孟祥伟

(上海海事大学，上海 201306)

激光熔覆是一个复杂的物理、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相互影响、相互制约，所以仅通过工艺参数来保证加工质量存在很多缺陷，例如，难以实时反馈熔覆层质量情况，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，其发出的蓝紫光的波长范围为400 nm～440 nm，研究发现等离子体的特征信号与熔覆表面质量有一定关系［2～4］。伴随着计算机与传感器技术的发展，对蓝紫光的监测、采集和存储变得更加容易，通过蓝紫光的监测采集，以及实时反馈调整能够实现对激光熔覆加工参数快速调整，有利于提高熔覆层表面加工质量。

1 激光熔覆光信号采集硬件设备

传感器选用Si 光电二极管S7998，此传感器内部集成前置放大电路，其低偏置电流最大为64 pA，传感器光洁面大小为(3×3)mm，基本参数见表1。为了采集有效蓝紫光，选用400 nm～440 nm 波段的窄带滤光片［3］。

传感器采集的模拟信号通过单片机A/D 转换为数字信号，单片机和PC 机的通信是通过单片机的串口和PC 串口之间的硬件连接实现的。

2 激光熔覆光信号采集储存软件设计

2.1 LabVIEW 实现PC 机与单片机串口通信

LABVIEW 提供了串行端口子模板，串行端口子模板中还包含许多的子模板(也称子VI)，其中主要包括8 个子VI，如表2 所示。

2.2 软件开发流程

在前面板中添加波形显示控件、串口资源名称控件、4 个确定按钮控件，并将按钮的标签修改为“清空”、“保存”、“开始”、“退出”，它们依次控制的操作是:(1)清空缓存区的数据;(2)保存数据到指定的文件夹中;(3)开始读取并显示数据;(4)退出程序运行。

表1 Si 光电二极管S7998 基本参数Table 1 Basic parameters of Si photodiode S7998

表2 串行通信节点功能表Table 2 Function of serial communication nodes

图1 光信号采集、存储程序总流程图Figure 1 General flow chart of light signal gathering and memory program

程序框图设计如图1 所示。主要分为4 个部分:

(1)串口参数设计。在程序框图设计中，首先需要调用VISA Configure Serial Port 完成串口参数的设置，包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控等，即初始化串口的工作。如果初始化没有问题，就可以使用这个串口进行数据收发。

(2)清空缓存功能设置。在“条件结构”框图中放置一个“VISA 设备清零”函数节点。按图示方式完成各个控件和节点后，运行程序，“点击”前面板的“清空”按钮时，可以实现清空串口通信时缓存区的数据。

(3)读取并显示单片机通过串口通信传输的数据。因为单片机传输的是字符串形式的数据，需要将一连串的字符型数字转换为浮点型的一维数组。程序图中主要包括VISA 串口字节数(VISA Bytes at Serial Port)、“VISA 读取”函数节点、“十进制数字符串至数值转换”函数节点以及MathScript 节点。“十进制数字符串至数值转换”函数节点和MathScript 节点的配合使用实现了将一连串的字符串型数字转换为浮点型的一维数组的功能。

(4)数据保存。在条件框图内，放置“写入文本文件”节点和“写入电子表格文件”节点，并如图2 完成连线。当程序运行时，在文件路径对话框中，输入指定保存路径，然后“点击”前面板中“保存”按钮，可以将采集到的数据保存到指定文件夹中，保存格式是“.txt”文件和“.xls”文件［5］。

2.3 程序运行效果分析

利用上述光信号采集存储程序和串口调试软件(图3)同时采集某一条件下等离子体蓝紫光信号，串口号分别设置为COM3 和COM4，其他参数一致。绘制采集到的光信号波形见图4、图5。可见除去开始和结束的短暂时间内采集到的光信号有差异外，其他都是完全一致的。这不影响实验数据的采集，因为在后续信号处理时是要剔除首尾一段采样点的。

图2 光信号采集存储程序细图Figure 2 Detailed diagram of light signal gathering and memory program

图3 串口调试软件界面Figure 3 Serial port commissioning software interface

图4 串口调试软件采集光信号波形图Figure 4 Diagram of light signal waveform gathered by serial port commissioning software

3 结论

图5 光信号采集程序采集的光信号波形图Figure 5 Diagram of light signal waveform gathered by light signal gathering program

文中设计的光信号采集程序，不仅达到了成熟的“串口调试软件”的基本功能，而且更优越。“串口调试软件”只能保存数据到文本文件中，而且文件中含有很多数字字符之外的字符串，不能够在后续处理信号时实时调用。本文设计的采集程序的最大优点就是克服了普通“串口调试软件”的上述缺点。它不仅可以将采集到的数据保存为文本文件，而且可以保存为电子表格文件，还不含有数据字符串之外的冗余字符，方便后续的实时信号处理，同时也为激光熔覆闭环控制提供了新的思路。

［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］陈彦宾.现代激光焊接技术［M］.北京:科学出版社，2005.49-52.

［4］苏彦东，王健.激光焊接过程中的等离子体研究现状［J］.航空工艺技术，1988(4):22-25.

［5］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.

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