光纤式激光焊缝跟踪传感系统研究
《2024年分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究》范文
《分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究》篇一一、引言随着现代科技的不断进步，分布式光纤传感技术以其独特的优势在众多领域得到了广泛应用。
特别是在结构健康监测领域，分布式光纤传感技术因其高灵敏度、高空间分辨率和长距离监测能力，成为了结构应变及开裂监测的重要手段。
本文将详细探讨分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究。
二、分布式光纤传感技术概述分布式光纤传感技术是一种基于光纤的光学传感技术，通过在光纤中传输的光信号与外界环境相互作用，实现对温度、应变、振动等物理量的测量。
其核心原理是利用光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）等手段，对光纤中的后向散射光信号进行分析，从而获取沿光纤分布的物理量信息。
三、分布式光纤传感技术在结构应变监测中的应用（一）应用原理在结构应变监测中，分布式光纤传感技术通过将光纤埋设或粘贴在结构物表面或内部，利用光纤对结构物的微小形变进行感知和测量。
当结构物发生形变时，光纤中的光信号会随之发生变化，通过分析这些变化，可以推算出结构物的应变情况。
（二）应用案例以大型桥梁结构为例，通过在桥梁关键部位埋设光纤传感器，可以实时监测桥梁的应变分布情况。
一旦发现异常应变，可以及时采取措施，避免桥梁发生结构性损伤或垮塌事故。
四、分布式光纤传感技术在结构开裂监测中的应用（一）应用原理在结构开裂监测中，分布式光纤传感技术可以通过检测光纤中光信号的突然变化来预测和监测结构的开裂。
当结构发生开裂时，由于裂缝的产生和发展，光纤中的光信号会受到影响，这些变化可以被传感器捕捉并分析，从而实现对结构开裂的监测。
（二）应用案例以建筑物结构为例，通过在建筑物的关键部位布设光纤传感器，可以实时监测建筑物的开裂情况。
这对于预防建筑物因开裂而导致的安全事关重大，能够为建筑物的维护和修缮提供有力支持。
五、结论分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中具有重要的应用价值。
其高灵敏度、高空间分辨率和长距离监测能力使其成为了现代结构健康监测的重要手段。
mems光纤传感技术
mems光纤传感技术
MEMS光纤传感技术（MEMS Fiber Optic Sensing Technology）是一种基于微机电系统（MEMS）和光纤传感原理的新型传感技术。
它将微机电系统技术与光纤传感技术相结合，实现了高灵敏度、高精度的传感器。
MEMS光纤传感技术的工作原理是利用光纤作为传感元件，通过光纤的变形、折射、干涉等效应来感知和测量物理量的变化。
同时，利用微机电系统技术制作微米级别的传感元件，将光纤与微机电系统结合在一起，实现对不同物理量的高精度测量。
MEMS光纤传感技术具有许多优点：
1. 高灵敏度和高精度：MEMS技术的微米级别尺寸和光纤传感技术的高精度测量相结合，可以实现对微小变化的高灵敏度测量。
2. 多样化的应用：MEMS光纤传感技术可以用于测量各种物理量，包括温度、压力、形变、加速度、振动等。
它在工业控制、结构监测、生物医学、环境监测等领域有广泛应用。
3. 长距离传输能力：光纤传感技术可以利用光纤的特性进行长距离的传输，使得传感器可以灵活地布置在远距离的位置。
4. 抗干扰性强：光纤传感技术可以通过光信号的传输和处理来抵抗外界电磁干扰和噪声，提高传感器的稳定性和可靠性。
