摘要：研制了一种集自动化、实时化为一体的测试系统，为分析复杂的焊接动态过程提供了硬件与软件技术支持。信号输入通道具有多路同步和异步采集功能，操作方便的中文用户界面不需任何汉字系统的支持，并将数字信号处理方法中的频谱分析应用于焊接过程。
该系统的开发对于研究焊接动态过程具有较大的实际意义。
关键词：焊接；动态过程；数字信号；处理
0前言
在焊接过程中，焊接参数的动态变化对焊接质量和效率有着重要的影响。同时，实现焊接动态过程的微机测试也为焊接的自动控制提供了有力的技术支持。
焊接动态过程的复杂性和熔滴过渡过程的随机性，使此过程中的电弧电压、焊接电流波形在微观上无重现性［1］。传统的测试手段虽可观测高速动态过程，但其性能价格比高，工作效率低。为了适应焊接动态过程的高速瞬变性，方便用户及时地观察和分析焊接动态信号，本测试系统以微机为核心构成数字化测量系统，采用高速数据采集技术，开发了专用的测试、分析、处理软件，其性能优良、功能比较齐全，为焊接过程的研究和生产控制提供了有效的工具。
1微机测试系统和组成及工作原理
本系统控制灵活，通过扩充接口芯片简化硬件结构，增强测试功能，可自动、实时、高速采样焊接动态过程中的电压、电流信号，显示动态曲线，并对采集的焊接数据进行分析处理。微机测试系统由硬件系统、软件系统两大部分组成。
1．1硬件系统
测试系统硬件由输入通道、主机、输出通道三部分组成。为确保信号输入端和输出端在电气上隔离，被测信号如焊接电流、电弧电压等分别经霍尔电流传感器、霍尔电压传感器等变换成适宜的信号送入高速数据采集电路进行转换。
经内部触发或外部触发后，高速数据采集电路中可编程序计数器/定时器8253通道0输出方波启动AD7821开始A/D转换，采样速率由8253通道0的初始化计数值进行控制，转换结束后内建地址发生器地址自动加1，采集数据存入静态随机存储器6116。采集次数由8253通道1的初始化计数值进行设置，采集结束后向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断，将存储器6116中的数据读入微机RAM数据区。数据经主机分析处理后，可在CRT显示屏幕上显示测试结果，或打印出测试数据、图形等。
1．2软件系统
为建立微机与用户之间的良好数据通讯，使用户灵活控制测试系统，用户界面采用下拉式菜单设计。由于在汉字操作系统环境下，汉字库将占用较大内存，程序较大时可能造成程序无法加载运行，严重时造成死机，给测试带来不便，因此软件自建了汉字小字库，不需任何汉字系统支持，即可在西文环境下运行显示汉字。
软件设计分为三大功能模块：命令功能模块、显示功能模块及数据处理功能模块。
（1)命令功能模块
该功能模块设置启动焊接数据采集命令和系统命令。焊接数据采集可通过屏幕提示，由键盘启动内部触发功能，或调节采集电路内部开关至外部触发位置，通过外部信号触发启动。焊接数据采集结束后，在显示器屏幕上将观察到以不同色彩显示的多路信号波形。为保存数据，进行进一步的分析研究，用户可对数据及波形执行打印、存储系统功能。
（2)显示功能模块
该功能模块设置显示方式，用于显示用户满意的波形方式及数据。焊接信号波形横坐标为时间轴，纵坐标为幅值。采样频率将在菜单中给出选项，由用户选择。采样频率选择过高，意味着对焊接信号需处理的点数增加，则计算机存贮量过大，计算时间太长。如果采样频率过低，则将在频域出现混叠现象，形成频谱失真。为使原信号得以恢复，一般取f.s=3～4f.h，其中fs为采样频率，fh为信号中最高工作频率。因显示器处于图形模式，机器硬件不提供闪烁的光标，为使数据编辑操作方便，软件利用时钟中断，提供了模拟光标，移动光标至波形某一点可显示该参数值。信号波形进行放大或缩小后，将更加美观和便于观察。
