（材料加工工程专业论文）基于labview的焊接质量检测系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n gp r o c e s si sav e r yc o m p l i c a t e dp r o c e s sw i t hm a n yi n t e r a c t i n g f a c t o r sm i x e dt o g e t h e r , s ot h et r a n s i e n ts t a t eo fw e l d i n g p r o c e s si sr e l a t e dt o m a n yp a r a m r t e r s t h ew e l dq u a l i t yu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gc o n d i t i o n si s r e l a t e dt ot h ew e l d i n gp a r a m e t e r sw h i c ha r ei n h e r e n te l e c t r i c a lp a r a m e t e r s i nt h ew e l d i n gp r o c e s s i t s e l f ，i e ，w e l d i n gv o l t a g e ，w e l d i n gc u r r e n t ， s h o r t c i r c u i t i n gf r e q u e n c ya n ds oo n t od e a lw i t hw e l d i n gp r o b l e ms u c ha s p r o c e s s i n gs t a b i l i t ya n dq u a l i t ym o n i t o r i n go n l i n e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa t e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m f o r w e l d i n gq u a l i t yb a s e do nt h e v i s u a l i n s t r u m e n tw h i c hi sa l l o d i a l l yd e s i g n e d ，a n da l lt h ei n f o r m a t i o nc o m e sf r o m v o l t a g ea n dc u r r e n to fc 0 2g a ss h i e l da r cw e l d i n g t h es y s t e mi s c o m p o s e do fh a r d w a r ed e t e c t i n gc i r c u i t a n dv i s u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r e t h em a i nh a r d w a r ei sp c ，h a l ls e n s o r so fw e l d i n g v o l t a g ea n dc u r r e n t ，p c l 一8 1 8 ld a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dr e l e v a n tc i r c u i t a r ec o m p o s e do ft h eo t h e rp e r i p h e r a lh a r d w a r e t h ev i s u a li n s t r u m e n t s o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yl a b v i e w 7 1 ，w h i c hi sag r a p h i c a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g e w i t ht h es y s t e m ，w ec a ni m p l e m e n ts i g n a la c q u i s i t i o n 、w a v e f o r m s r e a l t i m es h o w i n g 、d a t as t o r i n ga n dp l a y b a c k 、s t a t i s t i c sa n a l y s i s ，c u r v ea n d d a t ap r i n t i n ge t c t i m e - d o m a i n ，f r e q u e n c y - d o m a i na n ds t a t i s t i c sm e t h o d w e r eu s e di nt h i ss y s t e mt oa n a l y s i s v o l t a g ea n d c u r r e n t s y n c h r o n i z a t i o n s e l f - c o r r e l a t i o na n dm u t u a l l y - c o r r e l a t i o no ft w