光电工程  2019, Vol. 46 Issue (8): 180534      DOI: 10.12086/oee.2019.180534     
激光诱导等离子体声波信号实时采集分析软件系统
刘学军1,3 , 吴嘉俊1,2 , 乔红超1,2 , 赵吉宾1,2 , 李长云3 , 张旖诺1,2 , 万烂军3     
1. 中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110016;
2. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110016;
3. 湖南工业大学计算机学院,湖南 株洲 412007
摘要:为实现激光冲击强化在线检测,针对激光诱导等离子体声波现象,采用SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡采集声波信号,研究并设计了一种激光诱导等离子体声波信号实时采集分析软件系统。设计了该系统的可行性和准确性测试实验,首先用激光冲击强化在线检测系统采集传播在空气中的激光诱导等离子体声波信号,并从中提取等离子体声波信号能量;利用X射线应力分析仪测量试件强化后的残余应力以验证激光冲击强化实验的可靠性。实验结果表明,本文设计开发的软件系统能实时采集分析激光冲击强化过程中的等离子体声波信号,并能准确提取每一次冲击强化产生的声波信号能量;且随着激光冲击能量的增加,等离子体声波信号能量和试件表面残余压应力都增大,且二者曲线线型一致,说明该软件系统准确可靠,满足激光冲击强化在线检测的需求。
关键词激光冲击强化    激光诱导等离子体声波    在线检测    实时采集分析    软件系统    
The real-time acquisition and analysis software system for laser-induced plasma acoustic wave signal
Liu Xuejun1,3, Wu Jiajun1,2, Qiao Hongchao1,2, Zhao Jibin1,2, Li Changyun3, Zhang Yinuo1,2, Wan Lanjun3     
1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Science, Shenyang, Liaoning 110016, China;
2. Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110016, China;
3. School of Computer, Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412007, China
Abstract: In order to realize the online detection of laser shock processing and aim at the phenomenon of laser-induced plasma acoustic wave, the SIA-AEDAC-01 acoustic emission acquisition card is used to collect acoustic wave signals. The real-time acquisition and analysis software system for laser-induced plasma acoustic wave signal is studied and designed. The test experiment for feasibility and accuracy of the system is designed. Firstly, the laser-induced plasma acoustic wave signal propagating in air is collected by the online detection laser shock processing system, and then the system gets the laser-induced plasma acoustic wave signal energy. The residual stress of the test pieces after the treatment of laser shock processing was measured by an X-ray stress analyzer to verify the reliability. The experimental results show that the laser-induced plasma acoustic wave signal can be collected and analyzed in real-time by the real-time acquisition and analysis software system, which is designed and developed in this work, and the software system can accurately get the acoustic signal energy. At the same time, both the acoustic wave signal energy and the surface residual stress of the test pieces are increased with the laser energy, and their change curve is consistent. In conclusion, the real-time acquisition and analysis software system for laser-induced plasma acoustic wave signal can satisfy the requirements of online detection of laser shock processing with accurate and reliable performance, and meet the online monitoring requirements of laser shock processing.
Keywords: laser shock processing    laser-induced plasma acoustic wave    online detection    real-time acquisition and analysis    software system    

1 引言

激光冲击强化(Laser shock processing/peening,LSP)是一种新型的表面强化工艺技术,其基本原理为采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(> 109 W/cm2)的激光辐照到材料表面的涂覆层,涂覆层在吸收激光能量后爆炸性气化产生高温高压的等离子体,等离子体在束缚层的束缚下形成高压冲击波向材料内部传播,对材料表层产生塑性变形,引起一系列材料微观组织变化,形成残余应力,最终提高材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命[1-5]。该技术具有强化效果佳、可控性强、适应性好等优点,在航空发动机、飞机、地面燃气机轮、叶轮机械等装备、设备部件制造和修理中广泛应用[5-6]