5. 实时性和快速响应：MEMS光纤传感技术具有快速的响应速度和实时监测能力，能够实时获取物理量的变化情况。
尽管MEMS光纤传感技术在高灵敏度和高精度测量方面具有许多优势，但仍然面临一些技术挑战，例如制造成本、集成度和复杂性等。
随着技术的不断发展和改进，相信MEMS光纤传感技术将在更多领域得到应用和推广。
移动式焊接机器人焊缝跟踪控制研究_柳长春
移动式焊接机器人焊缝跟踪控制研究柳长春 郑军 吴峰 潘际銮 （清华大学机械工程系，北京100064）摘要：针对在工业中有广泛应用前景的移动式焊接机器人，建立了机器人的数学模型，并根据工作情况，对其进行了简化处理，在此基础上，设计了控制器，并用李雅普诺夫直接法证明了该控制器的全局一致收敛性。
对于弯曲焊缝跟踪问题，提出采用双线激光视觉传感器检测机器人位置偏差和姿态角偏差，基于姿态角偏差的变化率，在线估计参考角速度的值。
仿真和机器人运动实验验证了该控制方法的有效性。
关键词：移动焊接机器人 焊缝跟踪 李雅普诺夫方法 双线传感器0前言焊接机器人是实现自动焊接的方法之一,已成为焊接自动化一个新的发展方向和研究热点[1]。
移动式机器人具有机构简单、适应性强、能够在非结构环境下进行作业等特点，具有很好的应用前景[2]。
焊缝跟踪效果直接影响着机器人自动焊接的质量。
作为一类典型的非完整系统，移动机器人的路径跟踪近年来引起了科研工作者的重视。
Kanayama 等人采用动态反馈线性化方法获得指数收敛的跟踪控制率，该方法具有阶数高和闭环系统有奇异点的不足[3]。
文献[2, 4]采用backstepping方法，设计了控制器，该控制器具有阶数低的优点，然而，控制器结构复杂，所需反馈量在工程中难以获取。
此外，还有学者研究了模糊控制在机器人路径跟踪中的应用，模糊控制虽然可以实现较大范围的有效跟踪，但模糊控制器性能受人为因素影响很大。
本文对一类新型的，具有四自由度，受非完整约束的焊接机器人，建立其运动模型，设计了焊缝跟踪控制器，并采用李雅普诺夫方法证明了该控制器可以实现跟踪误差的全局收敛，进行了仿真和机器人实验，验证了该方法的有效性。
1 机器人运动学模型机器人结构如图1所示：图 1机器人结构示意图机器人由车体，焊枪，十字滑块组成，焊枪通过十字滑块与车体连接，具有横向自由度，速度为u，图中，t表示焊枪前端，位姿坐标为(,,)Tx y θ，v 表示车体几何中心线速度，w 表示车体角速度。
焊缝自动跟踪系统x 孙中皋1
[3 - 4 ]
带中心 ,提取出焊缝的特征点位置 ,将焊缝偏差信 号送入伺服电机控制系统 ,对焊缝进行实时跟踪 .
1 系统结构及工作原理
本系统硬件包括工业控制计算机 、 伺服电机 、 PLC 控制器 、 CCD 传感器 、 激光发生器 、 基于 PCI 总线的 DH - CG400 图像采集卡 、 KPCI824 模拟量 输出卡和 KPCI840 开关量输入输出卡等 , 系统结 构如图 1 所示 . 视觉传感器采用激光以一定角度 照射 , 摄像头垂直接 收 的 方 式 . 工 作 过 程 中 , CCD 摄像头采集到的图像由图像采集卡输入到工 业控制计算机 , 工控机处理图像求出焊缝的中心 位置并将偏差量送给伺服系统 , 通过跟踪结构调 整探伤仪和 CCD 摄像头的位置 ,从而对焊缝实现 实时跟踪 . 整个系统的操作和逻辑控制通过 PLC 控制器由操作台发送给 IΠ O 接口 . 焊缝跟踪原理 如图 2 所示 .
× 256 大小的图像所用时间不超过 50 ms , 完全满 足实时处理的要求 , 实现了焊缝偏差的实时检测 和调节 . 该系统的跟踪精度和调整能力都达到了 设计要求 ,已在工厂中实际应用 ,取得了令人满意 的效果 .