ok i n d so fs i g n a lw e r e a n a l y z e d i n t i m e - d o m a i n ， f o u r i e r s p e c t r u m w a ss t u d i e di n f r e q u e n c y d o m a i n c o m m o np a r a m e t e r s o fs i g n a li nt i m e - d o m a i na n d f r e q u e n c y - d o m a i nw e r es t a t i s c s ，w ec a no b t a i nm a n yp a r a m e t e r sl i k ea r c t i m e 、a v e r a g ea r ct i m e 、s h o r t - c i r c u i tt i m e 、a v e r a g es h o r t - c i r c u i tt i m ea n d s oo n i tc a no b t a i nc h a r t sw h i c hr e f l e c t e dt h e w e l d i n gp r o c e s s i n g c o n d i t i o n ，s u c ha su i ，d i d t ，d e d t ，a n da n a l y s e dt h e m m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n sap r o g r a mw h i c hw a st or e s e a r c h 武汉理工大学硕士学位论文 t h er e l a t i o nb e t w e e na r c v o l t a g e a n ds h o r t c i r c u i t f r e q u e n c yt h r o u g h n u m e r i cf i t t i n g a c c o r d i n gt ot h ea b o v e ，t h ev i s u a li n s t r u m e n td e s i g n e db yt h ea u t h o ri s s u c c e s s f u li na c q u i r i n ga n da n a l y s i sa n dp r o c e s st h es i g n a lo ft h ec u r r e n t a n dv o l t a g eo ft h ec 0 2g a ss h i e l dw e l d i n g i tc a ns e r v et ot h eq u a l i t yd e t e c t o n l i n eo fc u r r e u ta n dv o l t a g eo ft h ec 0 2g a ss h i e l dw e l d i n g k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，d a t aa c q u i r e ，w e l d i n gq u a l i t y m 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。 选题的背景、目的和意义 焊接作为材料连接方法及成型工艺，已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。它包括有：手弧埠、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、 等离子弧焊、熔化极气体保护焊掣“2 1 。 c 0 2 电弧焊是5 0 年代初期发展起来的种熔化极气体保护焊方法，由于其 具有生产效率高、焊接成本低、能耗低等特点，而在我国造船、汽车制造，石 油化工、工程机械、农业机械等工业部门中获得广泛的应用【3 一。 焊接质量控制是焊接生产中的一个极为重要的环节。随着c 0 2 电弧焊应用 领域不断扩展及深入，对焊接质量也提出了更高的要求。而在实际生产中不可 避免地存在着工件形状、组装精度、网络电压波动、运行机构稳定性引起的弧 长变化、送丝机构引起的送丝速度变化、焊接变形引起的对缝问隙变化等各种 干扰因素，它们都会影响焊接质量。为此人们研究了各种焊接质量检测系统， 对焊接过程中出现的各种干扰进行补偿，以确保焊接质量。计算机控制技术的 迅速发展为焊接质量检测提供了契机，采用计算机以实现快速、高精度、灵活、 多功能的焊接质量控制要求逐渐成为一种潮流【5 - 6 】。 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c 0 2 气体保护焊过程的质量检测。具体目的如下： ( 1 ) 用于焊接质量在线监测焊接条件及参数中发生的每一种变化都会在焊 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的 评估焊接质量： ( 2 ) 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； ( 3 ) 评估焊接材科，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。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 焊接过程中的电信号包含着丰富的信息。