CN202576563U - 基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，该系统包含信号采集装置，电路连接该信号采集装置输出端的信号调理模块，电路连接该信号调理模块输出端的嵌入式无线智能终端，通过无线连接该嵌入式无线智能终端输出端的数据处理终端；嵌入式无线智能终端与数据处理终端之间采用紫蜂无线传感网络进行无线连接。本实用新型利用紫蜂无线传感技术，结合多传感器信息融合技术，对高功率CO₂激光熔覆过程进行实时监测，利用多传感器信息融合技术建立熔覆缺陷数据库，并将其集成到计算机数控系统中，计算机数控系统实行反馈控制，最终实现对熔覆过程的实时闭环控制。

Description

基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于短距离无线传感技术的激光熔覆监测系统，具体涉及一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统。

背景技术

目前，磨损和腐蚀是机械构件的主要破坏形式，所导致的经济损失十分惊人，因此，采用表面防护措施延缓、控制以及修复表面的破坏成为解决上述问题的有效方法。激光熔覆技术是激光表面改性技术中发展最为迅速，最具有广泛应用前景的技术之一，具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形较小、过程易于实现自动化控制等优点。激光熔覆技术应用于表面处理，可极大地提高零件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，还可用于废品件的修复，大量节约加工成本，延长使用寿命。激光熔覆技术在航空、军事、石油、化工、医疗器械等方面有较广泛的应用。

激光熔覆技术虽然具有其他表面改性技术所没有的优势，但是因为熔覆过程复杂，与熔覆层质量有关的参数非常多，常常在一定范围内波动且相互影响，没有绝对的定量界限，处于模糊的状态，熔覆层质量往往不能达到人们所期待的使用要求。因此，为了保证熔覆层的质量并充分发挥激光熔覆技术的优势，加快其实用化进程，必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在熔覆工艺允许的范围内。

在激光熔覆过程中会产生各种声、光、电以及温度信号，这些信号都与熔覆过程有一定的关系，并且都能从不同方面反映熔覆过程的本质，其中光致等离子体和熔池是与熔覆过程有直接关系的两种物理现象。光致等离子体对入射激光产生吸收、散射和折射作用，不仅使激光能量受到极大的损失，而且可能会造成潜在的熔覆缺陷。因而利用光致等离子体的光、声、电特性可以监测激光熔覆过程的稳定性和缺陷的产生。熔池的形貌和表面积直接决定未来熔覆层的形貌和表面粗糙度，因此其温度和红外光辐射也是非常重要的监测参量。

在激光熔覆过程中，能够反应熔覆过程稳定与否及质量的优劣、并被用作被检测的物理参量主要有等离子体特征信号和熔池信号：

1、可听声信号（AS，Audible Sound），金属蒸汽或等离子体喷射出来时的压力波将产生出一种特定频段可听的声音，使用麦克风测量熔覆过程中的声音信号，对信号进行快速傅立叶变换，对频谱的分布特点进行研究。其优点是信号拾取容易，对焊接头和外光路不会造成负担或不良影响，并且对传感器装夹的方向、距离等不敏感。

2、等离子体蓝紫光信号，伴随着等离子体的产生会有强烈的蓝紫光辐射，检测和分析蓝紫光辐射是了解等离子体状态的重要手段。激光焊接研究表明，一定波长的等离子体光辐射强度与被熔物质蒸发量、等离子体温度和长度等有关，对它的监测是焊接质量监测的重要手段。因此，借鉴激光焊接质量控制中对蓝紫光辐射的检测与分析，在激光熔覆过程中，对蓝紫光进行监测和分析，寻找蓝紫光与激光熔覆质量的关系。

