CN111024772B - 激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置，在激励源模块为传感电极提供激励信号所需瞬间启动的大电流时,电源电路的大电流先通过模拟开关IGBT处理，由模拟开关IGBT采用相邻模式任意选择一对相邻传感电极分别作为激励电流的输入端和输出端，然后依次测量除这两个相邻的激励电极外其余所有两两相邻的传感电极间的电压，可获得其余相邻传感电极间的测量值，然后依次类推重复此过程，直到获得所有的独立测量数，完成对传感电极的激励过程；激励施加之后，数据采集模块根据测量顺序对传感电极上的信号进行采集，数据处理模块提供稳定的电压信号，将采集的信号处理后传输数据到计算机，采用LBP算法表征出微电阻图像。

Description

激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及激光熔覆熔池微电阻，尤其涉及激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置。
背景技术
电阻层析成像简称ERT，属于现代工业检测的前沿技术，是国内国际竞相研发的热点技术之一，具有非侵入、无辐射、在线测量等优点，在地质勘探、工业过程与环境监测等方面有着广泛的应用。典型的电阻层析成像系统主要包括激励信号、开关选通、信号采集、信号分析等部分组成。在不同的应用场合，电阻层析成像的硬件构成需要根据测试对象而具体定制。
激光熔覆是一种先进的表面处理技术，其原理是利用激光对合金粉末与基体表面进行辐照使之熔化，并快速凝固后形成冶金结合良好的涂层，以提高基体材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性能。
电阻层析成像技术是通过测量获取工件内部电阻率分布信息，来重建介质分布图像，即实现内部裂纹的成像。电阻率是液态金属非常重要的物理参数之一，金属液固相变时和远高于液相线的高温区段，电阻率会发生突变，液相金属的结构改变会由电阻率的变化灵敏的反映出来，所以电阻层析成像技术在激光熔覆中被广泛应用。但是在测量电阻的过程中，由于激光熔覆熔池处于金属液固属性、导电性强、高温的环境下，在这种环境中使得电阻率变化量更小，更加难以获得实时精确的电阻率变化。激光熔覆熔池微电阻分布一直是激光熔覆技术中的难点，如果能解决这个难点，这对改进激光加工工艺，为后续实时的反应加工过程中熔覆层的裂纹变化，并对相应参数进行实时调整，控制加工质量有着重要的作用。所以，精确的测量激光熔覆过程中熔池实时的电阻阻值和电阻变化率，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出了一种激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置，采用激励电源电路与传感电极阵列进行激励和测量，应用数据采集与处理单元收集处理信息，再将信号输入计算机经图像算法表征出微电阻图像。能够改进激光加工工艺，控制改善加工质量。
本发明的技术方案是：一种激光熔覆熔池微电阻分布成像方法，其特征是在激励源模块为传感电极提供激励信号所需瞬间启动的大电流时,电源电路的大电流先通过模拟开关IGBT处理，由模拟开关IGBT采用相邻模式任意选择一对相邻传感电极分别作为激励电流的输入端和输出端，然后依次测量除这两个相邻的激励电极外其余所有两两相邻的传感电极间的电压，可获得其余相邻传感电极间的测量值，然后依次类推重复此过程，直到获得所有的独立测量数，完成对传感电极的激励过程，保证在0.01S内实现控制电流信号对传感电极激励频率；
激励施加之后，数据采集模块根据测量顺序对传感电极上的信号进行采集，数据处理模块提供稳定的电压信号，将采集的信号处理后传输数据到计算机，采用LBP算法表征出微电阻图像。
一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置,其特征是包括传感电极阵列、激励源模块、数据采集与处理单元、计算机；
其中传感电极阵列在熔池内形成空间敏感场；
其中激励源模块以电流激励、电压测量方式，提供瞬间启动大电流的电源电路作为激励源；
其中数据采集与处理单元包括数据采集模块和数据处理模块。
本发明选用金属铜作为电极材料。
本发明以计算机为载体，选择了LBP算法作为统一的重建图像算法。
本发明能够针对激光熔覆熔池为金属液固属性，导电性强，应用在高温、高能量的激光熔覆环境中微电阻的特点，采用激励电源电路与传感电极阵列进行激励和测量，应用数据采集与处理单元收集处理信息，再将信号输入计算机经图像算法表征出微电阻图像。本发明可进一步应用在激光熔覆工程中，利用微电阻变化率来表征裂纹的演化过程并反演出图像，实时的反应加工过程中激光熔覆熔池中的介质分布图像，并对激光熔覆温度、送粉速度等相应参数进行实时调整后，对改进激光加工工艺，控制改善加工质量有着重要的作用。
附图说明
图1是电源电路图。
图2是传感电极阵列示意图。
图3是数据采集模块示意图。
图4是激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置流程图。
图5是激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置系统原理图。
具体实施方式
如图5所示，一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置,包括传感电极阵列、激励源模块、数据采集与处理单元、计算机；数据采集与处理单元包括数据采集模块和数据处理模块。
具体成像方法如图4所示：
步骤一：
激励源模块以电流激励、电压测量方式，本发明采用一种可提供瞬间启动大电流的电源电路作为激励源，即电流激励、电压测量方式，检测时的激励电流大小是1000A。如图1所示，电源电路包括控制元件K1、储能元件C1、输出元件D1；储能元件C1在待机状态储能，负载接通启动时由储能元件C1和电池共同为传感器提供大电流。