材料在加工过程中形成的残余应力严重影响工件疲劳强度、静力强度及耐腐蚀性能,借助材料残余应力测试方法以检验材料性能和评估激光冲击强化的效果[7-9]。目前残余应力的测试方法大多数为离线方法(如小孔法[10-11]、X射线应力测量[12-13]),这些方法效率低下,不利于及时更改工艺,而且测试成本高[7, 14-15]。为实现激光冲击强化工艺大规模的工业生产应用,必须开发该工艺的无损在线检测技术。为此,国内外许多学者开展了激光冲击强化无损在线检测研究,分析激光诱导等离子体声波的传播过程[16-19]。通用电气公司提出了一种通过分析激光冲击强化过程中一阶或多阶固有频率变化值来实现激光冲击强化质量实时监测的方法[20]。杨贺来[21-22]通过叶片激光冲击强化处理的过程监测研究发现:冲击点残余压应力值与叶片固有频率的变化值基本呈正相关关系,但相关性并不十分明显。中国科学院安徽光学精密机械研究所的郭大浩团队[23]利用PVDF薄膜传感器对冲击强化过程的冲击波压力进行实时测量,得到了激光引发的冲击波峰压在铝中呈指数衰减的规律,从而实现对激光冲击强化过程的实时监测;然而,PVDF薄膜在使用多次后会失效,在大规模生产中会降低激光冲击强化的生产效益,该方法中的冲击波峰值压力不能很好地体现激光冲击强化给工件材料带来的变化[24]。邱辰霖[25]研究表明激光诱导等离子体声波信号与激光冲击强化过程有着密切的联系。乔红超等[26]通过自主研制的激光冲击强化在线检测系统对强化过程中在空气中传播的冲击波信号进行采样、存储、数字滤波和波形数据分析,通过提取声压水平因子来判断强化效果,研究结果表明随着单脉冲能量的增大,试件表面残余压应力和声压水平因子都增大,且二者的曲线形状一致;该研究能够解决基于固有频率检测方法相关性不明显的问题,具有很好的现实应用意义。

本文以中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡为研究对象,设计一种可用于激光诱导等离子体声波信号实时采集分析软件系统。通过实时采集分析软件系统对等离子体声波信号进行实时的采样、存储、数字滤波和波形数据分析,从中提取等离子体声波信号能量,用于激光冲击强化质量的判断。该研究的开展,能够丰富基于激光诱导等离子体声波信号的激光冲击强化在线检测技术应用,促进激光冲击强化技术工业应用的智能化发展。

2 硬件模块

硬件平台基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡,该采集卡通过PCI-Express(peripheral component interconnect express)接口与工控机进行通信,最大速率100 Mb/s,性能上具备双通道24位A/D转换器,采样速率5 MS/s,详细参数如表 1所示。此外,平台使用声发射传感器采集激光诱导等离子体声波信号,其谐振频率150 kHz,灵敏度65 dB。图 1所示为系统硬件平台的基本结构,其中,声发射传感器将激光诱导等离子体声波信号转换成微弱电信号,然后经外置放大器放大后通过低噪信号线传输到采集卡进行A/D转换,在采集卡内部,声波信号经过预处理形成原始数字信号。

表 1 SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡的主要技术参数 Table 1 The main technical parameters of SIA-AEDAC-01 acoustic emission data acquisition card
Technical parameter Value
Data interface PCI-Express 100 Mb/s
Sampling precision 24 bit
Sampling rate Maximum 5 MS/s
Bandwidth of signal frequency 1 Hz~400 kHz
Filters Simulation/Digital
Channel Double

图 1 SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡的硬件结构 Fig. 1 The hardware structure of SIA-AEDAC-01 acoustic emission data acquisition card

SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡内置一个32 kb的数据缓存,当采样频率提高数据量增大时,通过该缓存解决软件层和硬件层之间的数据传输速度不匹配问题。

