激光增强MIG焊电弧声试验系统.doc

激光增强水下MIG焊电弧声试验系统初步探讨主要针对激光增强水下MIG焊，搭建电弧声信号采集与分析实验系统。并借以研究熔滴过渡与电弧声信号之间的对应关系。为下一步探索激光、环境压力等外界干扰对电弧声信号的影响做准备。电弧声实验系统主要组成：硬件系统（传声器、前置放大器、数据采集卡（声卡）、信号处理系统。一、 硬件准备1、传声器：根据研究MIG 焊电弧声信号频率主要分布在 7000Hz 以内1。电弧声信号的测量很容易受到外界环境噪声的污染，测量结果的成败，在很大程度上取决于传声器的选用是否合理。通常，在传声器的线性范围内，希望传声器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与电弧声声压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，传声器的灵敏度越高，与电弧声无关的外界噪声也容易引入，也会被放大系统放大，影响测量精度。传声器的频率响应特性决定了被测电弧声的频率范围，频率越高，可测的信号频率范围就宽。必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传声器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传声器的动态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。传声器的动态范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度另外，传声器的灵敏度是有方向的。根据以上原则，参照其他院校实验室的选择，综合市场调查决定采用AWA14423 测试传声器。性能参数如下：1) 灵敏度：50 mV/Pa2) 频率响应：1020kHz3) 动态范围：20140 dB图1-1 AWA14423 传声器（价格1200左右）传声器前置放大器与传声器配合，用来进行阻抗变换和前置放大，提高传声器的信号传输质量。选择型号为 AWA14603 的前置放大器与AWA14423 传声器配合，其主要频率范围：1020kHz；测量范围：15120dB；增益为 20dB。图1-2 AWA14603 前置放大器（价格1500左右）传声器主要性能及使用应符合GB/T 14198-93 传声器通用技术条件、GB/T 20441.1-2010 测量传声器 第一部分：实验室标准传声器规范的要求。2、数据采集卡信号采集模块是外部声音信号与计算机信号处理系统联系的纽带，随着数字信号处理(DSP)技术不断走向成熟，PC声卡逐步成为一个成熟的数据采集系统。声卡作为声音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是经过DSP音效芯片的处理，进行模拟音频信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以作为一块数据采集卡来使用。声卡价格低廉，现在一般的电脑上都已经集成了声卡，用其取代常规的DAQ设备（数据采集卡）是一种很好的选择，所以用声卡搭建数据采集系统也是非常方便的。声卡的主要技术参数主要有两个：采样位数和采样频率。声卡采样位数的概念和数据采集卡的位数概念是一样的，是指将模拟信号转换为数字信号的二进制位数，反映了对信号描述的准确程度。位数显然是越高越好，目前声卡基本在16位以上，而一般的数据采集卡大多只是12位，所以从这一点讲声卡的精度是比较高的。声卡的采样频率一般不是很高，因为它只是处理音频信号，目前最高采样频率为96KHz。如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。声卡要求输入信号频率必须处于2020KHz的音频范围内。而电弧声的信号频率正好满足了这一音频范围的要求，所以在本硬件平台建议选用基于PCI总线的声卡来实现电弧声信号采集。具体声卡型号待定。（可选用工控机声卡）。