激光熔覆信號采集系統(tǒng)開發(fā)

孟祥偉

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

激光熔覆是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù)，其涉及光、機(jī)、電、計算機(jī)、材料、冶金、物理、化學(xué)等多門學(xué)科領(lǐng)域的跨學(xué)科高新技術(shù)，并且也是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，影響其加工結(jié)果的因素眾多，包括加工工藝參數(shù)以及外界自然環(huán)境［1］。主要的影響因素還是熔覆過程中的工藝參數(shù)，但是各工藝參數(shù)與加工質(zhì)量的關(guān)系難以確定，并且各工藝參數(shù)之間也是相互影響、相互制約，并存在耦合關(guān)系，所以通過工藝參數(shù)來保證加工質(zhì)量存在很多缺陷。直接測量激光熔覆過程存在不同方面的難度，所以對直接監(jiān)測熔覆層質(zhì)量造成了困難。激光熔覆研究發(fā)現(xiàn)，在激光熔覆加工過程中有等離子體存在，其發(fā)出的藍(lán)紫光和“噗噗噗”的可聽聲信號，以及反映熔池溫度的紅外輻射信號，直接檢測此三路信號能夠從側(cè)面反映激光熔覆加工質(zhì)量情況。伴隨著計算機(jī)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，對三路信號的監(jiān)測、采集和存儲變得更加容易。通過三路信號的監(jiān)測采集，以及實(shí)時反饋調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)對激光熔覆加工參數(shù)的快速調(diào)整，有利于提高熔覆層表面加工質(zhì)量［1、2］。

1 數(shù)據(jù)采集硬件

激光熔覆加工過程中發(fā)出的藍(lán)紫光的波長范圍為400 nm～440 nm，紅外輻射信號波長范圍為900 nm～1 600 nm，可聽聲的頻率范圍為20 Hz～20kHz。根據(jù)以上信號參數(shù)選擇合適的傳感器。選擇藍(lán)紫光傳感器為HAMAMATSU 公司的Si 光電二極管S1336-44BK，紅外傳感器選用FC 系列探測器，F(xiàn)C 系列探測器由InGaAs PIN 光電二極管和FC 連接器通過透鏡耦合而成，聲音傳感器選擇響應(yīng)頻率為20 Hz～20 kHz 的舒伯爾背極式駐極體電容測量麥克風(fēng)ECM-999［3］。數(shù)據(jù)采集卡選用MPS-010602 信號采集卡，是一款基于USB總線的多功能信號采集卡，具有16 路單端模擬信號采集、4 路模擬信號輸出、8 路數(shù)字信號輸入/輸出、2 路比較器、2 路計數(shù)器和2 路PWM 輸出。

2 數(shù)據(jù)采集軟件

本系統(tǒng)所采用MPS-010602 數(shù)據(jù)采集卡是非NI 采集卡，其不能夠與LabVIEW 實(shí)現(xiàn)無縫連接，所以需要相應(yīng)的驅(qū)動程序來驅(qū)動MPS-010602 采集卡在LabVIEW 軟件開發(fā)平臺下工作。安裝驅(qū)動程序，同時還包括一些庫函數(shù)，例如我們要用到的MPS-010602.dll。為了減小主程序的復(fù)雜程度，通過調(diào)用已有的一些子程序，主要包括驅(qū)動子程序和功能子程序。驅(qū)動子程序主要有設(shè)置參數(shù)子程序(SetPara.VI)和采集電壓子程序(GetVoltage.VI)。功能子程序主要有濾波子程序和平滑濾波子程序。

本系統(tǒng)要采集三路信號，兩路光信號(等離子體藍(lán)紫光信號和熔池紅外輻射信號)和一路可聽聲信號。數(shù)據(jù)采集卡要同時讀取藍(lán)紫光、紅外光信號和可聽聲三個通道的數(shù)據(jù)，然后實(shí)時顯示讀取數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)儲存PC 機(jī)硬盤，以便后續(xù)分析處理。查閱MPS-010602 信號采集卡的主要性能指標(biāo)，選擇4 通道模擬信號采集。數(shù)據(jù)采集的主程序包括采集前的初始化部分和采集主體部分。

初始化部分通過調(diào)用驅(qū)動子程序SetPara.VI來進(jìn)行設(shè)置采集通道、工作頻率和硬件增益倍數(shù)。其中4 通道信號采集選擇的通道為AD1，AD2，AD9，AD10，工作頻率和增益倍數(shù)根據(jù)實(shí)驗實(shí)際要求進(jìn)行選擇，其程序框圖如圖1 所示。