为保证软件开发的易用性和安全性,采集卡的数据传输、控制命令和状态响应等操作封装成SDK形式。声发射数据采集软件基于操作系统PCIe通信方式,通过调用采集卡的API对其进行状态控制和声波信号数据获取。

3 软件架构设计

软件架构如图 2所示。软件主要功能包括建立与采集卡的通信、提取原始传感数据、进行信号分析和处理得到声波信号波形、参数值等数据,最终将其可视化显示。通过该软件实现两个目的:1)实现数据监控、实时诊断激光冲击强化过程;2)存储声波信号数据,用于离线分析激光冲击强化性能。

图 2 软件基本架构 Fig. 2 The basic framework of software
3.1 软件功能模块

中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡的采样率高达5 MS/s,采集软件在满足基本功能的前提下,要求执行效率高,并且需要考虑软件功能升级与维护的需求。为此,采用面向对象的程序方法,首先独立设计各个功能模块,然后通过软件主框架衔接各子模块,最后利用主框架响应用户操作进行功能调度,实现软件的各项需求。图 3所示为本文声发射采集处理软件系统的功能模块示意图。

图 3 软件功能模块设计 Fig. 3 The design of software function module

1)主框架  采集软件的核心部分,承载软件各个功能模块,并进行模块间的数据传输和指令交互,使各模块之间相互独立,保证软件逻辑结构清晰、层次分明、数据安全,提高软件升级和维护性能。

2)存储模块  激光诱导等离子体声波信号数据包括两种,一是波形流数据,反映声波变化状态;二是声波特征参数数据,由采集卡获取的等离子体声波原始数据经特征提取获得。

存储模块保存激光诱导等离子体声波波形数据和特征参数数据,软件从采集卡获取原始数据,由传输模块负责数据的发送和接收,存储模块相应地进行存储操作,包括监听存储请求、文件初始化、数据写入读出等。

此外,由于采样率较高,采集卡单位时间内获取的数据量较大,软件层无法实时接收处理传感数据,容易造成数据堵塞现象。为此,存储模块中设置一个环形队列数据缓存,声波信号数据从缓存队尾依次存入,从队首依次读出并存储,不断循环遍历整个环形队列。

3)计算模块  原始声波信号数据因包含噪声,需要通过计算模块进行降噪、滤波等预处理操作。为此,计算模块包括一些低通、均值、高斯等滤波方法,经过滤波的数据可以进行存储或显示。并且,为了有效分析激光诱导等离子体声波数据,需要进一步提取信号中的关键特征数据如能量、幅值等,将由计算模块负责完成相应的特征计算或提取方法。

根据声发射参数分析方法[27],本文采集到的等离子体声波信号能量可由均方电压Vms或方均根电压Vrms推导获取:

$ {V_{{\rm{ms}}}} = \frac{1}{{\Delta T}}\smallint _0^{\Delta T}{V^2}\left( t \right){\rm{d}}t, $ (1)
$ {V_{{\rm{rms}}}} = \sqrt {{V_{\text{ms}}}} , $ (2)

式中:∆Τ为平均时间,V(t)为随时间变化的信号电压。

则等离子体声波信号在t1~t2时间内的总能量可由下式表示:

$ E \propto \smallint _{{t_1}}^{{t_2}}{\left( {{V_{{\rm{rms}}}}} \right)^2}{\rm{d }}t =\smallint _{{t_1}}^{{t_2}}{V_{{\rm{ms}}}}{\rm{d}}t, $ (3)

4)交互模块  实现人机交互功能。根据激光冲击强化工件材料特性,软件在采集激光诱导等离子体声波信号时需要选择不同的参数,如幅值门槛、采样率,以确保采集到最理想的数据。用户在进行软件操作和输入设定时,由交互模块进行消息响应,并将其发送至主框架的消息队列,由主框架进行各个指令的具体处理,调用各子模块完成消息功能,如数据存储、波形显示、数据采集、传输控制等。

