CN102680516A - 一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，提供了一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，由热电偶传感器、信号放大与滤波电路、模数转换器、PC机、电源模块连接构成；基于USB总线，具有较高的传输速率，可完全满足采集要求，体积小、具有即插即用、使用方便易携带的优势，适用于各种工况的现场测量；该装置的操作界面简洁美观、易于操作，并能实时显示采集过程动态曲线，采集完毕还可将数据保存为文本文件以便于分析，结果准确，工作效率与可靠性较高，扩展性和移植性佳，数据采集与处理自动化程度高；记录结果准确，操作简单，界面友好，使用携带方便，能够很好地得到焊热循环曲线，具有较强的推广与应用价值。

Description

一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置。

背景技术

高能束流复合焊具有能量密度大和焊接速度快等特点，加之铝合金传热速度快，使得零件成形精度受到极大影响，准确测定瞬态温度场是控制变形的前提与基础。

目前开发的焊接热循环测试技术多针对热扩散系数小金属材料的慢速TIG、MIG焊工艺，而且测试硬件与软件系统分离，不能很好地集成一体，给数据的实时动态采集、显示和后处理造成了困难，难以形成商品化产品。

发明内容

本发明提供了一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，旨在解决目前开发的焊接热循环测试技术多针对热扩散系数小金属材料的慢速TIG、MIG焊工艺，而且测试硬件与软件系统分离，不能很好地集成一体，给数据的实时动态采集、显示和后处理造成了困难，难以形成商品化产品的问题。

本发明的目的在于提供一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，所述装置包括：

热电偶传感器，安装在被测试工件上，用于将工件的温度变化信号转换为模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行输出；

信号放大与滤波电路，与所述热电偶传感器相连接，用于接收所述热电偶传感器输出的模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行放大与滤波处理，并对放大与滤波处理后的模拟电压信号进行输出；

模数转换器，与所述信号放大与滤波电路相连接，用于接收所述信号放大与滤波电路输出的模拟电压信号，将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行输出；

PC机，与所述模数转换器相连接，用于接收所述模数转换器输出的数字电压信号，并通过对所述数字电压信号的分析与处理测定工件焊接过程中的热循环曲线；

电源模块，与所述信号放大与滤波电路及PC机相连接，用于为所述信号放大与滤波电路及PC机提供电能供应。

进一步，所述热电偶传感器的工作端固定在工件上，所述热电偶传感器的冷端与所述信号放大与滤波电路相连接；

所述热电偶传感器在被测试工件上的安装方式为：在所述工件上钻孔，然后将热电偶传感器的工作端放入到小孔中，并用同质铝材填充实；所述热电偶传感器还可以适用于点焊固定热电偶。

进一步，所述热电偶传感器采用K型NiCr-NiSi热电偶，所述K型NiCr-NiSi热电偶的测温范围为0～1200℃。

进一步，所述模数转换器通过USB接口与所述PC机相连接。

进一步，所述信号放大与滤波电路采用型号为K-803B的8路热电偶调理板，所述型号为K-803B的8路热电偶调理板上设置有7路小信号调理电路、1路冷端补偿电路或1路小信号调理电路可选；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。

进一步，所述每路小信号调理电路均采用差动输入方式，默认放大倍数为100倍；冷端补偿电路采用AD590测量环境温度，所述AD590为随温度变化的恒流源，每上升1℃，电流增加1μA。

进一步，所述模数转换器安装在型号为USB2010的数据采集卡上，所述数据采集卡上设置有32路单端或16路双端的模拟输入通道、16路开关量输入通道、16路开关量通道、三组定时/计数器。

进一步，所述模数转换器的输入信号范围为：±5V、±10V、0～10V。

进一步，所述用于高能束流复合焊接热循环测试的装置还与主控制系统相连接；

所述主控制系统包括：采样通道选定模块、采集频率设置模块、采集函数启动模块、信号数据存储模块、热循环曲线生成模块；

所述采样通道选定模块及采集频率设置模块分别与所述采集函数启动模块相连接，所述采集函数启动模块分别与所述信号数据存储模块及热循环曲线生成模块相连接。

进一步，所述主控制系统将采集函数启动模块采集的信号数据、采样通道选定模块设置的通道数及采集频率设置模块设定的采样频率存储在后缀为.dat的数据文件中，所述后缀为.dat的数据文件可直接读取并生成曲线；也可以文本的形式打开，获取采集的信号数据。

