3. 在线监测的物理基础与可测信号
激光加工的本质，是把高能量密度的光束注入材料，在极小的作用区内引发一系列相互耦合的物理过程。在线监测之所以可行，正是因为这些过程会向外"泄漏"信息：光、声、电、热、力、物质喷射，每一种都携带加工状态的特征。监测系统的任务，就是选择合适的传感器，把这些物理现象转换成可采样、可分析、可判别的电信号，再从中提取与质量、缺陷、稳定性相关的特征量。理解"物理现象—可测信号—特征参数"这条链路，是设计任何监测方案的前提。
一、光辐射：最直接的过程窗口
激光作用区会辐射宽谱电磁波，包括激光自身的反射光、等离子体辐射、热辐射（红外）以及可见光。不同波段对应不同物理来源：1064 nm 附近的强信号主要来自未吸收的背反射激光；400～700 nm 的可见光多来自等离子体和高温金属蒸气；而 1.5～5 μm 的红外辐射则反映熔池与热影响区的温度分布。
可测信号形式包括：用光电二极管测总辐射强度，用分光计测谱线强度与比值，用高速相机测空间分布。关键特征量有辐射强度均值与波动、谱线强度比（如 Fe I / Cr I 用于估算温度）、以及背反射功率占比。背反射尤其重要：当熔池匙孔塌陷或工件表面状态突变时，反射光会剧烈变化，是判断匙孔稳定性的敏感指标。需要注意的是，光辐射信号对镜头污染、烟尘遮挡非常敏感，工程上常配合吹气保护和信号归一化处理。
二、声发射与可听声：穿透性强的过程"听诊器"
激光加工中的声信号分两类。一类是材料内部裂纹、相变、气孔破裂产生的弹性波，频率通常在 100 kHz～1 MHz，称为声发射（AE），需用压电传感器耦合到工件表面拾取；另一类是等离子体膨胀、蒸气喷射、熔池振荡产生的空气声，频率在可听声到几十千赫，可用麦克风或超声换能器非接触采集。
声发射信号常用特征包括：事件计数率、振铃计数、幅值分布、上升时间与持续时间。例如，裂纹扩展会表现为突发型高幅值事件，而气孔形成则更接近连续型低幅值背景。空气声信号则常用 RMS 值、频谱重心、特定频带能量比来表征。声信号的优势是穿透力强、响应快，缺点是易受环境噪声和工件装夹状态影响，因此实际使用中往往需要先做本底噪声标定，再设定动态阈值。
三、等离子体与电信号：带电粒子的信息
当功率密度足够高时，材料蒸气被电离形成等离子体。等离子体不仅发光，还导电，因此可以在工件与喷嘴之间施加偏置电压，测量等离子体电流或电位变化。可测信号包括等离子体电荷电流、光强、电子温度（由谱线拟合得到）和电子密度。特征量如电流均值、波动频谱、光强与电流的相位关系，可用于判断切割是否穿透、焊接是否进入匙孔模式。
等离子体信号对功率、气压、离焦量非常敏感，是闭环控制中常用的反馈量之一。但要注意，不同材料（如铝、铜）电离能差异大，同一参数下等离子体强度可能相差数倍，因此阈值需要按材料分别标定。
四、温度场与熔池动态：质量的核心判据
熔池温度场直接决定冶金质量。可测方式包括：红外测温仪测点温、红外热像仪测二维温度分布、比色测温法抗发射率波动。特征量有最高温度、温度梯度、高温区面积、冷却速率。冷却速率尤其关键，它影响晶粒尺寸和相组成，可由降温曲线斜率估算。
熔池动态则通过高速相机或同轴视觉系统观测，提取熔池长度、宽度、面积、匙孔开口尺寸、后拖角等几何特征。匙孔开口的周期性收缩—扩张往往预示飞溅或气孔风险。由于熔池辐射极强，成像时常需加窄带滤光片和衰减片，并采用短曝光（微秒级）冻结运动。
五、溅射与背反射：缺陷的早期征兆
飞溅是熔池失稳的直接产物。可用声信号突变、光辐射尖峰、或高速相机计数来检测。背反射则反映匙孔对激光的吸收效率，当匙孔深度突变时，背反射功率会出现特征性跳变。两者常被联合使用：背反射上升伴随声信号尖峰，往往对应匙孔塌陷引发的飞溅。
六、信号选择与工程权衡
实际监测系统很少只用一种信号。原因在于：光辐射响应快但易受烟尘干扰；声发射灵敏度高但耦合状态影响大；等离子体电信号稳定但材料依赖强；温度场信息全面但采样率受限；视觉直观但数据处理量大。工程上常采用"快信号触发 + 慢信号确认"的组合策略：用光电二极管或声发射做微秒级异常检测，触发高速相机抓拍，再用图像特征确认缺陷类型。
以激光焊接为例，一个可参考的示例配置是：同轴光电二极管（采样 100 kHz）监测背反射与等离子体辐射；工件背面贴装 AE 传感器（带宽 100～900 kHz）监测裂纹与气孔；旁轴高速相机（5000 fps）记录熔池与飞溅。三路信号经同步采集后，提取各自特征并送入分类器。需要说明的是，上述参数属于教学示例，实际取值需根据材料、功率、保护气条件通过标定实验确定。
最后要强调，物理现象与可测信号之间并非一一对应。同一现象可能被多种传感器感知，同一传感器也可能同时接收多种物理来源的叠加信号。因此，特征提取时必须明确信号的物理归属，必要时通过滤波、分频、空间隔离等手段解耦。只有把"物理基础"打牢，后续的阈值设定、模式识别和闭环控制才有可靠依据。