基于Labview的焊接电流与电压检测装置的设计

摘要
本文自主开发了一个专门针对焊接过程的电流与电压进行集数据采集、实时检测和焊后数据显示与储存为一体的系统。

通过该系统对焊接测试的数据显示和波形回放，一方面可以了解焊接设备、焊接材料的性能，另一方面也可以引导焊接设备、焊接材料的优化设计，以及制定合理的焊接工艺规范。

该系统由硬件、信号检测电路和相关软件组成。

该系统是以虚拟仪器图形化编程语言LabView8.6为平台，硬件选用计算机、电流、电压霍尔传感器，A/D转换器，单片机，USB和与之配套的接口电路。

本系统功能强大，具有可移值性，还可按使用者需求改动，界面逼真，运用简单。

本文利用此系统，选用CO2气体保护焊过程为研究对象，以CO2气体保护焊过程中的电弧电压和焊接电流为信号源，完成了数据的采集、实时的检测和焊后的数据回放显示储存，还可以按照用户需求存储在指定位置。

本文根据系统对CO2气体保护焊过程进行焊接电流与电弧电压数据储存显示和波形回放，能够为CO2气体保护焊过程在线实时检测提供现成的工具，能够为今后的CO2气体保护焊过程质量在线实时评价与预估提供了参考，同时还能对弧焊工艺方面有着参考意义。

关键词:虚拟仪器，CO2气体保护焊，LabView，单片机，数据采集
Abstract
This paper developed a special process for welding current and voltage data acquisition, real-time detection and post-weld data and storage into one system. Welding tests through the system analysis and evaluation, on one hand evaluation of welding equipment, welding material properties, it also can lead welding equipment, welding materials, optimization of design and development of welding procedure specifications and reasonable. The system consists of hardware, signal detection circuit and associated software.
The system is based on virtual instrument graphical programming language LabView8.6 as a platform, the hardware used computers, current, voltage, Hall sensor, A / D converter, microcontroller, USB and its accompanying interface circuit. The system is powerful, has to move the value of, but also by changes in user requirements, interface realistic, the use of simple. By using this system, CO2 gas shielded welding process used for the study to the process of CO2 gas welding arc voltage and welding current source, completed the data collection, real-time detection and playback of shows after welding data storage, Y ou can also deposit in accordance with user needs.
Based on the graphics system and the results obtained with the actual situation on the welding test this CO2 gas shielded welding process is analyzed and evaluated, proved that the system is able to provide analysis and evaluation of weld quality based on a true and effective, able to CO2 gas welding process to provide ready-made online real-time detection tools to for future CO2 gas welding process quality online real-time evaluation and estimate provides a reference, while on the arc welding process has a reference value.
Keywords: Virtual instrument, CO2 gas welding, LabView, Microcontroller, Data acquisition
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1绪论 (1)
1.1研究的目的和意义 (1)
1.2 虚拟仪器技术的发展及特点 (2)
1.2.1虚拟仪器的发展 (2)
1.2.2虚拟仪器的特点 (2)
1.3焊接检测分析系统的研究和发展状况 (5)
1.4主要研究内容及技术线路 (6)
1.4.1主要研究内容 (6)
1.4.2技术线路 (8)
2 系统硬件设计 (9)
2.1焊接电流电压转换电路设计 (9)
2.2数据采集实现 (12)
2.3 USB电路设计 (17)
2.4电源设计 (19)
3 系统软件设计 (20)
3.1系统软件平台LabView (20)
3.1.1LabView编程特点 (20)
3.1.2LabView编程工具介绍 (21)
3.1.3LabView简单编程举例 (24)
3.2 系统软件设计 (25)
3.2.1焊接参数设置 (25)
3.2.2数据采集与存储 (26)
3.2.3波形回放、U-I图及滤波模块 (29)
4 结论 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
附录 (36)
1 绪论
1.1研究的目的和意义
焊接过程是一种受多种参数制约，而且又受许多随机干扰因素影响的复杂的工艺过程。

要实现焊接过程所有质量的实时传感与控制是很复杂的问题。

至今，人们也还无法对焊接过程在线和实时地直接检测和控制直接焊接质量，而只是利用焊接人员的感官或现有的传感技术，对焊接过程中进行检测和控制。

存在处理速度慢，数据流量小，操作不便等。

针对这种情况，开发建立基于计算机的在线检测及分析系统后，通过实时采集焊接过程的电流、电压信号并经过一定的信号处理和相关的分析，可以客观地监控焊接过程的状态和行为，及时地检测出焊接过程中的干扰或误差信号，实现对焊接质量的检测和评估，并为全面评价焊接过程工艺，分析缺陷产生的原因提供重要的客观依据。