3、等离子体电信号，宏观呈电中性的等离子体中存在大量带负电的自由电子和带正电的离子，这些带正电的粒子和带负电的自由电子在蒸汽压力作用下，从工件表面向熔覆头方向运动。由于自由电子质量小，其运动速度大大高于带正电粒子的运动速度，因而，在等离子体内部，局部的电平衡会被打破，形成相对于激光入射点，沿激光入射轴线方向的电位差。通过测量工件与熔覆喷嘴之间的电位差，可以判断等离子体强度或电子密度。而且大量自由电子的存在是区分等离子体和普通蒸气的明显标志，因此电信号是等离子体的最本质表现。

4、熔池温度和红外辐射信号，激光熔覆过程必然会将基体材料和熔覆粉末加热到熔点以上，因此熔池的形成是必然的。温度和红外辐射信号的强度取决于熔池的温度分布和表面积，而熔池温度分布和表面积又决定着未来熔覆层形貌和质量。因此，熔池温度和红外辐射信号是与熔覆层质量直接相关的两路信号，对它们的监测必然会对熔覆层质量的控制起到非常重要的作用。

上述信号都能够从不同的侧面反映激光熔覆过程和质量。

激光熔覆技术往往会在比较恶劣的环境下进行，监测设备的安装和抗干扰就会成为很大问题，传输电缆越长干扰信号也会越多越强烈，而且如果生产线上有多台激光熔覆设备需要实时监测，信号传输电缆的布置也会比较麻烦，所以在信号传送方式上可以利用无线传感器网络技术进行无线传输。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种特殊的Ad-hoc网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线通讯、数据采集和协同合作能力，解决了传统的有线数据传输方式布线困难、电源不易供给的不足。无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，具有十分广阔的应用前景。

根据实际应用需要，无线传感器网络的网络协议必须具有以下特点：用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行；利用广播信息，避免交互应答；简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系统开销等。

基于以上需求，紫蜂（ZigBee）协议应运而生，ZigBee在中国被译为“紫蜂”。它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线技术。

紫蜂（ZigBee）无线传感网络技术是基于IEEE802.15.4标准，由ZigBee联盟开发的关于组网、安全和应用软件的无线技术标准，确定了可在不同制造商之间共享的应用纲要，是无线传感网络的关键技术之一。IEEE802.15.4是由IEEE确定的低速率、无线局域网标准，该标准定义了物理层（PHY）和介质访问层（MAC），并定义了应用接口。仅有物理层和介质访问层还不足以保证不同设备之间的对话，于是产生了ZigBee协议。ZigBee协议标准满足国际标准组织（ISO）和开放系统互连参考模型（OSI），包括由IEEE制定的物理层和介质访问层，以及由ZigBee联盟制定的网络层、安全层和应用层。这样，在符合该标准的情况下不同厂商制造的设备就可以实现相互间的通信。

紫蜂（ZigBee）这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

紫蜂（ZigBee）协议能最大可能的节省网络中能量，可以随时接入大量节点，高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感网络的首选协议，并逐步应用于压力、温度变送器、数据采集器等工业设计中。

因此，本实用新型利用紫蜂（ZigBee）无线传感技术，结合多传感器信息融合技术，对高功率CO₂激光熔覆过程进行实时监测和控制方法进行研究，采集熔覆过程中多种特征信号，利用多传感器信息融合技术建立熔覆缺陷数据库，并将其集成到计算机数控（CNC）控制系统中，最终实现对熔覆过程的实时闭环控制。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，利用紫蜂无线传感技术，结合多传感器信息融合提出一种激光熔覆实时监测系统，以实时监测和控制激光熔覆过程中的各工艺参数。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特点是，该系统包含信号采集装置，电路连接该信号采集装置输出端的信号调理模块，电路连接该信号调理模块输出端的嵌入式无线智能终端，通过无线连接该嵌入式无线智能终端输出端的数据处理终端；