本发明提供的用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，基于USB总线，具有较高的传输速率，可完全满足采集要求，体积小、具有即插即用、使用方便易携带的优势，适用于各种工况的现场测量；该装置的操作界面简洁美观、易于操作，并能实时显示采集过程动态曲线，采集完毕还可将数据保存为文本文件以便于分析，结果准确，工作效率与可靠性较高，扩展性和移植性佳，数据采集与处理自动化程度高；K803-B型热电偶信号调理板采用差动方式输入信号，加上高性能有源滤波，使得系统较强的抗干扰能力，且调理板价格便宜，配合廉价的K型热电偶传感器使用，降低了测试成本；记录结果准确，操作简单，界面友好，使用携带方便，能够很好地得到焊热循环曲线，可用于其它金属材料的焊接热过程记录，或者运用于铸造凝固温度的实时检测，应用广泛，成本低廉，在热加工过程的实时监控上有着良好的应用前景，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于高能束流复合焊接热循环测试的装置的结构框图；

图2是本发明实施例提供的主控系统的结构框图；

图3是本发明实施例提供的铝合金5052-H34的TIG焊热循环曲线示意图。

图中：11、热电偶传感器；12、信号放大与滤波电路；13、模数转换器；14、PC机；15、电源模块；21、采样通道选定模块；22、采集频率设置模块；23、采集函数启动模块；24、信号数据存储模块；25、热循环曲线生成模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的用于高能束流复合焊接热循环测试的装置的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该装置包括：

热电偶传感器11，安装在被测试工件上，用于将工件的温度变化信号转换为模拟电压信号，并对模拟电压信号进行输出；

信号放大与滤波电路12，与热电偶传感器11相连接，用于接收热电偶传感器11输出的模拟电压信号，对模拟电压信号进行放大与滤波处理，并对放大与滤波处理后的模拟电压信号进行输出；

模数转换器13，与信号放大与滤波电路12相连接，用于接收信号放大与滤波电路12输出的模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并对数字电压信号进行输出；

PC机14，与模数转换器13相连接，用于接收模数转换器13输出的数字电压信号，并通过对数字电压信号的分析与处理测定工件焊接过程中的热循环曲线；

电源模块15，与信号放大与滤波电路12及PC机14相连接，用于为信号放大与滤波电路12及PC机14提供电能供应。

在本发明实施例中，热电偶传感器11的工作端固定在工件上，热电偶传感器11的冷端与信号放大与滤波电路12相连接；

热电偶传感器11在被测试工件上的安装方式为：在所述工件上钻孔，然后将热电偶传感器的工作端放入到小孔中，并用同质铝材填充实；所述热电偶传感器还可以适用于点焊固定热电偶。

在本发明实施例中，热电偶传感器11采用K型NiCr-NiSi热电偶，K型NiCr-NiSi热电偶的测温范围为0～1200℃。

在本发明实施例中，模数转换器13通过USB接口与PC机14相连接。

在本发明实施例中，信号放大与滤波电路12采用型号为K-803B的8路热电偶调理板，型号为K-803B的8路热电偶调理板上设置有7路小信号调理电路、1路冷端补偿电路或1路小信号调理电路可选；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。

在本发明实施例中，每路小信号调理电路均采用差动输入方式，默认放大倍数为100倍；冷端补偿电路采用AD590测量环境温度，AD590为随温度变化的恒流源，每上升1℃，电流增加1μA。

在本发明实施例中，模数转换器13安装在型号为USB2010的数据采集卡上，数据采集卡上设置有32路单端或16路双端的模拟输入通道、16路开关量输入通道、16路开关量通道、三组定时/计数器。