该模块模拟了普通示波器和记忆示波器功能，普通示波器不记忆数据，而记忆示波器可将数据记录于磁盘文件之中，这样根据需要可节约磁盘空间。由于显示屏幕所限，波形将进行单屏和连续两种方式显示，单屏显示时用户按任意键继续下一屏的显示，连续方式时波形将进行动画显示。
(3)数据处理功能模块
该功能模块设置波谱分析与统计分析两种功能。波谱分析是资料处理的重要工具之一。通过数字处理，可以削弱或剔除焊接信号中的无关部分，滤除混杂噪声的干扰，便于估计信号的特征参数，或变换成容易分析和辩识的形式［2］。傅立叶变换是频谱分析的基础之一，在信号的数字处理中占着重要的地位。它给出了时间域与频率域的联系，充当了时间函数与频率函数之间的桥梁。软件给出了基2快速傅立叶变换（FFT）时间抽取算法。
计算的基本关系是：xm+1(p)=xm(p)+WNrxm(q)
其中WN=e-j2π/N，r=qN/2m+1-N/2，p和q分别为上、下节点的序号，xm(p)和xm(q)分别为第m级上节点和下节点的值，xm+1(p)和xm+1(q)分别为第m+1级上节点和下节点的值。
利用FFT算法对时间级数进行变换后得到的频谱函数包括实部和虚部两部分，将实部平方和虚部平方相加即得功率谱。在一个频域周期内，功率谱之和与信号的能量成比例，由功率谱曲线可观察到焊接信号在不同频域的能量衰减状况。在数据处理功能中，软件给出了功率谱分析和幅谱分析，并对所采集的焊接数据进行统计分析后给出统计参数如被测焊接信号参数的最大值、最小值、均值等以及概率密度分布曲线，以用于分析焊接动态过程中信号在时域上和频域上的变化规律。
2测试实例
下面是测试系统所测试的波形曲线及分析结果。其中图4a中曲线1为短路电流上升波形。从图中可看出，短路时焊机最大输出电流为120A，上升时间为0.58ms,波形显示基本无超调，焊机性能稳定。曲线2和图4b分别为80A负载电流上升波形，二者采样频率不同，曲线2采样频率为1MHz，图4b采样频率为10MHz。从图中可以看出，稳态电流为80A，上升过程中峰值电流为115A，从电流上升至稳态时间为2.5ms。从波形曲线可看出当采样频率为1MHz时能准确反映逆变电源频率为20kHz时的焊接电流波形。
3微机测试系统的技术指标及主要特点
该系统可同时完成三路数据采集和三路波形显示，即焊接电压信号、焊接电流信号，另一路以备用。采样频率由软件控制，最高采样率为1MHz，采样板高速缓存为3×2kB。电压传感器采用霍尔电压传感器STVD，最大量程为400V。电流传感器采用霍尔电流传感器，最大量程为200A。它适用于手工焊、CO2气体保护焊、TIG焊等多种焊接方法的焊接测试。
系统通过软件控制焊接测试过程，它在线实时地记录了焊接信号参数，同时由于微机具有逻辑判断、记忆、快速运算的功能，操作人员与微机系统可进行对话，因此使用户及时、方便地了解焊接动态过程的状态，帮助用户获得高质量和高效率的焊接工艺。通过对系统进行多次调试，系统运行可靠，提高了工作效率。
4结论
本文所研制的微机测试系统以微机为核心，采用软硬件相结合的方法改造了以往测试系统功能单一、运算能力不足、各路焊接信号难以实现真同步等缺点［3］。与现行的单片机检测系统相比，它不仅执行效率高、精度高，而且在处理焊接信号方面，具有极大的优越性。与同类的微机系统相比，它融时域与频域分析为一体，不仅功能丰富，而且经济实用。该系统具有良好的用户界面，视觉清晰，数据处理功能给用户提供了良好的工具箱。该系统可应用于焊接工艺参数检测，焊机特性评定，弧焊电源分析等方面，具有良好的应用前景。
参考文献
1唐慕尧.焊接测试技术.北京：机械工业出版社,1988
2宗孔德.数字信号处理.北京：清华大学出版社,1988
3侯天奎等.电脑型动态焊接参数测量仪的研制.见：第七届全国焊接学术会议文集，1993