[1 ]SUG A Y,MUTO A , K UMAG AI M. Automatic tracking of welding line by autonomous mobile robot for welding of plates( tracking of linear and angled welding lines) [J ] . Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers , 1997 ,63(612) :2918 - 2924. [2 ] 鞠益兰 ,程金松 . 结构光式激光视觉传感器的焊缝跟踪系统 [J ] . 电焊机 ,2002 ,32 (5) :9 - 11. [3 ]AG APIOU G, K ASIOURAS C ,SERAFETINIDES A A. A detailed analysis of the MIG spectrum for the development of laser 2based seam tracking sensors[J ] . Optics &Laser Technology ,1999(31) :157 - 161. [4 ] 谢志孟 ,高向东 . 基于视觉传感的焊缝跟踪技术研究和展望 [J ] . 焊接 ,2005 (4) :5 - 9. [5 ] 徐 德 ,赵晓光 ,涂志国 ,等 . 基于结构光立体视觉的焊缝测量 [J ] . 焊接学报 ,2004 ,25 (5) :45 - 52. [6 ] 岳 宏 ,孙立新 ,蔡鹤皋 . 基于结构光的机器人焊接实时图像处理方法的研究 [J ] . 机器人 ,1999 ,21 (2) :144 - 147.
焊缝位置识别及图像处理算法的研究
88电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering焊缝自动跟踪是实现焊接自动化的关键，近年来受到了越来越多的关注。
目前，应用于焊缝跟踪系统的传感器最常见的有电弧传感器和视觉传感器。
电弧传感器结构简单，但只有电弧形成后才能工作，精度通常不高。
视觉传感器灵敏度和精度更高、不受电磁干扰，适合于各种不同布置形态的焊缝，是一种更有发展前景的方法[1]。
在焊缝位置获取和图像识别算法的研究方面，国内外都开展过一些研究，例如横尾尚志等提出了模糊控制和模糊专家系统[2]。
Yoshito Sameda 等以激光扫描法，通过焊缝图像处理，实现了焊缝跟踪[3]。
N.SHIBATA 等采用激光束与CCD 传感器配合，实现了焊接过程的跟踪控制[4]。
在国内，崔元彪等通过改进传感器的结构设计，实现了对焊缝的跟踪[5]。
在焊缝图像处理技术中，对图像的预处理及后处理是实现位置检测的关键技术。
预处理阶段的主要目的是采用滤波方法除噪，排除弧光、烟雾等干扰因素，常用的有频域滤波以及空域滤波[6]。
空域滤波比较常用，有邻域平均法以及中值滤波法等，其中，中值滤波法在滤除噪音的同时又能够保留原有图像的主要特征，应用得最为普遍。
对于焊缝图像后处理一般常采取的算法为二值化处理，其中关键技术是阈值的确定[7]，其中，Otsu 法是确定最佳阈值常用的一种有效方法[8]。
本文采用CCD 作为传感器采集焊缝位置图像，通过预处理后，在上位机上完成了图像后处理，并根据图像信息来指挥下位机工作，有效地完成了焊缝的跟踪。
1 试验方法及装置本文实验中采用的试验布置如图1，图中焊接设备部分包括焊机、焊枪和焊枪移动执行机构。
图像采集及处理系统包括CCD 摄像头，图像采集卡和上位机系统。
本课题试验中所采用的焊机为YC-400TX TIG 焊机，焊枪移动执行机构为自行设计，为十字滑板型结构，采用步进电机驱动，可以满足系统的精度要求。
窄间隙磁控-激光复合式焊缝跟踪方法
窄间隙磁控激光复合式焊缝跟踪方法沈言锦1,洪波2,杨鹏昊2,郭韬2（1.湖南汽车工程职业学院，湖南株洲412001；2.湘潭大学焊接机器人及应用湖南省重点实验室，湖南湘潭411105）摘要：针对窄间隙焊接需要精确的焊缝偏差信息以保证焊枪对中的问题，设计了一套磁控电弧-激光传感器相结合的焊缝跟踪系统，由前置的激光视觉传感器扫描焊缝中心，采用形态提取算法和基于Kernel 算法的相关滤波器得到焊缝特征点的坐标，经拉格朗日插值法处理，拟合出焊缝轨迹的近似曲线，设定门限阈值分两种情况采用双传感器数据自适应加权融合方法进行信息融合，使得焊缝偏差信息更为精确，最终保证焊枪的对中和侧壁良好融合。