3.2 多线程设计

采集软件通过调用API函数与声发射采集卡进行通信,包括状态控制和声波信号数据传输。采集卡被动完成相应操作,无法向软件层发起通信请求,导致采集卡获取一帧有效的声波信号数据后无法立即传输至采集软件。为此,软件层必须设置一个监听数据采集卡数据状态的任务,考虑到采集卡单帧数据量大、特征计算复杂的特点,采用多线程并发技术,增加若干工作线程独立完成各项程序任务,实现软件效率最大化。

软件系统在主线程基础上开辟4个工作线程(图 4所示),主线程主要完成软件初始化、创建工作线程、任务调度、界面交互等任务,工作线程分别完成声波信号数据监听传输、数据存储、可视化显示和声波信号数据分析处理。

图 4 软件线程设计 Fig. 4 The design of software thread

1)子线程一:监听声发射采集卡数据状态以及传递有效数据。上文所述,由于通信机制,采集卡无法主动发起数据就绪准备传输请求,在该线程中,程序循环查询声发射采集卡工作状态,包括是否获取到激光诱导等离子体声波信号数据,当监听到数据采集完成、准备就绪的状态后立即读出采集卡中声波信号数据,并置入数据缓存中,然后继续转入采集卡状态监听任务中。

该线程主要从采集卡读取声发射数据,然后写入程序数据缓存中,软件主线程以及其它工作线程根据需求从数据缓存中读取数据,完成相应功能。显然,多个线程之间对同一内存的读写容易产生冲突,为此,该数据缓存采用上文所述环形队列结构[28],对比一般“线程锁”的方式,提高了数据处理效率。

2)子线程二:存储声波信号数据。软件系统单次指令采集的激光诱导等离子体声波信号数据量大,数据从内存写入硬盘文件速度较慢,如果程序保存数据任务指令放在主线程中进行,必然会影响主线程其它任务的处理效率,为此,另增加一个数据存储线程。在该线程中程序循环检测主线程中是否有保存数据任务需求,当存在保存操作指令时,存储线程立即从数据缓存中读取激光诱导等离子体声波信号数据,并按照存储规则保存到本地磁盘,完成操作后继续进入循环检测主线程保存任务需求指令中。同时,该线程接收用户界面发出的采集暂停、恢复和结束指令而执行存储待机、恢复和结束操作。

3)子线程三:可视化显示声波信号数据。此线程主要在程序界面上显示声波信号数据,包括波形流数据和参数数据,当主线程发起数据显示请求后,该线程将从声波信号数据缓存中分别取出波形数据和特征数据展示在界面上。

4)子线程四:声发射数据处理与分析。计算声波信号数据能量,进行频域变换,从多维角度分析材料冲击强化性能。

4 验证实验方案设计

基于上述软件架构设计思路,采用Microsoft Visual Studio 2012开发环境,编写了基于SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡的软件系统,实时采集激光诱导等离子体声波信号,软件结构如图 5所示。

图 5 程序体系结构 Fig. 5 The architecture of program

为了对软件系统可靠性进行验证,利用中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的SIA-LSP-01型激光冲击强化设备对经过振动时效处理的TC17钛合金试件进行激光冲击强化实验,其中激光器的具体技术参数如表 2所示。

表 2 激光器技术参数 Table 2 The technical parameters of laser
Parameters Value
Operation material Nd:YAG
Wavelength/nm 1064
Pulse energy/J 0~7
Working frequency/Hz Singal, 0.25, 0.5, 1, 2
Pulse width/ns 10~30
Energy distribution Gaussian distribution
Spot shape Circle
Spot diameter/mm 2~4

激光能量分别为5 J、5.5 J、6 J、6.5 J、7 J条件下进行五组冲击强化实验。激光功率密度函数计算式:

$ {I_0} = \frac{{4E}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{\mathit{D}^{\rm{2}}}\tau }}, $ (4)

