用。 i b m p c 及其兼容机的外设端口是采用独立编址的方式进行设置的，采用专 门的i l o 指令访问端口，故其i o 端口地址和存贮器地址可以重叠，不会相 互混淆。其地址空间的使用情况如表3 2 。 ， i 璐，l 嘉i 巍盛羹、象i 滋，篷 华中科技大学硕士学位论文 表3 2p c 机i o 口地址使用表 地址空间( h e x )器件设备地址空间( h e x )器件7 设备 0 0 0 1 f f 系统扳3 8 0 3 8 fs d l c 通讯卡 2 0 0 2 0 f游戏卡3 9 0 3 a f未用 2 1 0 2 l ?于r 充部件3 b o 一3 b f单显，打印卡 2 1 8 2 f 7来用3 c 0 3 c f来用 2 f 8 2 f f 异步通讯卡二3 d o 一3 d f彩显图形卡 3 0 0 3 l f米用3 e o 一3 e f朱用 3 2 0 3 2 f硬盘卡3 f o 一3 f 7软盘卡 3 3 0 一：3 7 7未用3 f b 一3 f f 异步通讯卡一 3 7 8 3 7 f打印卡 a dh 0 dh 1 a i ) h 2 a dh 3 a dh 4 a i ) h 5 a t ) 1 t 6 a dh 7 g n d g n d v r e f s o + 1 2 v s 2 d g n d n c c 伽n i e i l o0 1 3 c o u n t e r oc l i + 5 v 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 a dl o a dl 1 a dl 2 a dl 3 a dl 4 a dl 5 a dl 6 a dl 7 a g n d a g d a o o u t n o v r e f s 1 s 3 d g n d e x tt r i g c o u n t e r o g a t e p a c e r 缩写含义 a dh ： 模拟输入信号高端 a ol ：模拟输入信号低端 ag i l d ： 模拟信号地线 o a ：模拟输出信号 o u t ： 8 2 5 4 输出信号 c l k ： 8 2 5 4 外部时钟输入 g a t e ： 8 2 5 4 外部触发信号 v r e f ： 参考电压 r e f i n ： 外部参考电鹾 s o s 4 ： 子卡通道选择 n c ：摆留 e x t ：外部 t r i g ： 触发 图3 3 模拟输入接口引脚设置及含义 原则上讲，凡未被占用的地址用户都可以使用，但要考虑系统的现有配 置情况和计算机厂家的今后发展，对端口地址的占用要留有余地，以免发生 i o 口地址重叠和冲突。p c l - 8 1 8 h d 需要给其配置1 6 个或3 2 个连续的端口 2 3 4 5 6 7 8 9 m u 地n h：2坞”m坞 华中科技大学硕士学位论文 地址，根据试验中的设备使用情况，给采集卡分配的端口地址范围为： 3 0 0 3 0 f ( h e x ) 或3 0 0 3 1f ( h e x j 。 数据采集卡p c l - 8 】8 h d 与p c 机之间的数据传输有三种方式：程序控制 传输方式、中断方式、d m a 方式。d m a 方式可以在没有c p 的参与下由d m a 控制器8 2 3 7 直接实现a d 数据转换并向p c 主存高速传送，采用d m a 方式可 以满足监测系统的实时性和高速性的需要。试验中所采用的高档p c 机带有 两片d m a 控制器8 2 3 7 ，它们以级联的方式为系统服务，共提供8 个d m a 通道，其8 个d m a 通道的使用情况如表3 3 。 表3 3高档微机d m a 的使用 d a 控制器1通道0保留 通道1s d l c 通讯适配器 通道2软盘控制器 通道3保留 d m a 控制器2通道4控制器1 级联输入 通道j保留 通道6保留 通道7保留 用于熔深监测的微机系统没有外加通讯适配器，因此d m a 通道既可以选 择l ，也可以选择3 ( p c l 一8 1 8 h d 卡上只提供通道l 和通道3 两种选择) ，在熔 深监测试验中选择d m a 通道3 。 