基于虚拟仪器技术的焊接热循环采集及分析系统

    1、引言

    随着现代化焊接技术的发展，其对焊接质量的要求越来越高。由于焊接热循环对焊接热影响区的组织性能有着重要影响 ，既而对焊接接头的焊接质量产生了一定影响，因此也受到焊接技术人员的重视。如果能准确及时地采集焊接热循环过程数据，并配合焊接 CCT 图进行分析，就可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能，从而能为选择焊接线能量、预热温度和制定焊接工艺提供依据。但是采用传统的指针仪表加示波器已经很难满足焊接过程分析的需求，而采用基于计算机的虚拟仪器技术却可以满足这样的要求。虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可利用软件在微型机屏幕上构成虚拟仪器面板，再有足够的硬件支持下对信号进行采样，在离线条件下，经软件处理得到测量结果 。本文就是采用LabWindows/CVI软件作为开发平台，实时采集焊接热循环数据，并配合焊接 CCT图进行分析。

    2、硬件设计

    本系统的硬件部分由微型计算机、热电偶温度传感器、放大滤波电路、数据采集卡等几部分组成，其系统硬件装置如图 1所示。

图1 测试系统硬件装置图

    在焊接工件的过程中，热电偶采集焊接热影响区的温度信号，将温度信号变为电压信号，供给采集系统 。信号在进入数据采集卡之前，经过硬件部分的放大滤波电路，将电压信号中的干扰信号滤去，将所要求采集的电压信号进行适当倍数的放大。经过数据采集卡，将模拟信号转换为数字信号，即进行 A/D转换，使输入的电压信号能被微机系统识别。

    2.1 热电偶温度传感器

    所谓热电偶传感器是指两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。如图 2 所示。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。固定温度的结点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；待测温度的结点称为测温点（热端）T ，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称为热电极。热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。 

图2 热电偶结构示意图

    在选择温度传感器的时候，测量范围一般是选择时需要考虑的主要因素。常见的热电偶的类型包括铂铑—铂（0～1600℃）、镍铬—镍硅（-200～1300℃）、镍铬—镍铜（-40～750℃）和铁—康铜（0～400℃）等。考虑到在焊接热循环过程中，温度高且变化很大，因此选用镍铬—镍硅电偶作为温度传感器。

    2.2 放大滤波电路

    本系统的放大滤波电路如图 3 所示。电路图中给出了对于 K 型热电偶的信号调理：包括滤波和信号放大两个功能。滤波电路采用的是常规 R、C 低通滤波，由于热电偶是将温度信号转变成电信号的一种热电势传感器，那么热电偶输出的电压信号变化率是跟随着被测温度的变化而变化的，又由于温度变化存在热惯性，即是说温度变化是非常缓慢的，那么所设计的低通滤波器的截止频率为 33Hz。对于热电偶信号的放大，一般情况下，应该采用低温漂的放大器，这样才能够使放大信号达到失真最小，然而，对于工作环境比较稳定、工作时间不长的场合，本电路图采用的 LM741 也是完全可以满足对温度信号的放大要求的，而且741属于高可靠性放大器，所以，用在温度信号调理电路中是完全可以的。对于本调理电路，所调理的温度范围很宽（0～1500℃），对应的输出电压为 0～7.5V。其实，往往 K型热电偶是在温度达到 1300℃基本上就已经达到了极限值。灵敏度为 5mV/℃；放大器增益（放大倍数）为 124.11。要实现这一精确的放大比例，是通过调整电路中的电位器 RP1 或 RP2，然而，电路中的两个调理电路的原理是完全一样的，那么要得到两个放大比例完全相等是不可能的，只有在调整过程中达到很小的误差即可满足要求。

图3 集成运算放大器 LM741 滤波放大电路

    对于电源要求，741要求双电源结构，即正负电源，在一般情况下，可以选择±9V, ±12V或±15V 供电，其实一般情况下，建议用±9V 电源比较合适，这样可以保护输出电压的太高而对数据采集系统的不利。另外在 741的电源输入端可以各并联一只 10uF的瓷片电容器，希望这两只电容器的安装位置靠近 741 的对应引脚，主要是为了防止高频干扰。