上述嵌入式无线智能终端与数据处理终端之间采用紫蜂无线传感网络进行无线连接。

上述的信号采集装置包含分别与信号调理模块输入端电路连接的声音信号采集装置、光信号采集装置、电位差信号采集装置、温度采集装置。

上述的信号调理模块包含：

声音信号调理电路，其电路连接声音信号采集装置的输出端；

紫外与可见光信号调理电路，其电路连接光信号采集装置的输出端；

电位差信号调理电路，其电路连接电位差信号采集装置的输出端；以及，

温度信号调理电路，其电路连接温度采集装置的输出端。

上述的声音信号调理电路、紫外与可见光信号调理电路、电位差信号调理电路、温度信号调理电路都包含信号前置放大电路、电路连接该信号前置放大电路输出端的信号二次放大电路、电路连接该信号二次放大电路输出端的信号滤波电路。

上述的嵌入式无线智能终端包含单片机、该单片机的外围电路，以及与该单片机电路连接的紫蜂无线模块。

上述的紫蜂无线传感网络组成网状或星型或树状的拓扑结构。

上述的数据处理终端电路连接外接的激光熔覆装置的反馈控制器。

信号采集装置实时监测激光熔覆过程中反应工作状态的各种光、声、电、温度信号，并分别传输至其各自所对应的信号调理模块，信号调理模块把微弱的传感器信号放大到合适采集的程度，并通过滤波去除前端干扰和噪音后，通过嵌入式无线智能终端和紫蜂无线传感网络将信号传输至数据处理终端，数据处理终端提取特征信息，利用多传感器信息融合技术，用建立的熔覆缺陷数据库和实时采集的信号为依据，通过激光熔覆装置的反馈控制器对熔覆过程加以实时控制，使熔覆过程在规定的条件下稳定运行。

本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统和现有技术的激光熔覆实时监测系统相比，其优点在于，本实用新型设有声音信号调理电路、紫外与可见光信号调理电路、电位差信号调理电路和温度信号调理电路分别检测可听声信号、等离子体蓝紫光信号、等离子体电信号、熔池温度和红外辐射信号，全面检测激光熔覆过程和质量；

本实用新型采用紫蜂无线传感网络实现检测信息与控制系统之间的无线连接，使信息传输可以随时接入大量节点，高容错性，强鲁棒性，利用紫蜂无线传感技术，结合多传感器信息融合技术，对高功率CO₂激光熔覆过程进行实时监测和控制方法进行研究，采集熔覆过程中多种特征信号，利用多传感器信息融合技术建立熔覆缺陷数据库，并将其集成到计算机数控系统中，计算机数控系统实行反馈控制，最终实现对熔覆过程的实时闭环控制。

附图说明

图1为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统中光信号采集的原理图；

图3为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的嵌入式无线智能终端的电路框图；

图4为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的嵌入式无线智能终端的工作流程图；

图5为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的采用紫蜂无线传感网络的结构示意图；

图6为本实用新型基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的闭环控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本实用新型的具体实施例。

如图1所示，本实用新型公开了一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，该系统包含信号采集装置1，通过双绞线电路连接该信号采集装置1输出端的信号调理模块2，电路连接该信号调理模块2输出端的嵌入式无线智能终端3，通过无线连接该嵌入式无线智能终端3输出端的数据处理终端5。其中，嵌入式无线智能终端3与数据处理终端5之间采用紫蜂无线传感网络4进行无线连接。

在进行激光熔覆工艺时，CO₂激光器发射激光进入光路主镜筒，在光路主镜筒中，激光经过反射镜、透镜后，通过喷嘴发射到工件上，对工件进行熔覆工艺。

信号采集装置1则设置在激光入射工件处的一旁，通过其若干传感器，并结合一些辐射设备（如滤波片、反射分光镜、透射分光镜等，实时检测激光熔覆过程中反应工作状态的各种光、声、电、温度信号，信号采集装置1包含分别与信号调理模块2输入端电路连接的声音信号采集装置、光信号采集装置、电位差信号采集装置、温度采集装置。