它不仅包含了焊接电源性能的信 息，而且包含焊接质量的信息如：核心大小、熔池形状、熔深状况、熔滴过 渡频率和形态等。因此焊接过程电信号的在线检测对保证焊接过程的顺利进行 和焊接接头的质量具有重要意义【7 】。对焊接电信号分析的方法主要为以下两种： ( 1 ) 统计分析法 统计分析法是对焊接过程电信号的各种参数进行统计，找出参数的概率分 布规律，将各种参数的分布规律与人的经验相结合，对统计结果做出分析，提 取电孤的各种特征信息。 俞建荣等在c 0 2 弧焊熔滴短路过渡过程中采集电信号的多种参数。采用统 计方法得出短路周期标准差影响最大，燃弧时间与短路时间之比、燃弧功率与 短路功率之比以及平均短路周期也有较大影响。并且通过统计分析确定了各特 征参数的权重系数，建立了c 0 2 焊接过程综合评价函数此函数全面计入了各 主要特征参数的信息，能全面定量描述评判焊接短路过渡过程的稳定性和焊接 性斛明。 曾安等在熔化极气体保护焊( g m a w ) 孛，采用多变量线性统计分析方法对采 集的焊接过程中的焊接电流和电弧电压进行分析，并与单变量统计分析方法处 理结果比较。当焊接过程不稳定时，单变量统计分析方法由于未考虑到变量之 间的相关性，丢失了较多信息，易于发生判断错误。单变量统计检测结果与实 际情况有一定偏差，容易犯假设检验的第一类错误( 第一类错误表示原假设为 真，而拒绝原假设的错误) ，而多变量线性统计分析方法判断更精确 9 1 。 y c h o 在动态电阻点焊监测中，以动态电阻第一峰值后变化率，第二峰值位 置及最大动态电阻和动态电阻标准偏差为自交量，采用多变量线性统计分析 方法建立回归模型，对焊点强度进行估计。通过和实验比较，其估算性能达到了 9 8 2 ，满足了对点焊过程实时监控的要求0 0 1 。 统计分析方法是在信号的时域和幅域对信号进行分析，它丢失了信号的时 变信息。不能反映信号随时间变化的特征，故统计分析仅能对焊接过程电信号做 出初步分析，必须和别的信号处理方法结合使用。 ( 2 ) 小波分析法 小波分析是近十几年来信号处理方法研究的热点，与f o m i e r 变换，窗口 武汉理工大学颂士学位论文 f o u r i e r ( o a b o r 变换) 变换相比，小波变换是空间( 时间) 和频率的局域变换，因而能 有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺 度化分析，从而解决了f o u r i e r 变换不能解决的许多问尉“l 。 小波分析用于焊接过程电信号滤波的原理是：小波滤波是在某级尺度下将 信号分解成细节分量和概貌分量，在更高一级小波变换时，又将上一层的概貌 分量分解成频率成分更低的概貌分量和细节分量。这样随着尺度的增大，信号 中越来越多的高频成分被提取出来，其中也包括高频噪声，而剩余的概貌分量 则主要包含了信号中的低频成分。以不同的小波变换尺度，可将信号分解为不 同的频率分量信号和噪声，信号和噪声小波变换系数的幅度随尺度的变化在小 波空阃传播特性是不同的。从而可以将信号和噪声区分开，消除其中的噪声成 分。 张晓囡等对熔滴短路过渡c 0 2 气体保护焊焊接电流信号，应用基数b 样条 双正交小波b i o r 2 4 ，在尺度为2 5 时，可以由细节部分的小波变换模极大值检测 信号的局部奇异性。将其中与电弧重燃时相应的模极大值提取出来，定义为电 流信号的波形特征，它携带有瞬时短路过渡的短路峰值电流，正常短路飞溅的 信息。并由此对弧焊电源工艺动特性进行了研究，证实了小波分析提取工艺动特 性评定特征信息的有效性【1 2 】。 薛家祥等将实测弧焊过程电信号采用小波软阈值消噪方法，阈值设定为 艿= 罗i b = 4 i ( n * o 6 7 4 5 ) ，可以在消去信号中噪声的同时，较好的保持信号的时变 部分不失真改善信号特征信息提取效果【”1 。 小波分析方法可对信号局部信息进行分析，可使信号的分析更加精确，但 小波分析不能提取信号在幅值域和时间域内缓慢变化的特征信息，故在提取焊 接电信号的特征信息时，应与统计分析等方法结合使用。 任何一个焊接产品在投入焊接生产之前，为获得符合产品设计要求的焊接 质量，都必须通过标准试样( 或实物试样) 的焊接实验，以获得可在焊接过程 使用的焊接条件和焊接参数。但是即便采用这样的焊接条件和焊接参数，在生 产过程中也时常不能得到满意的焊接质量，会产生各种缺陷。 现代焊接生产过程的焊接质量的在线实时检测系统可以更为有效地降低废 品率、提高劳动生产率。它一般是由计算机处理、传感器及控制执行机构组成， 其目的是实施焊接质量的自动检测，由机器人代替人工对焊接质量的判断，实 施对所加工部件的全面质量监控。并在可能的情况下，通过对焊接参数的调整， 武汉理工大学硕士学位论文 9 达到对质量的实时控制。其中传感器是获取焊接过程质量信息的主要来源。由 于焊接现场工作条件恶劣，传感器距离电弧比较近时很容易受到强烈的弧光、 高温辐射、烟尘飞溅等不利条件的干扰，因而要求传感器具有很强的干扰能力。 目前被人们认可的是基于电弧的及基于视觉的传感方法，视觉传感可通过视觉 对焊接质量直接进行观测，具有直观的优点，传感器的输出结果可直接与质量 对应，但是同时它存在高成本、运动空间受限及不稳定等问题；电弧传感通过 对焊接过程中固有的电信号的获取，采用一定的算法建立电信号与质量之间的 关系来达到对焊接质量的检测。它具有简单、可靠、稳定性好、现场适应能力 强等优点。并且随着信息技术的进步，对焊接过程电弧传感信号中所包含的焊 缝信息的特征提取及其解释成为可能，使得电弧传感正被广泛地应用【1 4 、1 5 1 。 