式中:I0为激光功率密度,单位为GW/cm2E为激光能量;D为光斑直径;τ为激光脉宽。

本次实验选用激光参数为:频率1 Hz,光斑直径2.8 mm,激光脉宽14 ns;根据式(3)可得不同能量密度下的功率密度,如表 3所示。采用100 μm厚的黑胶带为吸收层;1.5 mm厚的均匀水膜为约束层;光斑搭接率为25%,为6×6光斑分布;冲击强化路径采取蛇形轨迹,具体由库卡机器人实现。在激光冲击强化实验结束后,通过X射线应力分析仪测量强化试件的表面残余应力以验证该冲击试验可靠性并评价设计的软件系统。实验装置示意图如图 6所示。

表 3 不同激光能量下对应的激光功率密度 Table 3 Laser power intensity of each associated laser energy
Laser energy/J Laser power intensity/(GW/cm2)
5 5.80
5.5 6.38
6 6.96
6.5 7.54
7 8.12

图 6 实验装置示意图 Fig. 6 The diagram of experimental device
5 实验结果

图 7为软件系统分析测量得到的等离子体声波波形。从图中可以看出:激光冲击强化一次,产生一个呈“三角形”衰减的波形信号;本次实验激光频率设定为1 Hz,故每隔1 s激光冲击强化1次,图中“三角形”波形信号的时间间隔为1 s,与实验设置的时间间隔对应;图中各冲击点的波形信号基本一致,表明在相同激光能量下,等离子体声波信号稳定。本文设计的软件系统得到等离子体声波信号能量,其大小为信号包络线下的面积,与波形图中的“三角形”区域面积对应,单位为V·s。

图 7 等离子体声波信号波形图 Fig. 7 The diagram of plasma acoustic waveform

图 8为激光能量对试件表面残余压应力的影响曲线,从图中可以看出:试件经激光冲击强化后,在其表面形成了残余压应力(由于经过振动时效处理,试件初始表面应力为0),且试件表面残余压应力随激光能量的增加而增加;当激光能量为5 J时,试件表面形成的残余压应力为337 MPa;当激光能量增加到7 J时,试件表面残余压应力为454 MPa。

图 8 激光能量对试件表面残余压应力的影响 Fig. 8 Effect of laser energy on surface residual com-pressive stress of samples

图 9为激光能量对等离子体声波信号能量的影响曲线,从图中可以看出:激光诱导等离子体声波信号能量随激光能量的增加而增加;当激光能量为5 J时,激光诱导等离子体声波信号能量约为1.449 V·s;当激光能量增加到7 J时,激光诱导等离子体声波信号能量约为1.851 V·s。

图 9 激光能量对等离子体声波信号能量的影响 Fig. 9 Effect of laser energy on plasma acoustic wave signal energy

通过对比图 8图 9可以发现,随着激光能量的增加,激光诱导等离子体声波信号能量和试件表面残余压应力都增大,且二者曲线线型一致,说明本文设计的软件系统的检测结果可靠;同时也反映了SIA-AEDCA-01型声发射数据采集卡能够满足激光冲击强化声波检测的技术要求。

6 结论

1) 针对激光冲击强化过程中产生的激光诱导等离子体声波现象和基于激光诱导等离子体声波信号的激光冲击强化在线检测方法,以中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的SIA-AEDAC-01型声发射数据采集卡为研究对象,本文设计出了一种激光诱导等离子体声波信号实时采集分析软件系统,为激光冲击强化声波检测技术的发展提供了理论基础。

2) 对TC17钛合金试件进行激光冲击强化实验以验证该软件系统的可靠性,实验结果表明:随着激光能量的增加,激光诱导等离子体声波信号能量和试件表面残余压应力都增大,且二者曲线线型一致。

3) 由于激光冲击强化过程极为复杂,涉及众多因素,等离子体声波信号能量受测试材料、约束层和吸收层的厚度、激光参数等因素的影响,因而激光冲击强化在线检测技术还存在巨大的研究空间,需要进一步通过实验总结规律,完善理论。

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