[激光原理与应用-126]：南京科耐激光-激光焊接 - 焊中无损检测技术 - 智能制程监测系统IPM介绍 - 26- 频域分析法

目录

一、什么是频域分析法

1、定义

2、基本原理

3、分析步骤

4、应用领域

5、优缺点

二、频域分析法在激光焊接故障监测中的应用

2.1 概述

1、应用背景

2、频域分析法的应用

3、应用优势

4、应用实例

2.2 激光焊接故障检测中光电信号的频谱特征

1、光电信号分类

2、频谱特征分析

3、频谱分析方法

4、应用实例

2.3 激光焊接故障检测中光电信号的频谱分析能够发现时域信号发现不了的缺陷

频谱分析的优势

能发现的缺陷类型

结论

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一、什么是频域分析法

频域分析法是一种研究信号和控制系统的经典方法，它侧重于在频域范围内对信号或系统进行分析和评价。

以下是对频域分析法的详细阐述：

1、定义

频域分析法是通过将信号从时域（时间域）转换到频域（频率域），进而分析信号的频率成分及其特性的方法。这种方法允许我们观察信号在不同频率上的能量分布，以及各频率成分的振幅、相位等特性。

2、基本原理

频域分析法的核心在于利用傅里叶变换（包括连续傅里叶变换和离散傅里叶变换，后者中的快速傅里叶变换FFT是常用的高效算法）将信号从时域转换到频域。傅里叶变换的基本思想是将信号分解为一系列不同频率的正弦波（或余弦波）的叠加，这些正弦波的振幅和相位信息就构成了信号的频谱。

3、分析步骤

频域分析法通常包括以下步骤：

1. 信号提取：从原始信号中提取出需要分析的特征或部分。
2. 频域变换：利用傅里叶变换将信号从时域转换到频域，得到信号的频谱图。
3. 频谱分析：对频谱图进行分析，确定信号中包含的所有周期性信号的频率成分及其特性，如振幅、相位等。
4. 结果应用：根据分析结果，对信号进行进一步的处理或优化，如滤波、降噪、信号增强等。

4、应用领域

频域分析法在工程领域中有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：

• 电子和声学：用于分析音频信号的声音特性，如频率分布、谐波成分等。
• 机械：用于分析机械振动信号，以诊断设备的运行状态和故障。
• 生物医学：用于分析心电图、脑电图等生物医学信号，提取其中的有用信息。
• 图像处理：在图像处理中，频域分析法可以用于图像增强、降噪、边缘检测等。

5、优缺点

优点：

• 可以方便地分析信号的频率成分和特性。
• 不需要直接求解系统的微分方程，间接地揭示系统的时域性能。
• 能够指导信号的滤波、降噪等处理过程。

缺点：

• 频域分析法不够直观，对于非专业人员来说可能难以理解。
• 频谱图只能反映信号的频率成分和特性，但不能直接体现信号发生的时刻。

综上所述，频域分析法是一种重要的信号分析方法，它通过将信号从时域转换到频域，为我们提供了一种观察和分析信号频率特性的有效途径。

二、频域分析法在激光焊接故障监测中的应用

2.1 概述

频域分析法在激光焊接故障监测中的应用主要体现在对焊接过程中产生的信号进行频谱分析，从而识别焊接缺陷和故障。以下是频域分析法在激光焊接故障监测中的具体应用：

1、应用背景

激光焊接过程中，由于各种因素的影响，如焊接参数设置不当、材料性质变化、设备故障等，都可能导致焊接缺陷的产生，如未焊透、焊缝裂纹、气孔等。这些缺陷不仅影响焊接质量，还可能对后续的产品性能和使用安全造成严重影响。因此，对激光焊接过程进行实时监测和故障诊断具有重要意义。