关键词：窄间隙MAG 焊；磁控电弧激光传感器；焊缝轨迹预测；自适应加权融合方法中图分类号：TG409文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2019）12-0032-05DOI ：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.12.06Narrow gap magnetron-laser composite weld seam tracking methodSHEN Yanjin 1，HONG Bo 2，YANG Penghao 2，GUO Tao 2（1.Hunan Automotive Engineering Vocational College ，Zhuzhou 412001，China ；2.Hunan Provincial Key Laboratoryof Welding Robots and Applications ，Xiangtan University ，Xiangtan 411105，China ）Abstract ：For narrow gap welding ，precise weld deviation information is needed to ensure the problem of welding gun alignment.A magnetic tracking arc-laser sensor combined weld seam tracking system is designed.The front laser vision sensor scans the weld center and adopts the shape.The extraction algorithm and the correlation filter based on Kernel algorithm can obtain the coordinates of the weld feature points.The Lagrange interpolation method is used to fit the approximate curve of the weld trajectory.The threshold threshold is set in two cases.The adaptive weighted fusion method performs information fusion ，which makes the acquired weld deviation informationmore accurate ，and finally ensures the centering of the welding torch and the good sidewall fusion.Key words ：narrow gap MAG welding ；magnetron arc laser sensor ；weld trajectory prediction ；adaptive weighted fusion method 本文参考文献引用格式：沈言锦，洪波，杨鹏昊，等.窄间隙磁控-激光复合式焊缝跟踪方法[J].电焊机，2019，49（12）：32-36.收稿日期:2019-03-08基金项目:湖南省自然科学基金项目（2017JJ50）作者简介:沈言锦（1980—），男，博士，教授，主要从事焊接技术的研究工作。
自动焊缝跟踪系统的设计与实现
自动焊缝跟踪系统的设计与实现摘要:本文介绍了一种基于旋转电弧传感器的焊接机器人系统。
系统采用惯量小，成本低，灵活性大的新型十字滑块系统作为机械传动机构；旋转电弧传感器的位置精度高，焊缝偏差小，使用各类焊缝类型；配合步进电机完成整个系统位移单元的传动，并进行位置伺服。
环境预检测系统完成工作环境的检测，确保系统的安全运行，DSP主控系统完成整个系统的管理和控制，并设计了包括软件保护，机械限位保护，报警保护，电源管理保护在内的各种保护措施。
为了方便系统的维护和升级，预留了标准的串口和以太网接口，可以方便对系统进行扩展升级。
关键词：焊缝跟踪；旋转电弧传感器；位置伺服；十字滑块目录1项目背景 (1)2设计要求和需求分析 (1)3系统总指标分析 (2)3.1 系统静态指标 (2)3.2系统动态指标 (2)3.3运动精度指标 (2)3.4智能性指标分析 (2)3.5可扩展性指标分析 (2)3.6应用指标 (2)3.7环境要求 (3)3.8装配指标分析 (3)4 模块设计指标和方案分析 (3)4.1总体设计方案 (3)4.2主控系统指标分析和方案比较 (4)4.3机械结构指标分析和方案比较 (4)4.4 反馈系统模块指标分析和方案比较 (6)4.5运动控制模块指标分析和方案比较 (7)4.6机械保护模块的指标分析和方案比较 (7)4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 (8)4.8接口扩展模块指标分析和方案比较 (8)4.9 电源管理模块指标分析和方案比较 (8)4.10 焊接指标分析与方案论证 (9)5硬件系统方案的实现 (9)5.1总控制核心系统的实现 (9)5.2机械传动结构方案的实现 (10)5.3反馈系统模块的实现 (14)5.3.1 电弧传感器的分类及选型 (14)5.