3、硬件连接PC 声卡一般有 Line In 和 Mic In 两个信号输入插孔，这两个输入接口内部都有隔直电容，直流或频率较低的信号不能被声卡接受，声音传感器(麦克风)可通过这两个插孔连接到声卡。若由 Mic In 输入，由于该接口只能接受较弱的信号(200mV)，另还配有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用 Line In，它可接受幅值约不超过 1.5V 的信号，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平2。采集系统硬件连接如图1-3所示：图1-3 激光增强水下MIG焊电弧声采集系统示意图其中主要焊接设备型号及主要参数如下： 焊接电源：送丝机：激光发射器：二、降噪处理焊接电弧声信号虽然其传感和数据采集相对简单，不受弧光、烟尘和飞溅等影响，但却极易受到诸如电磁干扰、电气干扰等等环境噪声的污染，呈现出高度复杂性和非线性，难以简单、直接地利用电弧声信号进行焊接熔滴过渡状态的监控，需要首先对声信号进行降噪处理。1、 硬件降噪：1、1传声器如上所述，测量结果的成败, 在很大程度上取决于传声器的选用是否合理. ( 1) 在传声器的线性范围内, 传声器的灵敏度越高越好, 此时电弧声声压变化对应的输出信号的幅值就比较大. ( 2) 传声器的频率响应特性决定了被测电弧声的频率范围, 频率越高, 可测的信号频率范围就宽. ( 3) 传声器的动态范围越宽, 则其量程越大, 并且能保证一定的测量精度. 基于上述原则, 实验选用的AWA14423 型传声器, 灵敏度50 mVPPa, 频率响应20 20 000 Hz, 动态范围20 140 dB.符合实验要求。1、2 前置放大器激光增强MIG焊是一个集声、光、电于一体的复杂的物理、化学过程. 由传声器获取的微弱电信号在焊接强干扰环境下很容易被噪声淹没掉, 有必要采用前置放大器对传声器获取的电信号进行放大. 选择型号为AWA14603 前置放大器, 与AWA14423 传声器配合,进行阻抗变换和前置放大, 增益为20 dB.1、3 接地装置将传声器接地, 可以避免环形接地现象和浮地节点出现. 如果传声器接地, 连接是不同的.如果传声器是浮地的, 那么必须将后续信号调理模块的反相输入接地。32、软件降噪 为了进一步消除噪声对分析结果的影响, 需对拾取的电弧声信号进行软件降噪。应用小波分析进行降噪主要涉及到小波的分解与重构, 对信号降噪的目的就是抑制信号中的噪声成分, 从而恢复出真实信号4。（具体使用软件Labview或者Matlab软件，待学）。（采用小波分析、）。三、电弧声采集处理软件设计（暂定Labview）主要实现电弧声信号采集与分析。美国国家仪器公司开发的 LabVIEW 软件来进行焊接电弧声信号采集处理系统的软件设计，LabVIEW 是一种图形化的编程语言。它最大的特点是用图标的形式来代替文本行创建应用程序。LabVIEW 不同于传统文本编程语言的那种根据语句和指令的先后顺序来决定程序执行顺序，它采用的是数据流编程方式的编程语言，VI 及函数的执行顺序由程序框图中节点之间的数据流向来决定。这里面提到的 VI 指的是虚拟仪器，它是 LabVIEW 的程序模块。LabVIEW 中很多控件的外观都与传统仪器相类似，比如万用表，示波器等非常形象直观，用户可以方便地创建人机对话界面。在 LabVIEW 中用户界面被称为前面板，使用图标和连线可以控制前面板上的对象。前面板上的这些图标和连线就是图形化源代码，又叫做 G 代码。这种图形化的程序语言叫做“G”语言。使用这种语言编程时由于流程图或框图替代了程序代码，并且尽可能应用工程师和技术人员所熟悉的术语、概念和图标，使得编程及使用过程都生动有趣。LabVIEW 不仅内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数，还集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，因此是一个功能非常灵活并且功能强大的软件。总之，LabVIEW 是一个面向用户终端的工具。它为人们提供了实现数据采集和仪器编程的捷径，大大提高了构建人们科学和工程系统的能力。