早在9 0 年代初期，s h n o d at 和o l | d 锄就通过对钨极保护气体氩弧焊 ( g m a w ) 过程中熔池振荡引起的电弧电压变化的研究找出熔深与电压之间的 对应关系，进而实现了对g t a w 过程的熔深控制；r e h f e l d t 等人通过对过程中 焊接电流和电弧电压等的统计参数，实现了对数据的减维，并试图通过对原始 信号的各种统计量的研究对焊接过程的稳定性加以判断进而再对焊接质量进行 评价；近期，h e r m a n s ，m j m 和o u e d n 等人通过短路频率和熔池振荡频率的关 系来评判g m a w 过程的稳定性，其中熔池振荡频率的获取是来自于对电弧电压 方差信号的傅立叶变换；a d o l f s s o n 等人在假设g m a w 过程中电弧电压及焊接 电流是有规则的且符合一定数学模型结构的条件下，通过建立电参数随时间变 化的数学模型来计算电信号与模型只的误差，并通过对误差的分析确定过程中 是否存在焊穿缺陷，但这种假设在实验的条件下可能是成立的，实际的生产过 程中难以满足：f e m a n d e s 等人采用小波分析的方法，通过将电弧电压信号在不 同的频率范围内进行分解，初步研究了描述焊缝质量在好、存在气孔以、及工 件表面带有油污情况下的信号表现；o l u i 眦等人在研究了基于焊接电流、电弧电 压以及其派生出来的7 种参数在缺陷存在的情况下的表现后，提出了基于参数 基值和阀值原理的缺陷识别方法；a d o l f s s o n , s 等人通过对g t a w 过程中短路时 间、燃弧时间、短路频率、焊接电压、焊接电流的研究，提出了一种类似于c u s u m ( c u m u l a t i v es u m ) 的s p r t ( s e q u e n t i a lp r o b a b i l i t y r a t o t e s t ) 算法，该算法是采 用电弧电压的方差信号来评判过程是否处于优化状态；k a n g , m j 和r h e e , s 等 人建立了四个线性和非线性聚类模型来评价g m a w 的飞溅率。国内在该方面的 研究自9 0 年代后期，也逐步开展起来，武传松等采用电参数的p d d 及短路过 4 武汉理工大学硕士学位论文 渡时问和燃弧时间的c f d 建立了模糊系统来识别焊接过程中的干扰信号：李迪 等采用自组织特征映射神经网络( s o m ) 对电弧传感信号分类，从而实现了 g m a w 焊的在线识别；叶蜂等提出了一种基于最小二乘法( l s ) 预报和统计决 策方法的在线监测方法，该方法是通过对焊接电流的突变检测进而实现g l 讧a w 焊中焊穿缺陷的判别1 帕m 。 这些研究虽然取得了一定突破性的进展，但与工业的实际应用仍有一定的 距离。究其原因，主要有以下几条：一是归咎于焊接过程的复杂性、焊接系统 的开放性和强干扰的存在，难以设定预定值保证监测系统较高的准确性，监测 系统缺乏较好的自适应性；二是对焊接过程中信号特征的分析和了解仍然不足， 所获取的信息量仅仅是所有数据中所包含的信息量的一部分；三是其焊接过程 的管理主要是基于单变量的统计过程控制思想，即把多个变量分开分析，次 只能处理一个变量，不涉及多个变量间的相互关联关系。因此，建立一套融合 知识发现和多变量统计过程控制思想的在线检测系统具有极其重要的意义。 目前虚拟仪器技术在焊接评定方面已经获得了不少研究成果。 杨运强等利用l a b v i e w 的强大软件功能，通过各种l a b v i e w 控件和程序， 对采集的焊接数据进行分析，绘制了焊接w 曲线图，在图中区分了燃弧的各个 阶段，并针对其反映的电弧动态过程的各个阶段进行分析在对曲线进行各种 假设的前提下预测了焊接质量。然后得到电压、电流频谱分布，并指出其参数 表征：电弧电压频谱表征了熔滴过渡的频数分布，频谱不但表征熔滴过渡频率， 而且还表征焊接电流上升速度。同时，文章指出了l a b v i e w 相对于其它高级语 言在焊接系统评定方面的优势1 2 9 1 张勇等利用l a b v i e w 实现了c 0 2 焊接参数的采集分析。文章首先利用程 序采集所需信号，计算并描绘出电弧电压和焊接电流信号的变化率曲线；然后 根据短路过渡特征计算出短路时间、燃弧时问、短路过渡频率、峰值电流、燃 弧功率、短路功率、燃弧占空比等各种参数；最后根据计算所得数据概率分布 图及平均值、标准差等统计量对焊接质量进行了基本预测，证明了应用虚拟仪 器系统能够真实有效地反映焊接过：g 里p o l 。 陈茂爱等介绍了一种在l a b v i e w 平台下使用第3 方数据采集卡开发虚拟 仪器的实现方案。利用l a b v i e w 中的q u e u 技术简化了数据采集、显示与储存 的编程在此基础上，设计了g m a w - p 焊接信号采集和分析系统，实现了熔漓过 渡图像和电信号同步采集，并可对其进行在线和离线分析p n 。 武汉理工大学硕士学位论文 白割3 2 】等在熔化极等离子弧焊接似a s n l a 小i i g ) 试验系统基础上，设计电流、 电压信号采集系统，对其电弧电特性信号进行采集，用虚拟仪器软件l a b v i e w 对其进行处理。得到u - t ，- t ，【m 相图。 史涛等介绍了一种铝合金点焊过程电压、电流、声音和电极位移信号的实 时采集系统，并给出了该采集系统所采用的传感器和数据采集卡等硬件构成原 理和使用虚拟仪器设计软件l a b v i e w 编制的程序框刚叫。 