采集程序主體部分通過調(diào)用驅(qū)動子程序Get-Voltage.VI 和功能子程序平滑濾波VI 構(gòu)建采集主體部分，實(shí)現(xiàn)信號電壓的采集并設(shè)定每次采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，還能對采集的信號進(jìn)行平滑濾波。處理點(diǎn)數(shù)可由前面板輸入。GetVoltage.VI 的DI輸出數(shù)組，利用索引數(shù)組和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換連接到數(shù)字端口數(shù)組，前面板可以看到布爾燈提示燈。時間計時器通過多種數(shù)值子VI 計算實(shí)測采樣率，波形圖標(biāo)顯示控件實(shí)時顯示采集數(shù)據(jù)。采集程序主體部分的程序框圖如圖2 所示。

圖1 采集程序初始化部分Figure 1 Initializing part of acquisition program

圖2 采集程序主體部分Figure 2 Main body of acquisition program

3 數(shù)據(jù)的儲存程序的設(shè)計

存儲程序主體使用了結(jié)構(gòu)函數(shù)中的平鋪式順序結(jié)構(gòu)，能夠清楚的顯示數(shù)據(jù)流的傳輸。數(shù)據(jù)進(jìn)入平鋪式順序結(jié)構(gòu)前，先由“文件對話框”函數(shù)確定文件儲存路徑或目錄以及文件自定義類型并將路徑信息傳遞給“TDMS 打開”函數(shù)?！癟DMS 打開”函數(shù)創(chuàng)建新文件，用于讀寫操作.tdms 文件。通過該函數(shù)創(chuàng)建.tdms 文件的同時還創(chuàng)建了.tdms_index 文件。該文件的功能相當(dāng)于C 語言中的指針的功能，便于.tdms 文件的查址、調(diào)用，大大節(jié)省了查址、讀寫操作的耗時，從而提高了文件操作的效率。數(shù)據(jù)儲存完畢后使用“TDMS 關(guān)閉函數(shù)”完成“TDMS 打開”函數(shù)打開或創(chuàng)建的.tdms 文件。在關(guān)閉之前打開的.tdms 文件后，使用“TDMS 文件查看器”函數(shù)顯示“文件對話框”函數(shù)指定路徑或目錄下的.tdms 文件中的數(shù)據(jù)，如圖3、圖4 所示。

平鋪式順序結(jié)構(gòu)共有兩幀。第一幀如圖5 所示，“TDMS 寫入”函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件的同時建立組和通道;組命名為“輸入基體與粉末”，通過前面板控件輸入實(shí)驗所用基體和粉末。選擇4 通道信號采集模式，三路信號通道，一路備用通道，每個通道顯示一路信號數(shù)據(jù)信息。由于TDMS 文件最大只能存儲二維數(shù)據(jù)，所以我們采用兩個“TDMS 寫入函數(shù)”。每個函數(shù)寫入兩路信號數(shù)據(jù)，然后再通過“獲取日期/時間函數(shù)”來記錄實(shí)驗進(jìn)行的時間，直至while 循環(huán)結(jié)束。第二幀如圖6 所示，同樣由于“TDMS 寫入函數(shù)”輸入數(shù)據(jù)維數(shù)的限制，采用三個寫入函數(shù)建立“輸入基體與粉末”通道組。同時建立三個通道分別對激光熔覆參數(shù)進(jìn)行寫入，通道名命名為“激光功率”、“掃描速率”和“送粉速率”。為了能夠展現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存程序的全貌，采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，完整的數(shù)據(jù)儲存程序如圖7 所示。

圖5 平鋪式順序結(jié)構(gòu)第一幀F(xiàn)igure 5 1st frame of flat sequence structure

圖6 平鋪式順序結(jié)構(gòu)第二幀F(xiàn)igure 6 2nd frame of flat sequence structure

圖7 完整數(shù)據(jù)儲存程序Figure 7 Complete data storage procedure

4 結(jié)論

本文主要介紹了激光熔覆信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)儲存程序。數(shù)據(jù)采集程序包括了數(shù)據(jù)采集子程序和主程序，其中主程序通過調(diào)用子程序完成系統(tǒng)的初始化和信號的采集，從而簡化了系統(tǒng)采集程序。數(shù)據(jù)采集程序的功能完成信號數(shù)據(jù)從信號調(diào)理電路通過數(shù)據(jù)采集卡采集被測信號并寫入PC 機(jī)。數(shù)據(jù)儲存程序利用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，分別通過TDMS 文件格式來存儲采集的數(shù)據(jù)，同時寫入激光參數(shù)設(shè)置量以及實(shí)驗采集時間等相關(guān)信息，便于后續(xù)調(diào)用處理，以防數(shù)據(jù)混淆［4～6］。

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