在进行原理研究、测试并实现仪器系统时，LabVIEW 使人们的工作效率得到了很大的提高。（来自网络）计划利用上述软件设计电弧声采集与分析系统。四、电弧声采集与分析实验1、实验一：MIG焊电弧声信号采集（常压无激光）实验的主要目的，通过控制电流等焊接条件获得不同熔滴过渡形式，采集不同熔滴过渡形式下电弧声的相关数据，通过试验数据分析各种熔滴过渡与电弧声信号的对应关系，以达到对MIG焊电弧声初步认识，为后续不同功率激光增强MIG焊以及不同压力条件下的激光增强MIG焊的数据采集与分析提供实验数据与技术支持。1、1 实验参数设定焊接电源采用（焊接电源型号），焊接方式为平板堆焊，工件（16Mn）尺寸为300 mm50 mm10 mm，双边V型坡口。焊枪走行速度（待定）。焊丝直径（待定），保护气为Ar 气，气体流量（待定），由于电弧声信号受保护气流量影响比较大。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5，实验时应注意适当选择气体流量。送丝速度（待定），传声器指向电弧，拾音距离约为20 cm-30cm，信号采样频率为48 kHz。（实验过程中应尽量减少外界噪声干扰，如仪器、人员噪声等）。待定参数以激光增强MIG焊综合实验设备与参数为准。1、2 实验过程在上述焊接条件下，通过改变焊接电流实现短路过渡、滴状过渡和喷射过渡，采集不同过渡方式下的电弧声信号。1、3 电弧声信号分析采用Labview信号采集与分析平台（待设计），获取常压无激光作用下不同熔滴过渡形式对应的电弧声信号并采样保存。MIG 焊电弧声信号频率主要分布在 7000Hz 以内，其中射滴过渡有两个波形，分别居于 1000Hz 和 6000Hz 左右，而射流过渡波形相对集中，能量绝大部分分布在 3000Hz6000Hz 范围内。例如下图所示5 图a 射滴过渡抽样 图b 射滴过渡抽样功率谱 图c 射流过渡抽样 图d 射流过渡抽样功率谱图4-1 熔滴过渡对电弧声信号的影响2、实验二：激光增强MIG焊电弧声信号采集与噪声分析（常压有激光）实验的主要目的，在试验一的基础上，通过改变电流，引入辅助激光获得不同熔滴过渡形式下电弧声的相关数据。对比常压无激光条件下的信号特征，寻找激光引入对电弧声的影响，并在此基础上改变辅助激光的功率密度，观察不同功率密度激光对电弧声信号的影响。2、1 实验参数设定（同实验一）2、2 实验过程在上述焊接条件下，通过改变焊接电流与引入辅助激光实现短路过渡、滴状过渡和喷射过渡，采集不同过渡方式下的电弧声信号。2、3 电弧声信号分析采用Labview信号采集与分析平台（待设计），获取常压无激光作用下不同熔滴过渡形式对应的电弧声信号并采样保存。并对比实验一的采样信号，分析辅助激光对电弧声的影响3、实验三：不同压力环境下激光增强MIG焊电弧声信号采集与噪声分析（高压有激光）3、1 实验的主要目的，在实验一、二的基础上利用实验室现有高压干法水下焊接实验系统，将环境压力引入实验。（考虑穿仓设计。）3、2实验参数设定焊接参数设定同实验一。将60m水深压力范围从常压开始按10m水深一个级差分为7个等级。针对海洋油气管道用管线钢材料（实验暂用16Mn），首先确定在7个等级中不使用激光增强时的短路过渡和喷射过渡电流值；随后使用光纤激光系统，通过光纤分光，实现2路或者3路激光同时工作并均匀作用于金属熔滴之上，并通过调节各分路输出功率和光路系统的光斑尺寸，调整激光功率密度实现焊接电弧和熔滴过渡的稳定。上述工作完成以后，参照实验一、二，将60m水深压力范围从常压开始按10m水深一个级差分为7个等级。分别采集不同环境压力下三种过渡方式的电弧声信号。3、3 电弧声信号分析（压强增加影响声音传播，电弧声采集应受环境压力影响）采集每一种水深条件下的三种熔滴过渡的电弧声的信号，并与实验二的电弧声信号进行比较，研究环境压力变化对电弧声的影响。通过以上三个实验确定激光以及环境压力是否仅通过改变熔滴过渡方式来对电弧声信号的变化起作用，以此确定是否需要开展激光和环境压力对电弧声信号施加影响的单独分析，进而明确电弧声信号与压力环境下水下MIG焊接熔滴过渡状态之间的对应关系。从而提出一种适合水下远程控制自动焊接