基于电信号监测的可控自触发图像采集系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及自动控制和图像处理技术领域，为推动焊接电弧机理认识技术的进步，本发明专利技术，基于电信号监测的可控自触发图像采集系统和方法，包括焊接部分、信号采集部分和高速摄像部分，焊接部分包括焊机、铝焊丝和金属板材，信号采集部分包括数据采集卡、电流传感器和电压传感器，高速摄像部分包括高速摄像机和计算机，焊接部分中焊机输出的电信号通过所述电压传感器和电流传感器传到所述数据采集卡，连续监测周期计算的变异系数值均大于触发阈，计算机发送脉冲给高速摄像机提供触发信号，高速摄像机被触发的同时会传输脉冲给数据采集卡，最终保存以该触发信号为中心。本发明专利技术主要应用于焊接拍摄场合。焊接拍摄场合。焊接拍摄场合。

【技术实现步骤摘要】
基于电信号监测的可控自触发图像采集系统和方法


[0001]本专利技术涉及自动控制和图像处理
具体涉及基于电信号监测的可控自触发图像采集系统。

技术介绍

[0002]高速摄像机能将快速移动的物体作为照片图像记录到存储介质上，存储在媒体上的图像能慢动作回放，故它被广泛运用于观察焊接熔滴过渡现象和电弧变化。但是高速摄像机在短时间内会产生大量数据，受到内存的限制它只能储存几秒钟的图像，故实际实验中难以拍摄到不规则电信号时的焊接区图像。
[0003]高速摄像机和信号采集与处理软件运用于分析焊接过程和结果的研究颇多。李恒等人在2000年建立了适合拍摄熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影系统，在文章中介绍了高速摄影机可获得熔滴过渡的清晰阴影像的原理，及提高拍摄质量的措施：正确选择放大率、慎重选择背光、灵活选择分幅与转向和恰当选择摄影频率，证明了用高速摄像机拍摄熔滴过渡照片的可行性。齐艳娜在2009年的硕士论文中利用labview及其丰富的数字信号分析材料库，设计开发了一种弧焊过程参数检测与分析系统，实现了实际焊接过程电参数的实时采集与分析和波形图与数据的同步显示，说明采用labview处理焊接信号然后发送脉冲触发高速摄像拍摄的可行性；并且验证了在不同焊接现象中的电压、电流与时间的波形图具有明显差别，说明采用焊接信号作为触发脉冲触发高速摄像的做法是合理的。Huanwei Yu等人在2012年使用光谱仪和视觉传感器分别收集铝镁合金脉冲GTAW(钨极氩弧焊)过程的电弧光谱和视觉信息，讨论并阐明了不同焊接条件下的熔透状态与相应的光谱信号之间的关系。建立了一个基于电弧光谱信号的模糊系统，并成功地用于估计熔透概率。张瑞等人在2018年利用高速摄像和Visual c++编程的弧焊过程信息智能测试分析软件有效地对弧焊过程进行监测分析与质量评定，证明了利用数据采集系统得到电信号与经过处理后高速摄像图像信息进行对比分析可深入了解电弧焊熔滴过渡机理。Kazufumi Nomura和Koki Fukushima等人在2020年用Python编程软件和Keras神经网络库创建了一个卷积神经网络模型，该模型的作用是根据高速摄像机拍摄到的熔池图像预测焊缝深度和判断熔透。用该方法估计熔深大小时，误差均在1mm以内。说明通过高速摄像机拍摄焊接过程图片来预测焊接结果是可行的。专利《一种基于高速摄像下的双激光束双侧同步焊接填丝熔滴过渡监控系统及方法》公开号111203639A，该方法通过高速摄像系统对双激光束双侧同步焊接过程中熔滴过渡模式和频率进行实时监控，从而通过控制焊丝熔化速度实现提高焊缝质量的目的。虽然以上的方法都推动焊接电弧机理认识技术的进步，但还存在以下的不足：
[0004]上述图像采集系统不具备足够的目的性和灵活性。由于高速摄像机拍摄时间短，上述研究方法常常把高速摄像机用于拍摄焊接规律性的过渡过程图像。而对与过渡过程突变物理现象的电弧、熔滴过渡或熔池图像，则很难被高速摄像机捕捉，故缺乏目的性和灵活性。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于电信号监测的可控自触发图像采集系统，包括焊接部分、信号采集部分和高速摄像部分，焊接部分包括焊机、铝焊丝和金属板材，信号采集部分包括数据采集卡、电流传感器和电压传感器，高速摄像部分包括高速摄像机和计算机，焊接部分中焊机输出的电信号通过所述电压传感器和电流传感器传到所述数据采集卡，数据采集卡将所述电信号数据传给计算机，计算机中产生触发信号：在遇到异常现象时，焊机输出电信号明显偏离平衡位置，此时对其先求均方根再求变异系数，变异系数是原始数据标准差与原始数据平均数的比，连续监测周期计算的变异系数值均大于触发阈，计算机发送脉冲给高速摄像机提供触发信号，高速摄像机被触发的同时会传输脉冲给数据采集卡，最终保存以该触发信号为中心，前后存储量相等的图片和电信号。