至今为止，焊接工艺的种类非常多，这其中电弧焊工艺是所有焊接工艺中应用范围最广、发展也最快的，电弧焊有以下几种：熔化极气体保护焊、钨极气体保护电弧焊、手弧焊、埋弧焊和等离子弧焊等。

而在我国，在造船, 汽车制造, 石油化工, 农业机械等部门有着广泛应用的是50年代初期发展起来的一种新的焊接技术——CO2电弧焊，因为，它和其他电焊接技术相比, 有以下一些优点: 1．生产效率高
2．焊接成本低
3．焊接质量好
4．焊接适用应强
5．抗锈能力较强
6．因是明弧, 便于监视和控制, 有利于实现焊接过程的机械化和自动
7．操作简单和易于掌握，培养焊工容易
焊接过程中对焊接电流,电弧电压等重要参数的测量对焊接工艺、监控焊接过程有着很重要的意义。

通过系统对焊接电压电压检测的分析与评定，一方面可以评价焊接设备、焊接材料的性能，另一方面也可以引导焊接设备、焊接材料的优化设计，以及制定合理的焊接工艺规范。

1.2虚拟仪器技术的发展状况及特点
1.2.1虚拟仪器的发展
虚拟仪器（Virtual Instrument）是二十世纪90年代发展起来的一项新技术。

它将计算机与功能化硬件模块结合，用户可以通过的图形界面操作计算机。

在虚拟仪器中，图像和数据采集、分析、控制、结果输出和用户界面等功能都是由软件完成，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，因为软件是整个仪器系统的核心，即体现了“软件即仪器”的思想。

虚拟仪器以计算机硬件为平台，由传感器、模块化硬件接口卡以及测量软件库构成虚实并存的测量系统。

它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面软件之间的有效结合，具有传统仪器所没有的信号采集、分析和输出功能。

其基本结构包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测控仪器。

虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。

它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。

虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。

1.2.2虚拟仪器的特点
现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可分为基于PC总线的虚拟仪器、基于VXI的虚拟仪器、基于PXI的虚拟仪器，所应用场合不同各有其特点。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器技术的三大组成部分，首先是高效的软件，软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。

使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。

NI公司提供的行业标准图形化编程软件——LabView，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。

此外，NI提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C 语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。

有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

其次是模块化的I/O硬件，面对如今日益复杂的测试测量应用，NI提供了全方位的软硬件的解决方案。

无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，NI 都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。

NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

目前，NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如NI新近推出的新一代数据采集设备——先期推出的20款M系列DAQ卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。

最后是用于集成的软硬件平台。

NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。

由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。

PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。

无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。

这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

同时，虚拟仪器技术的四大优势
一、性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

二、扩展性强
NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。

得益于NI 软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。

在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

三、开发时间少
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。

NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

四、无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。

随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。

NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应用范围。

现在LaView不仅能在PC上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件。

这一技术也将最终提供这样的一个独立环境，使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能，如图3所示。

测试工程师将能使用合适的功能来进行系统级的设计。

当他们需要定义专门的测量功能时，他们也将可以用同样的软件工具来“细化”到合适的级别以定义测量的功能。

例如，工程师可以开发LabView程序来使用模块化仪器进行某些测量，如DC电压和上升时间。

当工程师需要开发专门的测量时，他们也可以使用LabView对原始的测量数据进行分析，从而开发出专门的测量，比如峰值检测。

如果在某些情况下他们需要使用一些新的硬件功能来实现测量，如定制的触发，那么他们可以用LabView定义一个触发和滤波方案，并嵌入到仪器卡上的
FPGA中。

虚拟仪器技术已成为测试、工业I/O和控制和产品设计的主流技术，随着虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。