在本发明实施例中，模数转换器13的输入信号范围为：±5V、±10V、0～10V。

在本发明实施例中，该用于高能束流复合焊接热循环测试的装置还与主控制系统相连接；

主控制系统包括：采样通道选定模块21、采集频率设置模块22、采集函数启动模块23、信号数据存储模块24、热循环曲线生成模块25；

采样通道选定模块21及采集频率设置模块22分别与采集函数启动模块23相连接，采集函数启动模块23分别与信号数据存储模块24及热循环曲线生成模块25相连接。

在本发明实施例中，主控制系统将采集函数启动模块23采集的信号数据、采样通道选定模块21设置的通道数及采集频率设置模块22设定的采样频率存储在后缀为.dat的数据文件中，后缀为.dat的数据文件可直接读取并生成曲线；也可以文本的形式打开，获取采集的信号数据。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，该装置主要由热电偶传感器11、信号放大与滤波电路12、模数转换器13、PC机14及电源模块15连接构成；在对工件的测试过程中，热电偶传感器11的工作端被固定在工件上，冷端接入信号放大与滤波电路12，当被测工件受热时，工作端由于受热使得温度高于冷端，从而产生了微弱的电势差；该模拟电压信号通过信号放大与滤波电路12的放大与滤波处理后，获得大小合适易于处理的模拟电压信号；将此模拟电压信号接入数据采集卡，完成模数转换，得到离散的数字信号；模数转换器13再通过USB接口传入PC机14，在PC机14上完成电压信号向温度信号的转换并保存。

信号放大与滤波电路12选用型号为K-803B的8路热电偶调理板，该热电偶调理板上设置有7路小信号调理电路、1路冷端补偿电路或1路小信号调理电路可选，每路小信号调理电路的默认放大倍数为100倍，非常适用于工业现场热电偶测温系统的信号处理；该热电偶调理板上的8路信号调理电路相互独立，均采用差动输入方式，加上高性能有源滤波器，具有较高的精度和稳定性；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。冷端补偿电路采用AD590测量环境温度，AD590为随温度变化的恒流源，每上升1℃，电流增加1μA，将回路串入精密电阻，可得到相应的电压变化，再加上适当的电压补偿和放大后，即可得到对应环境温度的电压值，一般情况下0～5V对应0～50℃；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。

数据采集卡选用USB2010板，USB2010板上设计有12Bit分辨率的A/D转换器，提供了32路单端或16路双端的模拟输入通道，A/D转换器输入信号范围：±5V、±10V、0～10V；还为用户提供了三组定时/计数器，16路开关量输入，16路开关量输出。USB总线支持USB2.0Full-Speed协议，实现即插即用。该装置的设置过程如下：

调零：以一个通道为例，首先将型号为K-803B的8路热电偶调理板的输入端短接，即0V输入，万用表测量输出电压，调节调零旋钮，使万用表示数为0，其余各通道类推；对于USB2010板，同样将某物理通道短接，利用高级演示程序，选定好量程、接地方式，与对应的通道后，调节板上调零旋钮，直至所有显示的读数均为0，该装置选用USB2010板±10V量程，接地方式单端。

调满度：对于型号为K-803B的8路热电偶调理板，首先对某通道输入50mV电压信号，然后调节满度旋钮，使输出为4V，则型号为K-803B的8路热电偶调理板放大倍数为80倍，除了第8路放大倍数为默认100倍，其余通道均为80倍；对于USB2010板的满度调节，需要借助于高级演示程序，首先设置±10V量程，接地方式单端，然后任选一通道，比如CH1，将其接入9995.11mV电压，调节满度电位器使所有显示的读数为9995.11mV，这样即完成满度调节。完成后，在采集板NC位置焊装49.9kΩ电阻，使采集卡放大倍数为2倍，这样系统放大倍数一共为160倍。

温度补偿调节：在型号为K-803B的8路热电偶调理板的第8路完成零度和满度调节后，将型号为K-803B的8路热电偶调理板置于一个稳定的环境温度下，精确测得该环境温度，设置跳线器使第8路处于温度补偿状态，调整温度补偿旋钮使得输出电压对应该温度即可，如25℃的环境温度，可使输出为2.5V；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。

与该装置配套使用的主控系统主要完成实时采集的控制过程，即选定采样通道、设置采集频率、启动采集函数不断读入信号数据并实时显示；该系统将采集的数据连同通道数、采样频率一并存在后缀为.dat的数据文件，该文件可直接在主控系统中读入并生成曲线；也可以文本的形式打开，获取采集数据。