声音信号采集装置采用响应频率为20~20kHz的驻极体传声器，用以采集熔覆过程中的等离子体声音信号；

光信号采集装置用于结合合适的滤光片采集400~440nm和900~1600nm的等离子体光信号和熔池的红外辐射信号；

电位差信号采集装置包含两个分别安装在工件和熔覆喷嘴上的电位传感器，其用于采集等离子体电信号；

温度采集装置选择合适的温度传感器，确定合适的采集距离，用于采集激光熔覆过程中熔池的温度。

信号调理模块2包含：与声音信号采集装置的输出端电路连接的声音信号调理电路，与光信号采集装置的输出端电路连接的紫外与可见光信号调理电路，与电位差信号采集装置的输出端电路连接的电位差信号调理电路，以及与温度采集装置的输出端电路连接的温度信号调理电路。

如图2所示，以光信号采集原理为例。基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系的光信号采集装置包含有若干光信号传感器，信号调理模块2的紫外与可见光信号调理电路中包含信号前置放大电路、电路连接所述信号前置放大电路输出端的信号二次放大电路、电路连接所述信号二次放大电路输出端的信号滤波电路。若干光信号传感器的输出端分别电路连接紫外与可见光信号调理电路的信号前置放大电路的输入端。信号滤波电路的输出端电路连接嵌入式无线智能终端3的输入端。

本实用新型中信号调理模块2的声音信号调理电路、紫外与可见光信号调理电路、电位差信号调理电路、温度信号调理电路都包含信号前置放大电路、电路连接所述信号前置放大电路输出端的信号二次放大电路、电路连接信号二次放大电路输出端的信号滤波电路。各调理电路的前置放大电路的输入端分别电路连接各自对应的采集装置的输出端。各调理电路的信号滤波电路都电路连接嵌入式无线智能终端3的输入端。

信号调理模块2主要起两方面的作用，一是把微弱的传感器信号放大到合适采集的程度，二是通过滤波去除前端干扰和噪音。其用于对采集的信号在传输过程中实时优化，最终采集合适的、准确的数据。因为熔覆过程复杂，信号波动范围大，所以本实施例中，对于该非常微弱的信号采用到信号二次放大电路，信号二次放大电路最好采用增益选择范围能够实时控制的程控增益放大器。

如图3所示，嵌入式无线智能终端3用于收集采集装置中的数据并无线发送，其包含单片机、该单片机的外围电路，以及与该单片机电路连接的紫蜂无线模块。单片机采用ATMEGA128单片机，紫蜂（ZigBee）无线模块采用型号为CC2530的无线芯片。ATMEGA128单片机编程的开发环境是AVR Studio或者ICCAVR，下载器是PROGISP，编程语言是C语言。外围电路包含有时钟模块、电源模块、串口、键盘和SPI接口。ATMEGA128单片机通过SPI接口连接CC2530芯片。CC2530芯片内嵌加强型8051单片机和无线发射模块，同时CC2530芯片支持ZigBee协议栈（Z-stack），协议栈是由TI公司开发的，用户可以在它的基础上开发自己的应用。利用CC2530无线芯片可将ATMEGA128收集到的数据通过紫蜂无线技术发送出去。