蔡艳采用开放式虚拟仪器开发乎台l a b v i e w 组建了虚拟仪器对焊接过程进 行瞬态检测，在c 0 2 气流量为1 5 i _ m i n 、电弧电压为2 0 v ，焊接电流为1 5 0 a 的 规范下，采用1 2 m m 焊丝在d s p 控制的晶闸管n b m d s 0 0 焊机上进行了平板 堆焊实验。实时显示电流、电压波形，定时进行数据分析并计算相应参数，绘 制统计图形【。 朱振友采用l a b v i e w 软件对所采集的图像进行滤波，腐蚀，模板匹配等处 理后，可获得焊缝大致的位置走向，然后采用动态开小窗图像进行滤波、边缘 提取、动态阈值以及直线拟合等处理后，可实现对焊缝真实位置的识别p 5 】。 1 3 研究内容和技术路线 本课题主要完成图1 1 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 气体保护焊) 过程工艺参数的自动记录和检测，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。 图1 1 系统整体结构示意图 f i g i 弓i it h e s d t t e hm 印o f t h e 劬m 。t i 】睇o f t l 睫w h o l es 岫 该系统研究的主要内容分为以下几个部分： ( 1 ) 传感器的合理选择。最前端检测仪电路的设计，硬件抗干扰措施的采 取，还有就是关键硬件数据采集卡的选用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集程序的设计、编制与调试。能对弧焊过程的信号进行实时在线 检测，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。 该系统设计分为硬件设计和软件设计。 硬件主要由p c 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。 本系统中，传感器将焊接电流、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。由 传感器采集到的焊接电流、电压信号是模拟信号，必须经过a d 数据采集卡将 这些模拟信号转为计算机可以接受的数字信号。 本系统利用l a b v i e w 软件作为平台，研制出了一套基于c 0 2 焊接过程信号 采集与焊接质量在线分析系统。软件由数据采集模块、回放滤波模块、波形分 析模块、时频分析模块、统计分析模块，试验参数记录模块等组成。它们的主 要功能如下： 数据采集模块：它可以对焊接电流电压波形进行采集、实时显示，将采集 的数据以文本的形式储存。 数据回放滤波模块：它可以对所存储的数据进行回放显示，为了分析的不 同需要可以进行多种滤波选择，如算术平均滤波、递推平均滤波和小波滤波等。 波形分析模块：能进行信号的波形分析，如：周期、频率、相位，幅值、 u - i 图绘制、信号的转变如短路电流上升率、电压下降率等进行分析。 时频分析模块：进行各种频域分析，如f f t 、能量谱、相位谱、能量密度 分布等的分析。 统计分析模块：概率密度分布图和频率分布图是由存储在硬盘上的瞬时值 数据，根据一定的统计方法得到的数据画出来的，因此首先选择要统计分析的 信号。 回归分析模块：寻找隐藏在那些看上去是不确定的现象中的统计规律，如 短路过渡频率与电弧电压之间的回归关系。 试验参数记录模块：记录实验条件及参数，如焊接设备、焊材、填充材料、 保护气，熔滴过渡形式等 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统软件平台和硬件系统简介 2 1 虚拟仪器技术 2 1 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，) 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 3 6 1 。 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。其基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器 系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。 虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物。是充分利用最新的计算机技术 来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的 输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方 法方便地改变、增减仪器系统的功能和规模【3 ”。 2 1 2 虚拟仪器的优势 我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据处 理与分析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，而虚拟 仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调 物理上的实现形式。虚拟仪器褶对传统仪器的优势是显丽易见的，概括起来有 以下几个方面唧j ： ( 1 ) 传统仪器功能由仪器厂商定义，虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制 造厂仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软 件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。 ( 2 ) 传统仪器与其它仪器设备的连接受限制，而虚拟仪器则是面向应用的系 统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。 ( 3 憔统仪器图形界面小、人工读数、信息量少，虚拟仪器则展现图形界面、 武汉理工大学硕士学位论文 计算杌直接读数、分析处理。 ( 4 ) 硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输 入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。 ( 5 ) 传统仪器系统封闭、功能固定，虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵 活的功能模块，可构成多种仪器。 撕) 传统仪器扩展性差、数据无法编辑，虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。 ( 7 ) 信号每经过一次硬件处理都会引起误差，由于虚拟仪器减少了硬件的使 用，因而减少了测量误差。 ( s ) 传统仪器价格高、技术更新慢( 周期为5 l o 月) 、开发和维护费用亦高， 虚拟仪器价格低( 是传统仪器的五至十分之一) ，而且可重复利用，技术更新也快 ( 周期为l 2 月) ，基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。 虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展迅速，已 在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、物矿勘探、故障分析及教学科 研等方面的数据采集和分析中广泛应用。 2 1 3 开发虚拟仪器的软件工具 构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后就可通过不同的软件实现不 同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难 想象可以构成一台理想的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术的发展和应用源于公 司设计的l a b v i e w 。现在，n i 公司开发的软件平台已经成为了虚拟仪器软件技 术事实上的标准。虚拟仪器的应用开发环境分为l a b v i e w 、l 庙呲w 栅 和m e a s u r o m e m ts t u d i o 三种，在虚拟仪器研制的开始阶段必须选定一种开发环 境，即编程语言。 l a b w m d o w s c v l 是一个完全的标准c 开发环境，用于开发虚拟仪器应用系 统。如果把掌握的c 语言编程知识与l a b w m d o w s c v i 简单易用的特性结合在 一起，将以不可思议地速度开发出复杂的测量应用系统。由于k b w i n d o w “a 仃 是基于标准c 语言的半图形化虚拟仪器开发工具，对于开发专业化的虚拟仪器 来说，如本课题要开发的焊接质量检测系统，其缺点就是对开发人员的编程要 求太高，开发时间太长。这就使得一些领域的专家不能亲自构建真正适合需要 的虚拟仪器系统。 m e a s u r o m o n ts t u d i o 将三种最受工程师和科学家们欢迎的编程语言集成在一 9 武汉理工大学硕士学位论文 起，为测量和自动化系统的程序开发提供了最方便的环境：微软v i s u a lc + + 、 微软v i s u a lb a s i c 、基于标准c 开发环境的l a b w i n d o w s c v i 。有了这些组合， m e a s u r e m e n t s t u d i o 大大提高了文本编程语言的工作效率。由于项目开发时间越 来越紧而且要求编程者的技能越来越丰富，所以通常没有时间训练整个团队来 学习一种新的开发语言。m e a s u m - n e n ts t u d i o 提供了一个工具包来利用现有的编 程知识，针对开发者所了解的语言，比较适合大型、复杂的测试软件的开发。 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，又称为“g ”语言1 3 9 。与基于v c 、v b 等 编程语言的l a b w i n d o w s c v i 和m e a s u r e m e n ts t u d i o 虚拟仪器开发环境不同。 l a b v i e w 用图标、连线和框图替传统的程序代码，并且i a b v i e w 所运用的设 备图标与科学家、工程师们常用的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思 维过程非常地相似。 