CN204373785U - 焊接过程熔池温度场检测装置 - Google Patents

Abstract

焊接过程熔池温度场检测装置，它由传感单元、信号调理单元、数据采集单元和计算机单元组成；传感单元输入端采集焊件热辐射信息，其输出端与信号调理单元输入端相连接，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元输出端与计算机单元相连接；计算机单元包括参数设置、图像采集及实时显示、数据存储和结果分析模块；它解决了现有测量装置测量焊接过程熔池温度场程序复杂、测量精度不高，以及有限元模拟误差大等问题，并实现了焊接过程熔池温度场信号的高速准确记录与存储，为焊接结构件的应力应变场的计算提供基础数据；广泛适应于焊接源、焊接材料的焊接过程熔池温度变化进行实时在线检测及分析。

Description

焊接过程熔池温度场检测装置

技术领域

本实用新型涉及到焊接过程熔池温度场检测装置。

背景技术

焊接熔池温度场决定了焊接过程的应力场和应变场,还与结晶、相变过程有不可分割的联系,使之成为影响焊接质量和生产率以及金属焊接性的主要因素之一；并且焊接过程中焊件熔池温度场分布反应了复杂的焊接热过程，它不仅直接通过热效应，而且间接通过随金属状态和显微组织的变化引起的相变，相应决定了焊缝熔化、结晶、变形、应力等状况，这些因数影响到熔合、裂纹、组织等与焊接质量有关的指标；国内外学者都试图在建立焊接热场分析模型时，能够全面的考虑影响焊接热过程及瞬态熔池温度场分布的各种因素，以便真实的反映焊接热过程，从而得到比较准确的焊接熔池瞬态温度场；目前大部分研究者主要采用热电偶、红外测温仪、光学高温计、CCD比色测温、有限元模拟等方法对焊接过程熔池温度场进行研究，由于焊接过程的复杂性以及很多材料的热学参量不能精确测量，在熔池温度场分析计算时利用了不少假设进行简化，故尽管国内外学者在这方面的研究比较多；但所有这些研究还是很难获得精确的测量数据，利用热电偶接触测温破坏了焊接工件的几何条件，也不便于焊接熔池温度场的实时检测；利用CCD比色测温测温精度不高；利用有限元模型计算，温度场的计算靠假设值作为输入值而带来很大的误差。

发明内容

针对上述情况，本实用新型的目的在于提供一种焊接过程熔池温度场检测装置，它解决了现有测量装置测量焊接过程熔池温度场过程复杂、测量精度不高，以及有限元模拟误差大等问题；能检测焊接中被测点温度随焊接热源移动而升降的变化情况，实现了焊接过程熔池温度场信号的高速准确记录与存储，为焊接结构件的应力应变场的计算提供基础数据；并且该装置安装调试简便，运行可靠，易于普及推广。

本实用新型目的是这样实现的：焊接过程熔池温度场检测装置，它由传感单元、信号调理单元、数据采集单元和计算机单元组成；所述传感单元输入端采集焊件热辐射信息，其输出端与信号调理单元输入端相连接，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元输出端与计算机单元相连接。

为了实现功能强大，使用方便，通用性好和结构优化，其进一步的措施是：所述的传感单元由红外镜头和红外焦平面探测器阵列组成；所述红外焦平面探测器为非制冷红外焦平面探测器阵列；所述数据采集单元与计算机单元采用网络接口(RJ)相连接；所述的数据采集单元采用ARM处理器；所述计算机单元包括参数设置、图像采集及实时显示、数据存储和结果分析模块；所述ARM处理器包括电源模块、复位电路模块、A/D信号采集模块、键盘模块、储存器模块、时钟模块、显示模块、JTAG调试接口、串行接口、USB通信接口、CAN通信接口。

本实用新型焊接过程熔池温度场检测装置，它由传感单元、信号调理单元、数据采集单元和计算机单元组成；所述传感单元输入端采集焊件热辐射信息，其输出端与信号调理单元输入端相连接，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元输出端与计算机单元相连接，所述计算机单元包括参数设置、图像采集及实时显示、数据存储和结果分析的技术方案；它解决了现有测量装置测量焊接过程熔池温度场过程复杂、测量精度不高，以及有限元模拟误差大等问题。