1.3焊接检测分析系统的研究和发展状况
焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。

焊接在产品制造工业中是一种十分重要的加工工艺。

所以，焊接监测分析系统是至关重要的。

而焊接过程中主要的参数有：焊接电流，电弧电压等。

1.焊接电流
焊接电流对焊缝的熔深影响非常大。

当焊接电流在6到250安范围内时，也就是以短路过渡形式焊接时，焊接飞溅较小，焊缝熔深较浅,一般在1到2mm左右。

只有在300安以上，焊接的熔深才明显增大，而且随着焊接电流的增加，熔深也增加。

2．电弧电压
电弧电压是一个重要的焊接工艺参数。

电弧电压的大小会影响焊接过程的稳定性、熔滴过渡、焊缝成形、飞溅程度等。

电弧电压对这些方面的影响：短路过渡时弧长比较短，并伴随有均匀规则密集的短路声。

当电弧电压增加时，弧长同时也增加，这时电弧的声变不规律，飞溅也变的更明显更多。

如果此时继续提高电弧电压，就可以达到没有短路的过程的；相反，当电弧电压减小时，弧长会变的较短，并伴随便出现比较明显的爆破声，甚至还会引起焊丝与熔池固体短路。

电弧电压对焊缝成形的影响也是非常明显，无论是小电流（短路过渡区）还是大电流（射滴过渡区）时，焊缝成形的规律基本相同，通常电弧电压高时熔深变浅，熔宽明显增加，余高减小，焊缝表面平坦，相反，电弧电压低时，熔深变大，焊缝表面变得窄且高。

据统计,每年需要焊接加工工艺处理后才能使用的钢材就是钢总产量的百分之四十五左右。

随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术也在
不断进步。

首先，一个国家的焊接技术发展水平也是一个国家工业和科学技术现代化发展的一个标志。

其次，当今世界由于地区化集团化经济的发展贸易竞争日益激烈，产品质量的竞争已成为贸易竞争的最重要的因素。

焊接产品质量也同样是企业发展的命脉提高产品质量不仅对企业十分重要对焊接技术的进一步发展也是十分重要的。

所以焊接质量控制是焊接生产中的极为重要的环节。

至今为止，焊接工艺的种类非常多，这其中电弧焊工艺是所有焊接工艺中应用范围最广、发展也最快的，电弧焊有以下几种：熔化极气体保护焊、钨极气体保护电弧焊、手弧焊、埋弧焊和等离子弧焊等。

任何一个焊接产品在投入大量生产之前，必须要通过标准试样的焊接试验和多方面检测，才能保证获得符合产品设计要求的焊接质量，才能放心的大量生产。

，所以获得最理想化可在焊接过程中使用的焊接条件和焊接参数是非常重要的。

但是大多时候，就算采用了试验过程中得到的最理想化的焊接条件和焊接参数，在生产过程中也常常会产生各种缺陷，不能得到最好的焊接质量，所以在线的实时检测也是非常重要的。

现代焊接生产过程中，为了更加有效的提高生产质量，降低废品率，减免不避要的资源浪费及提高劳动生产率，焊接过程中的在线实时检测系统便应运而生，而且发展越来越迅速。

它常常是由计算机处理器、数据传感器和控制平台构成。

这个系统可以达到在线实时检测实焊接过程参数的目的。

采用机器检测焊接过程中的参数，进而取代以往用焊工的经验对焊接质量好坏进行评价，实时监控被加工部件的全面质量，最终能达到通过对焊接参数和焊接条件的改进就能使焊接质量最理想化的目的。

1.4主要研究内容及技术线路
1.4.1研究内容
本课题的主要任务就是搭建一个能实时检测焊接过程，能采集并存储焊接过程中的焊接电流，弧焊电压的系统，然后通过本系统的实时检测、采集的数据多方面来评价焊接过程、焊接产品的质量、焊接设备的优缺点、焊接质量的性能等等。

也可以将这些评价与实际结果相比较，以此来衡量系统的可用性。

但在实际情况中，若焊接电流、电弧电压两个参数均为变量，试验分析过程会造成混乱。

而焊接电流和焊接电压的配合在焊接过程中是极为重要的，配合不当，会造成咬边等缺陷。

针对主要任务，首先提出一个解决路线及方案。

该系统主要是以USB
型单片机AT89C51为硬件控制核心，构建弧焊电参数实时采集系统，结合USB 总线技术，实现USB型单片机与虚拟仪器开发平台Labview的数据通信，在此基础上开发虚拟仪器软件系统，实现对弧焊过程焊接电流、电弧电压信号的在线监测和自动记录，最终达到对弧焊品质、电焊机性能、焊接材料等方面的评估。