2 1 3 1l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 作为测控控制和信息处理领域的一个优秀的开发平台，其特点归 纳如下： ( 1 ) i a b e w 是基于图形化的软件编程平台，是应用于测控领域的专用软 件开发工具； ( 2 ) 采用图形化( 数据流式的语言) 的编程语言，交互式编程环境，不仅 人机界面使用“所见即所得”的可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的代 码，使得编程过程更加接近人的思维，设计者无须写任何文本格式的代码； ( 3 ) 提供了丰富的用语数据采集、分析、表达及数据存储的函数库； ( 4 ) 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供具有特 色的高亮执行和探针工具，使程序动画式运行，利于编程人员观察程序运行的 细节，使程序的调试和开发更为便捷； ( 5 ) 具有强大的外部接口能力，可实现l a b v i e w 与外部的应用软件( 如 w o r d 、e x c e l 等) 、c 语言、v c 语言、m a t l a b 等编程语言之间的通信； ( 6 ) 强大的i n t e m e t 功能，内置了便于应用的t c w i p 、d d e 等软件标准 的库函数，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发 2 1 3 2l a b v i e w 的运行方式 用l a b v l e w 编写程穿像其它w m d o w s 环境下面向对象的程序开发一样， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 程序的界面和代码从表达形式七是分离的。 在l a b v i e w 中通过使用系统提供的操作模扳来完成程序的开发，包括工 具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和函数( f u n c t i o n s ) 模板。这些模板集 中反映了该软件的功能与特征。 ( a )( b )( c ) 图2 1 工具模块、控制模块、功能模块 f i g m e2 t h ep a l c u co f t c o l s ，c o n t r o la n df l m c t i o a s 工具模板如图2 1 ( a ) ，该模板提供了各种用于创建、修改和调试程序 的工具。如果该模板没有出现，则可以在w i n d o w s 菜单下选择s h o w t o o l sp a l e t t e 命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工 具相应的形状。当从w i n d o w s 菜单下选择了s h o wh e l pw i n d o w 功能后，把工具 模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序( s u b ) 或图标上，就 会显示相应的帮助信息。 控制模板和功能模板是有区别的，前者用于编程时，后者用于运行程序。 控制模板( 注：只有打开前面板时才能调用该模板) 如图2 i ( b ) ，该模板用来 给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子 模板。如果控制模板不显示，可以用w m d o w s 菜单的s h o wc o n t r o lp a l e t t e 功能 打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 功能模板( 注：只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。) 如图2 1 ( c ) 功能模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一 个子模板。若功能模板不出现，则可以用w i n d o w s 菜单下的s h o wf u n c t i o n s 武及理工大学硕士学位论文 p a l e t t e 功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能 模扳。 包括3 个部分：前面板、框图程序和图标连接口。 前面板是图形用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户 输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 和显示对象( i n d i c a t o r 。如图2 , 2 ( a ) 所示是个随机信号发生和显示的简单 是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列 随机数。 流程图提供v l 的图形化源程序。在流程圈中对编程，以控制和操纵定 义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子， 还有些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图 2 2 ( b ) 是图2 2 ( a ) 对应的流程图，我们可以看到流程图中包括了前面板上的 随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构 随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下 去，设置了一个f o r 循环，使其每隔一秒( 也就是1 0 0 0 毫秒) 执行一次。 ( 盎)( b ) 图2 2 随机信号发生器的前面板和后面板 f i g u r e2 2t h ef r o n t - f a c e ta n db a c k f a c e to ft h er a n d o m ss i g n a lg e n e r a t o r 如果将与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西， 而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用可以仿真标 武汉理工大学硕士学位论文 准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标 准仪器相差无几。 2 2 数据采集系统的硬件组成 基于l a b v i e w 的电弧电参数虚拟仪器检测分析系统的采集部分硬件主要 由霍尔电流电压传感器、自制信号调理电路、p c i - 6 0 2 3 e 数据采集卡、i n t e l c e l e r o m 0 0 2p c 机等组成。其结构示意图如图2 3 所示。 p c i 一 6 0 2 3 e 数 据 桌 嘉 图2 3 数据采集系统的硬件组成 f i g u r e2 3t h cc o 硎t i l e n to f d a t aa c q u i s i t i o nh a r d w m g y l g e l n 2 2 1 传感器的选取 从定义上来说，传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成 可输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，如图2 4 所示。它 能够将被测物理量( 如力、应变、位移、速度、速度、加速度、温度、应力等) 妄：烯i i 电湃 - 一 图2 4 传感器组成 f i g m e 2 a t h ec o n s t i t u e n to f s c o o t 由于焊接过程是一个相当复杂的物理化学变化过程，很多因素都能对电弧的 各种参数产生影响，特别是对焊接电流电压信号产生相当大的影响，因而正确 选用焊接参数检测传感器是非常重要的，一般应遵循如下的选型原n - 量程和精度传感器的量程和精度是传感器的两个非常重要的技术指 武汉理工大学硕士学位论文 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p c 机及数据 采集卡的字长位数相适应。 频响特性传感器的频响特性必须保证信号在测试范围内不失真，且其 反应速度要与计算机相匹配。 输出能力传感器要有较强的输出能力，要求其输出时电平高，输出阻 抗低，其带负载和抗干扰能力强，信噪比高。 线性范围任何传感器都有一定的线性范围，选择时应考虑被测物理量 的变化范围，使得传感器的线性误差在允许的范围内。 隔离和抗干扰能力焊接参数检测用传感器应具有较高的隔离能力和 抗干扰能力，以保证强电与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。 焊接电弧电参数检测所选用的传感器的隔离方式一般为：光电隔离、电磁 隔离、霍尔效应隔离。本采集系统采用霍尔式传感器来检测焊接电流和电压信 号。 霍尔式传感器是基于霍尔原理的磁敏感传感器，其结构简单、体积小、坚 固、频率响应宽( 从直流到微波) 、动态范围( 输入电动势的变化) 大、无触点、 使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化 技术和信息处理等方面得到广泛的应用。 下面简单介绍一下霍尔效应原理 金属或半导体薄片，若在其两端通以控制电流i ，并在薄片的垂直方向上施 加磁感应强度为b 的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上( 即霍尔输出 端之间) 将产生电动势u h ( 称霍尔电动势或霍尔电压) ，这种现象称为霍尔效应 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力的作用。由试验可得， 在磁场不太强时，霍尔电势u n ( m v ) 与电流强度i 成正比，即： ：辈 ( 2 1 ) 4 式中：r l r _ 霍尔常数，m 3 c 一； h 空制电流，a ； b 磁感应强度，t ； 扣霍尔元件的厚度，m 。 武汉理工大学硕士学位论文 令 蜀= 争 ( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 带入式( 2 1 ) ，则得到：u h = k h i b 式中；k l 广称为霍尔元件的灵敏度。 本系统采用的电流和电压传感器是四川省绵阳市维博电子有限公司( 原西 南自动化研究所传感技术部) 的产品：w b l 2 2 1 f 霍尔电流传感器，接线原理如 图2 5 所示；w b v 3 4 2 e 霍尔电压传感器，接线原理如图2 6 所示。 o 5 v 模拟电压 图2 5 霍尔电流传感器接线原理 f i g u r e 2 5c o n a e c t i o np r i n c i p l eo f h a l lc u n e n ts e g i b o f 弧 o 5 v 模拟电压 图2 6 霍尔电压传感器，接线原理 f i g u r e 2 6c o n n e c t i o np r i n c i p l eo fh a l lv o l t a g e 剐禹l o o f 这两种传感器是直接检测式霍尔电流传感器，其特性如下。 ( 1 ) w b l 2 2 1 f 霍尔电流传感器特性 采用霍尔效应原理，