焊接过程电参数检测的优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接过程传感信号通常以电信号方式输出，电信号首先经过模拟电路进行预处理，然后经过数模转换为数字信号，再由微处理器或计算机系统加以监测和控制。图5-2-26 有源滤波器a）一阶有源滤波器 b）二阶低通滤波器4.信号转换电路传感器输出的电量形式有电阻、电感、电容、电流、电压、频率以及相位等多种形式，在焊接自动化系统中，通常需要对传感器输出的信号进行转换，以便达到系统控制所要求的信号，这就需要信号转换电路。

焊接过程传感信号通常以电信号方式输出，电信号首先经过模拟电路进行预处理，然后经过数模转换为数字信号，再由微处理器或计算机系统加以监测和控制。模拟信号是一个连续的时间函数，设为f（t），由于微机只能接受离散的数字量，因而要对连续信号f（t）采样。采样就是周期性地获取f（t）的瞬时值，设采样周期为T，经采样后信号就变成在时间上离散的信号f（nT）变化，如图5-2-21a、b所示。显然，采样周期越小，采样获得的信号与原始信号越近似，但采样周期越小，采样获得的数据将越多。如何采样才能不丢失信息，即采样后的离散信号能基本上反映原来的连续信号，这就要遵循如下采样定理：对信号采样时，采样频率必须至少大于等于信号最高频率的2倍，实用时均高于2倍。对于混在信号中的无用高频信号，采样前先用低通滤波器滤掉，否则就会使采样后的信号发生畸变。采样频率f_s定义为采样周期T的倒数，即f_s=1/T。

传感器输出的电信号一般是较为微弱，需要一些模拟电子电路加以处理和放大，以满足检测显示和控制的需要。常见的信号检测和处理电路包括信号放大电路、信号运算电路、信号分离电路和信号转换电路。

图5-2-21 模拟连续信号的采样和量化

a）连续信号 b）时间离散采样信号 c）量化后的数字信号

1.信号放大电路

随着微电子技术的发展，一方面运算放大器的性能在不断提高，新型的运算放大器不断出现；另一方面，各种运算放大器或其他专用放大器具有集成度高、不需要或很少需要外围器件、方便使用等特点。如高输入阻抗的运算放大器AD549，这是美国ADI公司推出的具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。Linear Technology公司推出了具有数字增益控制的精密仪表放大器LTC2915，通过并行或串行接口可将增益编程为0、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096。美国Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路ispPAC10/20/30/80/81等，在系统可编程模拟器件允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路，进行电路特性模

图5-2-22 常见的放大电路

a）同相比例放大电路 b）反相比例放大电路 c）电压跟随器电路 d）差动放大电路

拟，最后通过编程电缆将设计方案下载到芯片中。

通常可以采用的信号放大单元电路包括同相比例放大电路、反相比例放大电路、电压跟随器电路和差动放大电路，电路结构如图5-2-22所示。

2.信号运算电路

信号运算电路包括加减法运算电路、微分电路和积分电路等几种运算电路，如图5-2-23所示。

图5-2-23 运算电路原理图

a）加法运算电路 b）积分电路 c）基本微分电路 d）实用微分电路

3.信号分离电路

在传感器检测的信号中，通常包含一些噪声或与被测量无关的信号，在信号的传输、放大、变换等信号处理中也会混入不同的噪声。因此必须采取滤波器对噪声加以抑制。滤波器实际上是一种选频装置，其功能就是让指定频段的信号能够比较顺利地通过，而对其他频段信号起衰减作用。根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四类，其幅频特性如图5-2-24所示。

图5-2-24 四种滤波器的幅频特性

a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器 d）带阻滤波器

按照滤波器元件类型可分为RC滤波器、LC滤波器或晶体管滤波器，根据滤波器的电路性质可分为有源滤波器和无源滤波器，根据滤波器的信号性质可分为模拟滤波器和数字滤波器。无源RC滤波器如图5-2-25所示，有源滤波器如图5-2-26所示。

图5-2-25 无源RC滤波器

a）RC低通滤波器 b）RC高通滤波器

无源RC滤波器与同相、反相放大器和跟随器组合可构成有源滤波器，如低通RC滤波器与同相放大器组合可构成具有同相放大作用的低通滤波器，与电压跟随器组合可构成带电压跟随器的低通滤波器，与反相放大器组合可构成具有反相输入的低通滤波器。同样高通滤波器也可与上述的放大器组合构成相应的有源高通滤波器。两个低通RC滤波器串联后与放大器组合可构成二阶有源滤波器。

图5-2-26 有源滤波器

a）一阶有源滤波器 b）二阶低通滤波器

4.信号转换电路

传感器输出的电量形式有电阻、电感、电容、电流、电压、频率以及相位等多种形式，在焊接自动化系统中，通常需要对传感器输出的信号进行转换，以便达到系统控制所要求的信号，这就需要信号转换电路。信号转换电路包括电压比较器、电压/频率转换电路、模拟开关电路，模/数（A/D）转换电路、数/模（D/A）转换电路等。

焊接过程电参数检测的优化方案

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