2、频域分析法的应用

1. 信号采集：
   • 使用传感器（如传声器、光电传感器等）采集激光焊接过程中的声信号、光信号等。
   • 这些时域信号包含了焊接过程的动态信息，是频域分析的基础。
2. 频域变换：
   • 对采集到的时域信号进行快速傅里叶变换（FFT）等频域变换，将信号从时域转换到频域。
   • 频域变换后，信号以频率为坐标轴表示，可以直观地观察信号的频率分布和能量分布。
3. 频谱分析：
   • 分析频谱图，确定信号中不同频率成分的振幅、相位等特性。
   • 通过对比正常焊接和故障焊接的频谱图，可以发现焊接缺陷产生的频率特征。
4. 故障诊断：
   • 根据频谱分析结果，结合焊接工艺知识和经验，对焊接过程进行故障诊断。
   • 例如，在激光焊接过程中，未焊透缺陷会导致声音信号的频谱呈现连续谱特征，而正常焊接时则可能表现为特定的频率线谱。

3、应用优势

1. 灵敏度高：频域分析法能够捕捉到信号中的微小变化，对焊接缺陷具有较高的灵敏度。
2. 信息量大：通过频谱分析，可以获得信号在不同频率上信号的能量分布信息，为故障诊断提供丰富的数据支持。
3. 实时性强：随着计算机技术的发展，频域分析法的计算速度不断提高，可以实现激光焊接过程的实时监测和故障诊断。

4、应用实例

在实际应用中，研究人员利用频域分析法对激光焊接过程中的声信号进行了频谱分析，并发现了一些有意义的结论。

例如，国内有学者通过对光声信号的频域分析发现，在300Hz处的线谱最强；在出现未焊透缺陷时，光声信号的频谱为连续谱。这些结论为激光焊接过程的故障监测和诊断提供了重要的参考依据。

综上所述，频域分析法在激光焊接故障监测中具有重要的应用价值。通过频谱分析，可以实现对焊接过程的实时监测和故障诊断，提高焊接质量和生产效率。

2.2 激光焊接故障检测中光电信号的频谱特征

在激光焊接故障检测中，光电信号的频谱特征对于识别焊接过程中的缺陷和故障具有重要意义。

以下是对光电信号频谱特征在激光焊接故障检测中的具体阐述：

1、光电信号分类

激光焊接过程中的光电信号主要包括可见光信号、红外光信号以及激光反射信号等。

这些信号分别反映了焊接过程中等离子体状态、熔池温度以及激光能量传输等关键信息。

2、频谱特征分析

1. 可见光信号：
   • 频谱特征：可见光信号主要来源于焊接过程中等离子体的辐射。当熔池的状态发生变化时，导致等离子体状态发生变化。当等离子体状态发生变化时，如等离子体浓度、温度或速度的变化，可见光信号的频谱特征也会发生相应变化。
   • 故障检测应用：可见光信号的频谱特征可用于监测焊接过程中的等离子体状态，从而间接判断焊接质量。例如，当等离子体浓度过高时，会导致激光能量被等离子体大量吸收和散射，进而影响焊接深度和质量，表现在激光器的能量被转换成可见光，当然，也有可能污染物燃烧导致可见光能量的增加。通过分析可见光信号的频谱特征，可以及时发现这类问题，并采取相应的措施进行调整。
2. 红外光信号：
   • 频谱特征：红外光信号主要来源于熔池的红外辐射。熔池的温度、形状和大小等参数的变化都会直接影响红外光信号的频谱特征。
   • 故障检测应用：红外光信号的频谱特征可用于监测焊接过程中的熔池状态，从而判断焊接是否稳定以及是否存在未熔透、过熔透等缺陷。例如，当熔池温度过高或过低时，红外光信号的频谱特征会发生变化，通过监测这些变化可以及时发现焊接过程中的问题。
3. 激光反射信号：
   • 频谱特征：激光反射信号主要来源于激光束在焊接过程中的反射。激光束的反射特性受到焊接表面状态、激光功率以及焊接速度等多种因素的影响。
   • 故障检测应用：激光反射信号的频谱特征可用于监测焊接过程中的激光能量传输情况。通过分析反射信号的频谱特征，可以判断激光束是否稳定地作用于焊接材料上，以及是否存在激光能量衰减或波动等问题。这些问题都可能导致焊接质量下降或产生缺陷。