本实用新型相对现有技术产生的有益效果是：

（Ⅰ）本实用新型选用以太网数据传输技术应用到焊接过程熔池温度场信号的检测中，充分利用以太网通信的数据传输速率高，传输容量大，抗干扰能力强，传输距离远，实现了焊接过程熔池温度场信号的高速准确记录与存储；

（Ⅱ）本实用新型的红外热成像仪测温速度快、测温范围广、灵敏度高、对被测温度场无干扰、热惰性误差小和远距离测温准、可得到拍摄范围内比较清晰的温度分布云图、适合于快速反映焊接中被测点温度随焊接热源移动而升降的变化情况和操作过程简便高效等优点，实现了检测装置较高的测量精度，同时能够实现对焊接过程熔池温度场的实时测量；

（Ⅲ）本实用新型的信号温度场云图使得观测变得形象直观，能够测得所拍温度差范围内任意一点的热循环曲线，极大的满足了研究人员对实验数据的需求；

（Ⅳ）本实用新型具有抗干扰能力强、结构简单、安装操作方便等特点，为焊接过程熔池温度场信号进一步分析和焊接质量监测与控制提供了一套高实时性、高可靠性的软硬件平台；为后期焊接结构件的应力应变场计算提供了准确的基础数据；

(Ⅴ)本实用新型声的信号调理单元能对红外辐射信号进行滤波和放大处理，并实现信号的模数(A/D)转换，可极大提高采样信号的精度，可有效保障测量精度；

(Ⅵ)本实用新型检测装置包括完整的控制系统，具有抗干扰能力强，且结构简单、安装操作方便等，极大提高了焊接生产效益，有利于工业生产，便于推广使用。

本实用新型广泛适应于焊接源、焊接材料的焊接过程熔池温度变化进行实时在线检测及分析。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型中红外热成像仪原理框图。

图3为本实用新型的信号调理单元和数据采集单元连接示意图。

图4为本实用新型 ARM处理器结构原理图。

图5为本实用新型的数据采集流程图。

图6为本实用新型测得的热循环曲线图。

具体实施方式

参照附图，本实用新型是这样实现的：它由传感单元、信号调理单元、数据采集单元和计算机单元组成；所述传感单元输入端采集焊件热辐射信息，其输出端与信号调理单元输入端相连接，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元输出端与计算机单元相连接。

图1所示为本实用新型焊接过程熔池温度场检测装置的结构框图，包括传感单元、信号调理单元、数据采集单元以及计算机单元，传感单元由红外镜头和非制冷红外焦平面探测器阵列组成；传感单元输入端通过红外镜头拍摄热辐射信息，焦平面探测器将接受到的红外光信号转换成电信号，传感单元输出端口与信号调理单元输入端端口相连接，将测量到的信号传输至信号调理单元，信号调理单元将接受到的信号进行放大、滤波处理，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元主要实现信号的模数转换，数据采集单元输出端与计算机单元通过以太网接口(RJ)相连接，网络接口(RJ)的电路采用以太网控制器DM9000AEP为核心器件，将采集单元传送过来的数据按TCP/IP协议打包并通过以太网传送给计算处理单元的计算机进行记录与存储，计算机单元包含参数设置、图像采集及实时显示、数据存储和结果分析等模块；结果分析包括熔池温度场的点、线、面分析。

图2所示为本实用新型中红外热成像仪原理框图，红外辐射光经过红外镜头聚焦在焦平面探测器上并在焦平面敏感元上成像，红外热敏感像素接受到红外辐射信号发生相应的反应，将光信号转换成电信号，电信号经过ROIC（硅读出电路）传输至CCD；CCD将接受到的电信号通过输出电路多路传输至前置放大器，前置放大器进行信号放大，经放大和滤波后的信号被传送至A/D转换器，由A/D转换器将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比，这些数值也就是图像的数据；此时这些图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（ARM、FPGA）中，对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，编码为热成像仪所支持的图像格式、分辨率，然后被存储为图像文件并通过显示器显示。