[0006]计算机中利用数据分析和处理软件labview对所接收的电流信号先求每个数据读取周期的均方根，再以连续10个读取周期为一个监测周期，求各个监测周期内的变异系数，根据电流信号的变异系数与触发阈的大小，决定触发脉冲发送的时间。
[0007]基于电信号监测的可控自触发图像采集方法，步骤如下：
[0008]1)在高速摄像机开始无止拍摄后，利用数据采集卡就进行焊接电信号的采集，并把电信号数据传送到计算机内存；
[0009]2)用数据分析和处理软件对所接收的电流信号先求每个数据读取周期的均方根，再以连续10个读取周期为一个监测周期，求各个监测周期内的变异系数，根据电流信号的变异系数与触发阈的大小，决定触发脉冲发送的时间；
[0010]3)在焊接过程中计算机系统为高速摄像机提供触发信号进行图像信号采集与保存；
[0011]4)高速摄像机被触发的同时提供触发脉冲给数据采集卡进行数据采集与保存；
[0012]5)根据3)、4)步触发信号，捕捉保存该信号前后时间上、内存上均相等电弧图像和电信号，进而实现对焊接特殊现象电弧机理的认识。
[0013]本专利技术的特点及有益效果是：
[0014]1、有目的性的拍摄电弧图像。采用变异系数作为驱动计算机系统发送脉冲信号给高速摄像机的参数，在焊接异常阶段触发高速摄像机拍摄，得到具备研究价值的电弧图像。
[0015]2、定位焊接异常区。优化了高速摄像机和数据采集卡的同步系统，得到同步的图像和电信号。
[0016]3、应用范围广。本专利技术不仅适用于CMT(冷金属过渡)焊接，也适用于各种气体保护焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等焊接方法。
[0017]4、操作简单。只需设定好触发算法，监测电信号异常时计算机系统会自触发高速摄像机开始拍摄，触发步骤无需实验者操作。
附图说明：
[0018]图1为图像拍摄、同步信号和触发信号三者的同步时序图。
[0019]图2为焊接试验装置示意图。
[0020]图3为焊接件预处理图。
[0021]图4为软件结构与硬件的关系图解。
[0022]图5为求电信号的RMS(有效值)值和变异系数的参数设置界面。
[0023]图6为试验电压有效值的变异系数图。
[0024]图7为正常焊接阶段电压电流波形图。
[0025]图8为油污阶段电压电流波形图。
[0026]图9为拍摄到的油污电弧图像。
[0027]图10为拍摄到的焊接电信号稳定段电弧图像。
具体实施方式
[0028]本专利技术涉及有目的性采集焊接异常阶段电弧图像的领域。具体是先编制触发信号的算法，当监测采集卡内存中的电信号满足触发算法时，计算机系统发送脉冲到高速摄像机，触发其拍摄焊接异常区的电弧图像。
[0029]针对以上关于焊接时特殊现象不易被拍摄到以及现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于电信号监测的可控自触发图像采集系统装置。该装置由焊接部分、信号采集部分和高速摄像部分三部分组成。其中焊接部分由型号为Fronius公司的CMT A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电信号监测的可控自触发图像采集系统，其特征是，包括焊接部分、信号采集部分和高速摄像部分，焊接部分包括焊机、铝焊丝和金属板材，信号采集部分包括数据采集卡、电流传感器和电压传感器，高速摄像部分包括高速摄像机和计算机，焊接部分中焊机输出的电信号通过所述电压传感器和电流传感器传到所述数据采集卡，数据采集卡将所述电信号数据传给计算机，计算机中产生触发信号：在遇到异常现象时，焊机输出电信号明显偏离平衡位置，此时对其先求均方根再求变异系数，变异系数是原始数据标准差与原始数据平均数的比，连续监测周期计算的变异系数值均大于触发阈，计算机发送脉冲给高速摄像机提供触发信号，高速摄像机被触发的同时会传输脉冲给数据采集卡，最终保存以该触发信号为中心，前后存储量相等的图片和电信号。2.如权利要求1所述的基于电信号监测的可控自触发图像采集系统，其特征是，计算机中利用数据分析和处理软件labview对所接收的电流信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕小青，邹文洁，郝福旺，徐连勇，荆洪阳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：