3、频谱分析方法

在激光焊接故障检测中，常用的频谱分析方法包括快速傅里叶变换（FFT）等。通过FFT等频谱分析方法，可以将光电信号从时域转换到频域，进而分析信号的频谱特征。频谱分析方法可以直观地展示信号在不同频率上的能量分布和变化情况，为焊接故障检测提供有力的技术支持。

4、应用实例

在实际应用中，研究人员通过采集激光焊接过程中的光电信号并进行频谱分析，成功识别了多种焊接缺陷和故障。

例如，通过监测可见光信号的频谱特征变化，可以及时发现焊接过程中的等离子体异常现象：

通过监测红外光信号的频谱特征变化，可以判断熔池状态是否稳定以及是否存在未熔透等缺陷；红外光过低，表明未熔透（虚焊）；红外光过强，表示过熔透（坍陷）。

通过监测激光反射信号的频谱特征变化，可以判断激光能量传输是否稳定以及是否存在激光能量衰减等问题。这些应用实例充分证明了光电信号频谱特征在激光焊接故障检测中的重要作用。反射光过强，表明激光器的能量未能有效转化成熔池融化所需要的能量，可能存在未熔透（虚焊），反射光过强，表明激光器的过多能量转化成熔池融化所需要的能量，可能存在过熔透（坍陷）

综上所述，光电信号的频谱特征是激光焊接故障检测中的重要参数之一。通过分析光电信号的频谱特征变化可以及时发现焊接过程中的问题并采取相应的措施进行调整，从而保证焊接质量和生产效率。

2.3 激光焊接故障检测中光电信号的频谱分析能够发现时域信号发现不了的缺陷

激光焊接故障检测中，光电信号的频谱分析相比时域信号分析，能够发现一些时域信号难以直接察觉的缺陷。这主要归因于频谱分析能够揭示信号在频率域的特性，而时域分析则主要关注信号随时间的变化。以下是频谱分析在激光焊接故障检测中的优势及能发现的缺陷类型：

频谱分析的优势

1. 频率分辨率：频谱分析可以将信号分解为不同频率的成分，从而更精确地识别出信号中的异常频率成分，这些成分在时域波形中可能并不明显。
2. 动态特性：频谱分析能够展示信号在不同频率上的动态变化，这对于检测焊接过程中由于材料性质变化、工艺参数波动等引起的频率特性变化非常非常有效。
3. 多信号系统分析：对于多信号系统，频谱分析能够同时处理多个信号，并揭示它们之间的频率关系，从而发现复杂的故障模式。

能发现的缺陷类型

1. 微裂纹：激光焊接中产生的微裂纹在时域波形中可能难以察觉，但在频谱分析中，由于裂纹引起的振动或声波信号会在特定频率上产生明显的峰值，从而被检测出来。
2. 气孔：气孔是激光焊接中常见的缺陷之一。虽然气孔在时域波形中可能表现为信号的不连续性或波动，但频谱分析能够更准确地揭示气孔产生的声波或振动信号的频率特性，从而更准确地识别气孔缺陷。
3. 未熔合：未熔合是指焊缝金属与母材之间未完全熔合形成的缺陷。在频谱分析中，未熔合区域可能表现为信号在某些频率上的缺失或减弱，因为未熔合区域无法传递与熔合区域相同的声波或振动信号。
4. 焊接不稳定：焊接过程中如果发生不稳定现象（如功率波动、速度变化等），这些变化在时域波形中可能表现为信号的波动或噪声。然而，频谱分析能够揭示这些波动或噪声在频率域上的特性，从而更准确地评估焊接过程的稳定性。

结论

综上所述，激光焊接故障检测中光电信号的频谱分析能够发现时域信号发现不了的缺陷。通过频谱分析，可以更精确地识别焊接过程中的异常频率成分和动态变化特性，从而更准确地评估焊接质量并发现潜在的故障模式。这对于提高激光焊接的可靠性和稳定性具有重要意义。