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理 (17)5.3.3 跟踪与纠偏原理 (18)5.4运动控制模块的方案实现 (20)5.4.1步进电机的选取 (20)5.4.2步进电机驱动器的选取 (22)5.4.3直线步进电机的选取 (23)5.4.4直线步进电机驱动器的选取 (24)5.5 机械保护模块方案实现 (25)5.6环境检测系统的实现 (25)5.7接口扩展模块的方案实现 (27)5.8 电源管理模块方案的实现 (28)5.9报警模块的方案实现 (29)6软件控制平台的实现 (29)6.1传感器的控制算法和模型 (29)6.1.1 传感器与系统的初始化 (29)6.1.2 传感器的算法分析 (30)6.1.3 电弧长度模型与平面拟合算法分析 (31)6.2电机驱动的算法 (33)7 成本估计 (34)8 项目总结与改进 (34)8.1 项目总结 (34)8.2.1 旋转扫描电弧传感器的问题与改进 (35)8.2.2 系统与无线传感网络的通信 (35)8.2.3 系统的可移植性改进 (35)9 心得体会 (35)参考文献： (38)附件分工明细 (39)1项目背景焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起，随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。
中科院科技成果——波纹管焊缝实时跟踪自动焊接设备
中科院科技成果——波纹管焊缝实时跟踪自动焊接设备
项目简介
应用激光传感器对焊缝进行实时跟踪检测，将传感器测得的焊缝数据进行坐标变换，转换成焊枪运动轨迹坐标，并将该坐标发送到运动控制卡完成焊枪动作，并通过改变回转工作台的转速和波纹管的直径，观察焊枪实时跟踪焊缝的精确度。
自动焊接设备能够适应直径600mm-1800mm，厚度0.29-0.46mm 的各种规格波纹管；实现了连续焊接，焊线焊透饱满、成型均匀、无波浪。
有效提高了焊接质量和生产效率，降低了工人劳动强度。
手工焊接一圈需要耗时十分钟左右，自动焊接时，包括辅助时间只需要两三分钟，是手工焊接的五分之一。
焊缝跟踪定位系统主要采用激光扫描产品进行焊缝信息采集，控制焊枪沿工件径向和轴向的运动。
基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统
接头几何形状 的测量基础上 ， 他不受工件 的表面
形 态或 焊 接过 程 的影 响 。 Ｖｓ ｌ 统 结 构 框 图 如 图 １所 示 ， 统 ｉａＷｅｄ系 ｔ 系
吸收国外先进技术 ， 将英 国 Ｍ Ｔ Ｅ Ａ公 司 自动 图像 识别跟踪技术成 功地应用 到螺旋 焊管生 产工艺
中 ， 得 了 良好 的 效果 。这 项 技 术 采 用 视 频 摄 像 取
０ 前
言
本 文介 绍一 种新 型 的基 于激 光视 觉 的 内外 焊 跟踪 系 统 Ｖｓ ｌ， 系 统 采 用 非 接 触 式 激 光 ｉａＷｅ 该 ｔ ｄ 视觉 传感 器 ， 采用 一套 控 制 器 同 时控 制 内焊 和 外 焊焊 枪 ， 而 保证 焊 缝成形 的均匀 一 致性 。 从
等 其它 光源 的影 响 。
（） ｃ 内焊焊缝 图像 （） ｄ 内焊焊缝位置分析 结果
图 ３ 内 外 焊 焊 缝 图像 处 理
如果 发 现 当前 的焊枪 位 置与 观察 到 的焊缝 位 置之 问有 偏差 ，Ｃ机 就将 控制 指令 发 送 给 可编 程 Ｐ 控 制 器 （ Ｌ ，Ｐ Ｃ输 出模 拟 信 号 驱 动 电机驱 Ｐ Ｃ） 由 Ｌ
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情况 时 ，Ｃ 的 图像 就 有 可 能 无 法 处 理 和 识 别 ， ＣＤ 需要 手工 干 预 。这是 我们 今后 要 解决 的课题 。
主要包 括激光传感器 、 控制器 、 操作者控制单元 、
机 头调 整机 构 四个 部分 。
光纤光栅传感技术与工程应用研究共3篇
光纤光栅传感技术与工程应用研究共3篇光纤光栅传感技术与工程应用研究1光纤光栅传感技术是一种基于光纤光栅的传感方法，该方法可以实现对多种物理量的测量和监测，在工业控制、环境监测、航空航天等领域具有广泛的应用。
一、光纤光栅传感技术的基本原理光纤光栅传感技术是基于光纤光栅的干涉原理实现的，其基本结构包括一个光纤光栅和一个光源。
光源经过光纤光栅后，会被反射回来，并与入射光进行干涉，产生干涉图案。
通过对干涉图案进行分析，可以得到与被测量物理量相关的干涉模式，从而实现对物理量的测量和监测。
二、光纤光栅传感技术的特点光纤光栅传感技术具有以下特点：1. 高灵敏度：光纤光栅传感技术具有高灵敏度和高分辨率的特点，能够实现对微小变化的测量和监测。
2. 高可靠性：由于光纤光栅传感技术采用光学传输信号，避免了传统电学测量系统中电磁波干扰等问题，因此具有高可靠性。
3. 高精度：光纤光栅传感技术精度高，能够实现对物理量的精确测量和监测，能够满足工业控制和科学研究的要求。
4. 无须外部电力供应：光纤光栅传感技术可以通过光纤传输信号，无须外部电力供应，避免了传统测量系统中复杂的电路和电源设计。
三、光纤光栅传感技术的工程应用研究1. 工业控制领域：光纤光栅传感技术可以实现对温度、压力、振动等物理量的测量和监测，广泛应用于机械加工、化工等行业的工业控制中。