建立一套最终具有可移植性的焊接电流及电压数据采集系统。

流程图如图 1.1所示：
图1.1流程图
根据此路线，所做工作及研究内容大致为以下几点：
1．合理选择传感器，最前端检测电路的设计，硬件抗干扰措施都是非常重要，一定要考虑到的。

2．合理选择与使用A/D转化器，尽量选择处理速度快，精度高的转换器。

3．合理选择与使用单片机，尽量选择处理速度快，精度高的单片机。

4．设计、编制与调试数据采集程序。

达到对焊接过程的电流和电压实时在线监测，记录和显示。

5．试验研究。

将此数据采集系统应用于试验研究，一方面可以取得一些学术上理论成果，另一方面也可以检验数据采集系统的应用性能。

1.4.2技术线路
（1）系统硬件设计方案
硬件部分主要由计算机，传感器，单片机，USB控制器组成。

焊接过程中的电信号是不能直观看到的，所以要采用传感器将焊接电流和电弧电压信号变换成电信号，电信号为模拟信号，计算机仍然不能直接利用，所以要这些电信号要再经由比例放大电路、滤波电路以及A/D转化成为本系统所用的单片机能读取的信号。

再经由USB传给计算机。

（2）系统软件设计方案
软件部分由试验参数记录模块、数据采集模块和回放滤波模块。

它们分别的功能如下：
试验参数记录模块：它的功能是记录试验条件及参数，如焊接设备、母材种类、焊接条件、过渡形式、焊接材料、保护气体等等。

数据采集模块：它的功能是对焊接电流电压波形进行数据采集以及实时显示，将采集的数据以文本的形式储存用户所想存放的位置。

回放滤波模块：它的功能是对所存储的数据进行回放显示。

为了分析的不同需要可以进行不同的滤波。

2.系统硬件设计
焊接检测系统硬件部分主要由计算机，传感器，A/D转换器，单片机，USB 组成。

焊接过程中的电信号是不能直观看到的，所以要采用传感器将焊接电流和
焊接电压信号变换成电信号，电信号为模拟信号，计算机仍然不能直接利用，所以要这些电信号要再经由比例放大电路、滤波电路以及A/D转换成为本系统所用的单片机能读取的信号。

再经由USB传给计算机。

如图2.1：
图2.1系统流程图
2.1焊接电流电压转换电路设计
传感器是一种能够将被测物理量(如力、应变、位移、速度、速度、加速度、温度、应力等)转换成与之相应的易于测量、传输、放大的处理信号的仪器。

因为焊接过程是一个非常复杂的物理及化学的变化过程，因此许多因素都会影响焊接的电流和电压。

所以正确选用应用在焊接方面参数检测方面的传感器是极为重要的，通常我们要考虑到以下几个性能指标：
1．隔离和抗干扰能力；于焊接方面的参数检测传感器必须要求要有较高的隔离能力和抗干扰能力，要能保证强电与弱电信号无直接的物理连接，力求避免检测的强电信号干扰，以防破坏测试系统。

在焊接领域方面，测试检测参数所采用的传感器的隔离方式通常选择电磁隔离、光电隔离以及霍尔效应隔离。

2．线性范围；因为它需要将大的焊接电流电压转换为数据采集卡可以处理的小信号，所以要求所选传感器的线性工作范围包括焊接电流电压的范围。

3．量程和精度；被选用的传感器的量程和精度应该要能满足跟随测试信号变化的要求，其灵敏度要与计算机和数据采集卡的字长位数相适应。

4．频响特性；本系统所选传感器的频响特性必须保证信号不失真，而且它的反应速度要与所用计算机相匹配。

大概介绍一下霍尔传感器原理。

如下图2.2所示，在半导体薄片两端均通以电流I，同时在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的均匀强磁场，那么在垂
直于电流和磁场的方向上，就会产生电势差为：H H V K I B =∙∙（3.1）
图2.2霍尔传感器
原理图 式中H V 为霍尔
电势，H K 为霍尔元件的
灵敏度。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

利用霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

所以说霍尔传感器就是基于霍尔效应的一种传感器。

它具有结构简单、形小体轻、无触点（亿次开关）、频率响应范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出量的变化可达1000比1）、寿命长等特点，霍尔传感器还能测量各种类型的电流，而电隔离的输出为电压信号或者电流信号，精度普遍较高，虽说要用辅助电源，但其功耗很小；另外霍尔传感器还有其他一些优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，频率高（可达1MHz ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽等污染，因此使用方便、可靠。