如图4所示，为嵌入式无线智能终端3的工作流程，其包含以下步骤：

步骤1、程序运行，首先进行初始化，包括IO口初始化，AD转换相关寄存器的初始化，时钟初始化等。

步骤2、通过ATMEGA128单片机自带的AD转换模块进行模数转换。

步骤3、判断是否AD转换完成，若是，则跳转到步骤4，若否，跳转到步骤2。

步骤4、采集到的信号数据通过SPI接口交与ZigBee节点，由ZigBee无线发送出去。

步骤5、发送完成后，跳转到步骤2继续进行AD转换，程序如此循环运行。

如图5所示，紫蜂（ZigBee）无线传感网络4由ZigBee节点组成，ZigBee节点可以分为全功能节点、半功能节点。ZigBee定义了三种网络类型：网络协调器、路由节点、终端节点。网络协调器用于组建网络，路由节点和终端节点就可以加入到网络中，该网络协调器通过RS232连接数据处理终端5。终端节点一般用于采集数据，不具备路由功能。路由节点用于转发终端节点采集到的数据，具备路由功能。利用ZigBee可以组成星型、树状、网状三种拓扑结构，在本实用新型中，紫蜂无线传感网络4利用ZigBee节点组成网状网络通过一跳或多跳，接力的方式来传输终端节点采集到的数据，将数据发送到协调器，协调器通过RS232将数据发送到数据处理终端5，保准数据传输的可靠性、稳定性。

数据处理终端5电路连接外接的激光熔覆装置的反馈控制器。该数据处理终端5包含有计算机数控（CNC）系统、LabVIEW智能处理软件为主体的数据处理模块，以及熔覆缺陷数据库。数据处理终端5利用信息融合技术，结合LabVIEW智能处理软件，对采集数据进行分析融合，寻找熔覆质量与熔覆工艺参数之间的对应关系，比如软件滤波模块、傅里叶变换模块、小波分析模块等，并建立熔覆缺陷数据库。将建立的熔覆缺陷数据库通过编程集成到计算机数控（CNC）控制系统，通过激光熔覆装置的反馈控制器控制熔覆过程稳定运行，实现熔覆过程的实时闭环控制和缺陷报警。

如图6所示，基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统的闭环控制原理如下：

信号采集装置1通过其所包含的若干传感器实时监测激光熔覆过程中反应工作状态的各种光、声、电、温度信号，并分别传输至其各自所对应的信号调理模块2，信号调理模块2把微弱的传感器信号放大到合适采集的程度，并通过滤波去除前端干扰和噪音后，通过嵌入式无线智能终端3和紫蜂（ZigBee）无线传感网络4将信号传输至数据处理终端5。数据处理终端5与激光熔覆装置的反馈控制器连接，数据处理终端5提取特征信息，利用多传感器信息融合技术，并结合LabVIEW智能处理软件，用建立的熔覆缺陷数据库和实时采集的信号为依据，通过激光熔覆装置的反馈控制器对熔覆过程加以实时控制，使熔覆过程在规定的条件下稳定运行。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，该系统包含信号采集装置（1），电路连接所述信号采集装置（1）输出端的信号调理模块（2），电路连接所述信号调理模块（2）输出端的嵌入式无线智能终端（3），通过无线连接所述嵌入式无线智能终端（3）输出端的数据处理终端（5）；

所述嵌入式无线智能终端（3）与数据处理终端（5）之间采用紫蜂无线传感网络（4）进行无线连接。

2.如权利要求1所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的信号采集装置（1）包含分别与所述信号调理模块（2）输入端电路连接的声音信号采集装置、光信号采集装置、电位差信号采集装置、温度采集装置。

3.如权利要求2所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的信号调理模块（2）包含：

声音信号调理电路，其电路连接所述的声音信号采集装置的输出端；

紫外与可见光信号调理电路，其电路连接所述的光信号采集装置的输出端；

电位差信号调理电路，其电路连接所述的电位差信号采集装置的输出端；以及，

温度信号调理电路，其电路连接所述的温度采集装置的输出端。

4.如权利要求3所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的声音信号调理电路、紫外与可见光信号调理电路、电位差信号调理电路、温度信号调理电路都包含信号前置放大电路、电路连接所述信号前置放大电路输出端的信号二次放大电路、电路连接所述信号二次放大电路输出端的信号滤波电路。

5.如权利要求1所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的嵌入式无线智能终端（3）包含单片机、该单片机的外围电路，以及与该单片机电路连接的紫蜂无线模块。

6.如权利要求1所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的紫蜂无线传感网络（4）组成网状或星型或树状的拓扑结构。

7.如权利要求1所述的基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统，其特征在于，所述的数据处理终端（5）电路连接外接的激光熔覆装置的反馈控制器。

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