该主控系统的开发环境为MS Visual C++6.0，借助于MFC库，以C++语言高度的灵活性与面向对象特性，完成数据采集系统的可视化设计，界面简明美观，风格友好且易于操作。

该主控系统采用单文档-视图结构，视图区分割为上下两块，上部分滚动视图用于实时曲线的显示，下部分表单视图用于采集控制，主要分为两个模块，实时采集部分有温度补偿、采样频率的设置、通道的选择，历史数据部分可将已采集的数据文件打开并重新线性绘制，得到清晰美观的曲线。

程序利用数据采集卡自带的采集函数作为采集循环的主体，采用了Windows双线程技术，将数据不断在绘制线程中更新，从而完成温度曲线的实时显示；程序通过直接调用API函数获得计算机主频，计算采样周期，从而保证从软件层最大限度的精确设置采样时间。

单批次采集函数声明如下：BOOL ReadDeviceAD(HANDLE hDevice，PSHORT pADBuffer，ULONG nReadSizeWords)

参数hDevice为设备对象句柄，pADBuffer是用户数据缓冲区地址，接收从设备上采集的LSB原码数据，nReadSizeWords是指定读取长度，对于USB设备，其值应为256的整数倍，对于多通道采集，也应是通道数的整数倍。假如通道数为4，单批次采集的数据在缓冲区如下排列：

四通道采集(CH0-CH3)

数据缓冲区索引号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	…
															通道号	0	1	2	3	0	1	2	3	0	1	2	3	0	…

延迟函数主要使采集每次循环中断一段时间，USB2010数据采集卡不提供精确的硬件分频功能；用户一开始设置采样间隔，循环便按该间隔中断，以此从软件层改变采样速率。函数声明如下：void TimeDelay(DWORD dt)；dt便为用户设置的采样间隔，单位为毫秒，在该函数中调用API函数：QueryPerformanceFrequency()来获取计算机主频，精确计算时间；尽管如此，系统采样频率仍依赖与计算机性能与采集卡A/D转换速率。

测试仪重量轻、体积小，便于携带安装，测试时只需接通电源，然后通过数据线连入普通PC机14即可，非常适用于任意工业现场的测量。系统试测采用铝合金TIG焊，焊接电流100A，采样频率55Hz，以任意速度焊接，所测4通道热作用曲线如图3所示。

该装置测试采用NiCr-NiSi热电偶丝，在食盐水完成热电偶丝的焊接，并将测点固定在被焊工件正面的指定位置；具体方法是在工件上钻孔，然后将热电偶传感器的工作端放入到小孔中，并用同质铝材填充实；所述热电偶传感器还可以适用于点焊固定热电偶。采用三组施焊板，被焊铝合金牌号5052和6061，激光功率3.5kW，焊接电流140A，系统采集频率119Hz，焊接速度分别2m/min，1.8m/min，1.0m/min。

图3为5052试板的热循环曲线图。可见，由于激光-电弧复合焊的激光能量高且热源高度集中，加之焊接速度快，且铝合金导热性非常好，所以，热影响区及其附近母材在焊接过程中温度变化非常剧烈。表现在热循环曲线高温停留时间极短(10s左右)，且沿焊缝垂直方向温度梯度大，等间距布置的采样点所得的峰值温度差，越靠近焊缝越大。

不考虑基准万用表的误差，假设USB2010输出的数据偏离一个LSB，根据±10V量程，一个LSB电压值为4.88mV，再缩小160倍，值为0.0305mV，在热电偶分度表上可知误差约为1℃。

该装置采用K型NiCr-NiSi热电偶，其中热电偶丝有磁性的一根接负极，无磁性的另一根接正极；该装置最多只能连续使用4个通道，初次打开前先将系统预热10分钟，然后设置为第8通道进行温度补偿，最后才可采集；一次采集完毕后，首先截取图像，然后另存数据，这样可保存完整的数据；电路板正面的IC芯片不要用手去摸，防止芯片受到静电的危害；万不得已时，请先将手触摸一下主机机箱(确保主机电源三线插头中的地线与大地相接)，以提前放掉身体的静电；用户务必注意电源的开关顺序，使用时要求先插上USB采集卡，后开信号源的电源；先关信号源的电源，后拔USB采集卡；该装置工作温度为0～50℃，贮存温度为-20～70℃。