p c l 一8 1 8 h d 随卡带有一个1 k 字节的f i f o 存贮器，当f i f o 中的数据装满 一半时，会向主机发出一外设硬件中断信号，此中断属于可屏蔽硬件中断， a t 机及更高档微机均提供了1 5 级可屏蔽硬件中断，由两片8 2 5 9 a 中断控制 器进行管理。因此必须给此硬件中断定义一中断类型号( i r q ) ，此中断类型 号的定义不能与其他的硬件产生冲突，不同的p c 机根据其配置的不同，外 设所占用的中断情况不一样。根据微机系统硬件中断占用情况，设置采集卡 p c l - 8 1 8 h d 的中断号为i r q 5 。 除了上述三个涉及到主机的设置外，采集卡的其他一些设置采用默认 值。 完成了数据采集卡的设置后，外部信号如何接入数据采集卡也是一个不 容忽视的环节，信号连接不对不仅采集不到正确的数据，甚至会损坏采集卡 或p c 机。为了避免由共模电压带来的地线回路的噪音，以图3 4 的方式将 模拟信号与采集卡相连。 采集到的信号经数据采集卡a d 转换后，存贮在p c l - 8 1 8 h d 的数据寄存 器里，还需要进一步准确而又迅速的传递到主机，由主机进行分析，在作出 。参蠡t ：，矗。 华中科技大学硕士学位论文 相应的判断后再发出相应的指令，因而这又涉及到主机与数据采集卡之间的 通讯方式。 图3 4模拟信号与数据采集卡的连接“3 1 p c l 一8 1 8 h d 数据采集卡是通过i b m p c 总线与主机进行通讯的。i b m p c 总线是一种专门用于微型计算机内部系统板与插件板之间进行通讯的系统 总线，它是重新驱动的，分成多路处理的，并有中断与d m a 操作能力的增强 性通道。i b m 对这一总线上的信号名称、性质、方向时序、引脚排列都有明 确的要求，已形成了一通用的广泛为大家所接受的规范。 按照这一规范，i b m - p c 总线包括8 位双向数据总线，2 0 位地址总线，6 级中断请求线，存贮器与i o 读写控制线，时钟与定时线，3 个d m a 通道的 控制线，存贮器刷新定时控制线，通道检验线，+ 5 v 、一5 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 四种 电源线以及地线。这些引线已接在6 2 插脚的插座上，双列插脚分别为h l a 3 1 和b 1 b 3 1 。插座的引脚间距为1 0 0 n m 。 熔深监测中所用的微机主板是华硕s p 9 7 一v 型，其上有三个i s a e i s a 总 线插槽，四个p c i 总线插槽，i s a 总线是一种在i b m p c 总线基础上进行扩充 的总线，增加了3 6 根扩展信号线，但又与i b m - p c 总线保持良好的兼容性。 e i s a 总线在i s a 总线的下部增加了1 0 0 根新的扩展信号线，总线信号线数目 几乎为i s a 总线的两倍。i s a e i s a 总线插槽是双层结构，上层为i s a 总线，下层 为e i s a 总线。p c l 一8 1 8 h d 数据采集卡用的是i s a 插槽的一部分，在三个i s a e i s a 总线插槽中，选择任何一个空闲的插槽插上去即可。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 4光声监测系统的软件 在激光焊的熔深监测系统中，软件是实现监测系统功能的核心。软件 通过发布命令来对硬f t - 进行控制和操作，并最终实现对激光致等离子体光 声信号的采集和分析处理来探索光声信号与焊缝熔深的关系。熔深监测系 统的软件主要包括数据采集和数据处理两个相互独立的部分。熔深监测系 统软件总体结构如图4 1 所示，主要功能如下： 能以不同的频率采集数据，最高可达1 0 0 k h z 数据采集通道的个数可以很容易进行扩充 可以灵活控制数据采集的时间 数据存储 数据分类及格式转换 对数据在时域范围内进行分析 对数据在频域范围内进行分析 图形显示与打印 l a d 囡 4 1 数据采集 图4 1 软件总体结构 在主要由p c l 一8 1 8 h d 数据采集卡和微型计算机组成的熔深监测系统 中，数据采集功能有