图3为本实用新型的信号调理单元和数据采集单元连接示意图，信号调理单元主要对红外辐射信号进行滤波和放大处理，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元主要实现信号的模数(A/D)转换，数据采集单元具有四路独立的16位采样保持功能的A/D转换器，最大采样频率200K，经A/D转换后的数据按照FPGA分配的地址存入存储单元，FPGA作为数据采集单元的逻辑控制核心器件，负责地址总线和数据总线的切换，A/D转换的启动，将转换结果写入存储器，以及在转换完成后产生中断请求由ARM读取存储器中的数据进行处理，ARM为32位微控制器LPC2119，作为数据采集单元的核心，负责程序调用和数据处理。

图4为本实用新型ARM处理器结构原理图，模拟信号通过A/D转换器进行信号处理后，将信号传递给ARM进行处理，ARM以LPC2119作为采集单元的核心负责数据管理，同时该图还反映出ARM还存在电源模块、复位电路模块、A/D信号采集模块、键盘模块、储存器模块、时钟模块、显示模块、JTAG调试接口、串行接口、USB通信接口、CAN通信接口，同时在图中反映出了各个模块的相互关系。

图5为本实用新型的数据采集流程图，系统通电后，打开计算机单元中用于数据采集的软件系统，设置好焊件辐射率、测温范围以及焊件与红外镜头的距离等参数，硬件系统初始化完毕后一直处于等待状态，当接收到来自所述数据采集软件系统发送的采集开始指令时，启动数据采集单元进行数据采集与存储，然后由网络接口(RJ)的以太网控制器DM9000AEP对数据采集单元采集的数据进行打包和发送；计算机单元通过网络接口(RJ)接收来自数据采集单元的数据后首先对其进行解包处理，然后由数据采集软件系统读取接收到的熔池温度场视频信号，并通过软件进行实时录制和存储，以备回放分析。

图6为本实用新型测得的焊接过程熔池温度场内一点的热循环曲线图，可以读取所选点任一时刻的温度变化情况；在焊接熔池瞬态温度场测量的基础上，通过对熔池温度场数据进行软件处理，可以获得任意一点的热循环曲线及任一时刻的温度场分布云图，为焊接结构件的应力应变场的计算提供基础数据。

本实用新型采用红外热成像仪测量焊接过程熔池温度场，设备简单操作简便测量准确；同时将以太网数据传输技术应用到焊接过程熔池温度场信号的检测中，充分利用以太网通信的数据传输速率高，传输容量大，抗干扰能力强，传输距离远，在计算机内安装有数据采集的软件系统，实现了焊接过程熔池温度场信号的高速准确记录与存储；该装置具有抗干扰能力强、结构简单、安装操作方便等特点，为焊接过程熔池温度场信号进一步分析和焊接质量监测与控制提供了一套高实时性、高可靠性的软硬件平台；同时也为后期焊接结构件的应力应变场计算提供了准确的基础数据。

Claims (7)

1.焊接过程熔池温度场检测装置，该装置由传感单元、信号调理单元、数据采集单元和计算机单元组成；所述传感单元输入端采集焊件热辐射信息，其输出端与信号调理单元输入端相连接，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接，数据采集单元输出端与计算机单元相连接。

2.根据权利要求1所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述的传感单元由红外镜头和红外焦平面探测器阵列组成。

3.根据权利要求2所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述红外焦平面探测器为非制冷红外焦平面探测器阵列。

4.根据权利要求1所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述数据采集单元经网络接口(RJ)与计算机单元相连接。

5.根据权利要求1所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述的数据采集单元采用ARM处理器。

6.根据权利要求1所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述计算机单元包括参数设置、图像采集及实时显示、数据存储和结果分析模块。

7.根据权利要求5所述的焊接过程熔池温度场检测装置，其特征在于所述ARM处理器包括电源模块、复位电路模块、A/D信号采集模块、键盘模块、储存器模块、时钟模块、显示模块、JTAG调试接口、串行接口、USB通信接口、CAN通信接口。