本发明实施例提供的用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，基于USB总线，具有较高的传输速率，可完全满足采集要求，体积小、具有即插即用、使用方便易携带的优势，适用于各种工况的现场测量；该装置的操作界面简洁美观、易于操作，并能实时显示采集过程动态曲线，采集完毕还可将数据保存为文本文件以便于分析，结果准确，作效率与可靠性高，扩展性和移植性佳，数据采集与处理自动化程度高；采用型号为K803-B的热电偶信号调理板，采用差动方式输入信号，加上高性能有源滤波，使得系统较强的抗干扰能力，且调理板价格便宜，配合廉价的K型热电偶传感器11使用，降低了测试成本；记录结果准确，操作简单，界面友好，使用携带方便，能够很好地得到焊热循环曲线，当然更可以用于其它金属材料的焊接热过程记录，或者运用于铸造凝固温度的实时检测等等，应用广泛，成本低廉，在热加工过程的实时监控上有着良好的应用前景，具有较强的推广与应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高能束流复合焊接热循环测试的装置，其特征在于，所述装置包括：

热电偶传感器，安装在被测试工件上，用于将工件的温度变化信号转换为模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行输出；

信号放大与滤波电路，与所述热电偶传感器相连接，用于接收所述热电偶传感器输出的模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行放大与滤波处理，并对放大与滤波处理后的模拟电压信号进行输出；

模数转换器，与所述信号放大与滤波电路相连接，用于接收所述信号放大与滤波电路输出的模拟电压信号，将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行输出；

PC机，与所述模数转换器相连接，用于接收所述模数转换器输出的数字电压信号，并通过对所述数字电压信号的分析与处理测定工件焊接过程中的热循环曲线；

电源模块，与所述信号放大与滤波电路及PC机相连接，用于为所述信号放大与滤波电路及PC机提供电能供应。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热电偶传感器的工作端固定在工件上，所述热电偶传感器的冷端与所述信号放大与滤波电路相连接；

所述热电偶传感器在被测试工件上的安装方式为：在所述工件上钻孔，然后将热电偶传感器的工作端放入到小孔中，并用同质铝材填充实；所述热电偶传感器还可以适用于点焊固定热电偶。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热电偶传感器采用K型NiCr-NiSi热电偶，所述K型NiCr-NiSi热电偶的测温范围为0～1200℃。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换器通过USB接口与所述PC机相连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号放大与滤波电路采用型号为K-803B的8路热电偶调理板，所述型号为K-803B的8路热电偶调理板上设置有7路小信号调理电路、1路冷端补偿电路或1路小信号调理电路可选；所述热电偶可扩展至任意型号的具有较高线性度的热电偶。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述每路小信号调理电路均采用差动输入方式，默认放大倍数为100倍；冷端补偿电路采用AD590测量环境温度，所述AD590为随温度变化的恒流源，每上升1℃，电流增加1μA。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换器安装在型号为USB2010的数据采集卡上，所述数据采集卡上设置有32路单端或16路双端的模拟输入通道、16路开关量输入通道、16路开关量通道、三组定时/计数器。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模数转换器的输入信号范围为：±5V、±10V、0～10V。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于高能束流复合焊接热循环测试的装置还与主控制系统相连接；

所述主控制系统进一步包括：采样通道选定模块、采集频率设置模块、采集函数启动模块、信号数据存储模块、热循环曲线生成模块；

所述采样通道选定模块及采集频率设置模块分别与所述采集函数启动模块相连接，所述采集函数启动模块分别与所述信号数据存储模块及热循环曲线生成模块相连接。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述主控制系统将采集函数启动模块采集的信号数据、采样通道选定模块设置的通道数及采集频率设置模块设定的采样频率存储在后缀为.dat的数据文件中，所述后缀为.dat的数据文件可直接读取并生成曲线；也可以文本的形式打开，获取采集的信号数据。

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