激励源模块提供瞬间启动的大电流作为激励电流,激励电流通过IGBT选择分别输入到需要施加激励电流的传感电极对，将激励电流施加到相应的传感电极对上，保证在0.01S内实现控制电流信号对传感电极激励频率，从而保证在测量过程中熔池的完整性，不破坏工艺品质的前提下，完成对传感电极的激励过程。
所述传感电极阵列，传感电极需要与测量区域直接接触，其作用是施加激励信号到测量区域中，使得电流可以流经被测材料，所测量的传感电极阵列在熔池内形成空间敏感场即测量时建立的电磁场，如图2所示。
步骤二：
而获取数据的切换控制是由模拟开关IGBT实现的。IGBT驱动功率小而饱和压降低，开关速度快，充当模拟开关的作用，非常适合应用于开关电源等领域。在激励源模块为传感电极提供激励信号所需瞬间启动的大电流时,电源电路的大电流先通过IGBT处理，传感电极中的电极数量确定为8个，由IGBT采用相邻模式任意选择一对相邻电极分别作为激励电流的输入端和输出端，然后依次测量除这两个相邻的激励电极外其余所有两两相邻的电极间的电压，可获得其余相邻电极间的测量值，再以下一组分别作为激励电流的输入端和输出端进行测量，以此类推，直到获得所有的独立测量数。根据互易定理,同时避开激励电极,对N个电极的ERT系统,其独立测量数为N(N-3)/2.当N＝8时,独立测量数为20，也就是说相邻模式下，一幅图像须采20个数据。
在保证两次切换之间控制电流信号对传感电极激励频率有一个稳定时间的前提下，将这个时间控制为500μs内,那么采集一幅图像的累计值将达10.00ms内,保证在测量过程中熔池的完整性，不破坏工艺品质，完成对传感电极的激励过程。
步骤三：
由IGBT完成对传感电极激励信号的分配后，电极与熔池直接接触，使得激励电流通过所激励电极输入到测量区域熔池中，所测量的传感电极阵列于熔池内形成空间敏感场。让恒定电流由电极通过熔池内的金属熔体形成闭合回路，当被测场域内微电阻的分布状况发生变化使得物场内电导率的分布也随之改变，导致从场域边界获得的测量电压值也发生改变。如图2所示。
步骤四：
边界电压值的变化包含了场域内微电阻的分布情况，这时被测量的电压信号由数据采集与处理单元接收，数据采集与处理单元包括数据采集模块和数据处理模块；如图3所示，数据采集模块采用ADC芯片ADS1256。该芯片具有24位分辨率，8个数据采集通道，采集速度为30K/S，精度可以达到0.00001，激励施加之后，数据采集模块根据测量顺序对电极上的信号进行测量采集；采集到的信息交由数据处理模块。数据处理模块包括滤波电路和数据放大器；本发明使用滤波电路滤掉干扰信号，提供稳定的电压信号以提升信号质量，然后由数据放大器将稳定的电压信号放大，达到将微小电阻信号放大的目标。下一步再利用数据采集模块控制其寄存器，实现数据收集并输入计算机。
步骤五：
当数据采集与处理单元实现数据收集并输入计算机后，利用LBP算法作为统一的图像重建算法进行处理，LBP算法作为统一的重建图像算法以获得更为客观的对比结果，无需迭代，成像速度快；LBP算法是最简单的图像重建算法，它本质上是一种不完全的逆雷登变换。
图像重建即通过物体外部测量的数据，经数字处理获得三维物体形状信息的技术；根据上述步骤利用图像重建算法对测量的数据进行反演分析，获得熔池中微电阻信息分布图像，完成图像重建。
本发明可进一步应用在激光熔覆工程中，利用微电阻变化率来表征裂纹的演化过程并反演出图像，实时的反应加工过程中激光熔覆熔池中的介质分布图像，并对激光熔覆温度、送粉速度等相应参数进行实时调整后，对改进激光加工工艺，控制改善加工质量有着重要的作用。
上述具体实施方式只是来解释本发明，而不是仅仅局限于该实施方式，对于其他运用该方法的实例都在保护范围之内，例如城市垃圾车装载体积测量、以及测量路面的路面谱、或者凸起部分体积测量等都在本发明精神和权利要求的保护范围之内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置, 其特征是包括传感电极阵列、激励源模块、数据采集与处理单元、计算机；
传感电极阵列在熔池内形成空间敏感场；
激励源模块以电流激励、电压测量方式，提供瞬间启动大电流的电源电路作为激励源；
数据采集与处理单元包括数据采集模块和数据处理模块；
具体的成像方法是：在激励源模块为传感电极提供激励信号所需瞬间启动的大电流时,电源电路的大电流先通过模拟开关IGBT处理，由模拟开关IGBT采用相邻模式任意选择一对相邻传感电极分别作为激励电流的输入端和输出端，然后依次测量除这两个相邻的激励电极外其余所有两两相邻的传感电极间的电压，可获得其余相邻传感电极间的测量值，然后依次类推重复此过程，直到获得所有的独立测量数，完成对传感电极的激励过程，保证在0.01S内实现控制电流信号对传感电极激励频率；
激励施加之后，数据采集模块根据测量顺序对传感电极上的信号进行采集，数据处理模块提供稳定的电压信号，将采集的信号处理后传输数据到计算机，采用LBP算法表征出微电阻图像；
其中采用电流激励、电压测量方式，检测时的激励电流大小是 1000A。
2.如权利要求1所述的一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置，其特征是传感电极中的电极数量为8个。
3.如权利要求1所述的一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置，其特征是一幅图像须采集20个独立测量数。
4.如权利要求1所述的一种激光熔覆熔池微电阻分布成像装置，其特征是将模拟开关IGBT两次切换时间控制为500μs内,采集一幅图像的累计时间为10.00 ms内，保证两次切换之间控制电流信号对传感电极激励频率有一个稳定时间。
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