在机械加工中，光纤光栅传感技术可以实现对数控机床的精确定位、运动速度的监测等。
在化工行业中，光纤光栅可以实现对管道压力、流量等的测量和监测。
2. 油气勘探领域：光纤光栅传感技术可以实现对石油和天然气井的测量和监测，包括温度、压力、流量等多种物理量。
该技术对于提高石油和天然气的产出率、降低开采成本等具有重要的作用。
3. 环境监测领域：光纤光栅传感技术可以实现对环境参数的测量和监测，包括温度、湿度、气体等多种物理量。
在环境监测领域中，光纤光栅传感技术可以用于城市建设、农业生产、气象预报等多个方面。
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光 纤 式 激 光 焊缝 跟 踪 传感 系统
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第 38 卷
第6 期
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焊 接 机器 人 与 先 进 焊 接 设备 8 V L3
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NO 6
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200 8 年 6 月
盈 传感 系统 研 究 光 纤 式 激 光焊 缝 跟 踪
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系统组 成原 理
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基 金 项 目 ：北 京 市 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 (4 0 7 3 0 3 2 ) ；北 京 石
油化工 学 院光 机 电装 备技 术北 京 市 重 点 实 验 室
K 开 放 课 题 基 金 (K F 2 0 0 7 0 2 厂 F 2 0 0 6 0 2 )
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号处理 与转换后 变成数字视频
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前言
焊 缝 跟 踪 技 术 是 焊 接 机 器 人 自动 化 智 能 化 的
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电装备技术北 京市重点实验室 在焊缝跟 踪技术领
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信号送 DSP
处理 系
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作 者 简 介 ：黄 民 双 ( 19 6 3
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) 男 湖南彬州 人 副教 授 博士
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统 同时分离 出 同步 信号 作 为 同步 数据采 样 与控
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主要 从事激光 检测 及 相关技 术 的研 究工 作
制 信 号 焊 缝 图像 信号 经 过 图像 处 理 算 法 计 算 出焊
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光纤 激光 焊缝 跟 踪 传感 系统 原 理 如 图 1 所 示
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从 传光 光纤 输 出端 产生 线结 构 光 投 射 到 工 件表 面
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收 稿 日期
：2 0
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修 回 日期
：2
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激 光 焊 缝 图像信 号 经 光 纤 接 收 传输 后 在 CCD 上 成 像 CCD 输 出 的模 拟 视 频 信号 经 放 大 滤 波 视 频 信
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专题讨论
黄 民 双 等 ： 纤 式 激 光 焊 缝 跟 踪传 感 系统 研 究 光
第 ６期
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