激光熔覆信号采集系统开发

孟祥伟

(上海海事大学，上海 201306)

激光熔覆是一种新型的材料加工与表面改性技术，其涉及光、机、电、计算机、材料、冶金、物理、化学等多门学科领域的跨学科高新技术，并且也是一个复杂的物理、化学变化过程，影响其加工结果的因素众多，包括加工工艺参数以及外界自然环境［1］。主要的影响因素还是熔覆过程中的工艺参数，但是各工艺参数与加工质量的关系难以确定，并且各工艺参数之间也是相互影响、相互制约，并存在耦合关系，所以通过工艺参数来保证加工质量存在很多缺陷。直接测量激光熔覆过程存在不同方面的难度，所以对直接监测熔覆层质量造成了困难。激光熔覆研究发现，在激光熔覆加工过程中有等离子体存在，其发出的蓝紫光和“噗噗噗”的可听声信号，以及反映熔池温度的红外辐射信号，直接检测此三路信号能够从侧面反映激光熔覆加工质量情况。伴随着计算机与传感器技术的发展，对三路信号的监测、采集和存储变得更加容易。通过三路信号的监测采集，以及实时反馈调整能够实现对激光熔覆加工参数的快速调整，有利于提高熔覆层表面加工质量［1、2］。

1 数据采集硬件

激光熔覆加工过程中发出的蓝紫光的波长范围为400 nm～440 nm，红外辐射信号波长范围为900 nm～1 600 nm，可听声的频率范围为20 Hz～20kHz。根据以上信号参数选择合适的传感器。选择蓝紫光传感器为HAMAMATSU 公司的Si 光电二极管S1336-44BK，红外传感器选用FC 系列探测器，FC 系列探测器由InGaAs PIN 光电二极管和FC 连接器通过透镜耦合而成，声音传感器选择响应频率为20 Hz～20 kHz 的舒伯尔背极式驻极体电容测量麦克风ECM-999［3］。数据采集卡选用MPS-010602 信号采集卡，是一款基于USB总线的多功能信号采集卡，具有16 路单端模拟信号采集、4 路模拟信号输出、8 路数字信号输入/输出、2 路比较器、2 路计数器和2 路PWM 输出。

2 数据采集软件

本系统所采用MPS-010602 数据采集卡是非NI 采集卡，其不能够与LabVIEW 实现无缝连接，所以需要相应的驱动程序来驱动MPS-010602 采集卡在LabVIEW 软件开发平台下工作。安装驱动程序，同时还包括一些库函数，例如我们要用到的MPS-010602.dll。为了减小主程序的复杂程度，通过调用已有的一些子程序，主要包括驱动子程序和功能子程序。驱动子程序主要有设置参数子程序(SetPara.VI)和采集电压子程序(GetVoltage.VI)。功能子程序主要有滤波子程序和平滑滤波子程序。

本系统要采集三路信号，两路光信号(等离子体蓝紫光信号和熔池红外辐射信号)和一路可听声信号。数据采集卡要同时读取蓝紫光、红外光信号和可听声三个通道的数据，然后实时显示读取数据，并将读取数据储存PC 机硬盘，以便后续分析处理。查阅MPS-010602 信号采集卡的主要性能指标，选择4 通道模拟信号采集。数据采集的主程序包括采集前的初始化部分和采集主体部分。

初始化部分通过调用驱动子程序SetPara.VI来进行设置采集通道、工作频率和硬件增益倍数。其中4 通道信号采集选择的通道为AD1，AD2，AD9，AD10，工作频率和增益倍数根据实验实际要求进行选择，其程序框图如图1 所示。

采集程序主体部分通过调用驱动子程序Get-Voltage.VI 和功能子程序平滑滤波VI 构建采集主体部分，实现信号电压的采集并设定每次采集的数据点数，还能对采集的信号进行平滑滤波。处理点数可由前面板输入。GetVoltage.VI 的DI输出数组，利用索引数组和数据类型转换连接到数字端口数组，前面板可以看到布尔灯提示灯。时间计时器通过多种数值子VI 计算实测采样率，波形图标显示控件实时显示采集数据。采集程序主体部分的程序框图如图2 所示。

图1 采集程序初始化部分Figure 1 Initializing part of acquisition program

图2 采集程序主体部分Figure 2 Main body of acquisition program

3 数据的储存程序的设计

存储程序主体使用了结构函数中的平铺式顺序结构，能够清楚的显示数据流的传输。数据进入平铺式顺序结构前，先由“文件对话框”函数确定文件储存路径或目录以及文件自定义类型并将路径信息传递给“TDMS 打开”函数。“TDMS 打开”函数创建新文件，用于读写操作.tdms 文件。通过该函数创建.tdms 文件的同时还创建了.tdms_index 文件。该文件的功能相当于C 语言中的指针的功能，便于.tdms 文件的查址、调用，大大节省了查址、读写操作的耗时，从而提高了文件操作的效率。数据储存完毕后使用“TDMS 关闭函数”完成“TDMS 打开”函数打开或创建的.tdms 文件。在关闭之前打开的.tdms 文件后，使用“TDMS 文件查看器”函数显示“文件对话框”函数指定路径或目录下的.tdms 文件中的数据，如图3、图4 所示。

平铺式顺序结构共有两帧。第一帧如图5 所示，“TDMS 写入”函数将数据写入文件的同时建立组和通道;组命名为“输入基体与粉末”，通过前面板控件输入实验所用基体和粉末。选择4 通道信号采集模式，三路信号通道，一路备用通道，每个通道显示一路信号数据信息。由于TDMS 文件最大只能存储二维数据，所以我们采用两个“TDMS 写入函数”。每个函数写入两路信号数据，然后再通过“获取日期/时间函数”来记录实验进行的时间，直至while 循环结束。第二帧如图6 所示，同样由于“TDMS 写入函数”输入数据维数的限制，采用三个写入函数建立“输入基体与粉末”通道组。同时建立三个通道分别对激光熔覆参数进行写入，通道名命名为“激光功率”、“扫描速率”和“送粉速率”。为了能够展现数据储存程序的全貌，采用平铺式顺序结构，完整的数据储存程序如图7 所示。

图5 平铺式顺序结构第一帧Figure 5 1st frame of flat sequence structure

图6 平铺式顺序结构第二帧Figure 6 2nd frame of flat sequence structure

图7 完整数据储存程序Figure 7 Complete data storage procedure

4 结论

本文主要介绍了激光熔覆信号采集系统的数据采集程序和数据储存程序。数据采集程序包括了数据采集子程序和主程序，其中主程序通过调用子程序完成系统的初始化和信号的采集，从而简化了系统采集程序。数据采集程序的功能完成信号数据从信号调理电路通过数据采集卡采集被测信号并写入PC 机。数据储存程序利用平铺式顺序结构，分别通过TDMS 文件格式来存储采集的数据，同时写入激光参数设置量以及实验采集时间等相关信息，便于后续调用处理，以防数据混淆［4～6］。

［1］洪蕾，吴钢.激光制造技术基础［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］马宝亮，洪蕾.熔覆产生的蓝紫光与熔覆表面质量关系的研究［J］.激光技术.2010，34(6):832-834.

［3］张炳发.激光熔覆实时监测系统的硬件设计［J］.铜业工程.2012，1:45-48.

［4］胡仁喜，高海宾.LabVIEW2010 虚拟仪器从入门到精通［M］.第2 版.北京:机械工业出版社，2011.12.

［5］戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣.测试工程与LabVIEW 应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［6］刘胜，等.LabVIEW 2009 程序设计［M］.北京:电子工业出版社，2010.