（精密仪器及机械专业论文）牙种植手术中的温度测量原理研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 牙种植手术是在局部麻醉下，用特制专用的高速和低速钻机将人工材料制 作的种植体( 又称人工牙根) ，植入上颌或下颌牙槽骨内，以此为基础完成义齿 修复。该手术对手术中钻头钻削骨头时的骨细胞温度有严格的限制，如果骨细 胞温度超过4 2 ，那么骨细胞就无法与种植体生长到一起，手术就失败了。目 前，对这个极限温度的掌握，还是依靠医生的经验来完成。国内外还没有对牙 种植手术中温度的测量有相关的研究。 本文通过建立牙种植手术中的测温系统，对牙种植手术中的温度测量进行 了实验性的原理研究。牙种植手术中的温度测量涉及到钻削加工中的温度测量 和医学中的温度测量，是一个工学与医学的交叉研究内容。另外，牙种植手术 麻花钻直径较小，口腔空间比较狭小，患者骨组织具有差异性等，这些复杂的 工况环境给我们的温度测量带来了很大的困难，本文的研究属于探索性的磷究。 通过查阅大量的资料，比较钻削加工中的温度测量和医学中的人体测温方式， 根据牙种植手术中温度测量的特殊性，本测温系统采用人工热电偶的方式，选 用微细铠装热电偶作为温度传感器，把热电偶放入钻头的内冷却孔中，通过空 心轴滑环把信号传输出来，利用数显表把温度显示出来。本文创新性提趱在将 来牙种植仪器中，采用双内冷却孔的麻花钻头，利用其中个内冷却孔放置热 电偶，另外一个导入冷却液。温系统在模拟牙种植手术的钻削实验中，能够快 速准确地测量出钻头的温度。本研究为牙种植手术中的快速温度测量，找出了 一个可行的方法。 关键词：磐种植手术热电偶温度测量 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hl o c a la n a e s t h e s i a ，s p e c i a l l yh i g hs p e e da n dl o w s p e e dd r i l l i n gm a c h i n ea r e u s e dt oe m b e dt h ei m p l a n tt h a ti sm a d ef r o ma r t i f i c i a lm a t e r i a l s ( a l s oc a l l e da r t i f i c i a l f a n g ) i nd e n t a li m p l a n t ss u r g e r y t h i ss u r g e r yh a ss t r i c tl i m i t a t i o nw i t ht h eb o n ec e l l s t e m p e r a t u r ew h e nd r i l lb i td r i l l si nt h eb o n e i ft h et e m p e r a t u r es u r p a s s4 2 。c ，t h eb o n e c e l lc a nn o tg r o wt o g e t h e rw i t ht h ei m p l a n ta n dt h es u r g e r yi sf a i l e d a tp r e s e n t ，i t d e p e n d so nt h ee x p e r i e n c eo fd o c t o rt oc o n t r o lt h i su t m o s tt e m p e r a t u r e t h e r ea r en o r e l a t e ds t u d yo nt h em e a s u r i n gt h et e m p r e t u r ei nt h ed e n t a li m p l a n t ss u r g e r yp r o c e s s a th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mf o r d e n t a li m p l a n ts u r g e r y ，c a r r yo u tt h ep r i n c i p l e so fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o r t h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt h ed e n t a li m p l a n ts u r g e r y t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i nt h ed e n t a li m p l a n ts u r g e r yi n v o l v e st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt h ed r i l l i n ga n di n m e d i c i n et h a ti sa ne n g i n e e r i n ga n dm e d i c a lr e s e a r c ho ft h ec r o s s i na d d i t i o n , d e n t a l i m p l a n ts u r g e r ys m a l l e ri nd i a m e t e rt w i s td r i l l ，o r a ls p a c es m a l l ，t h ed i f f e r e n c e si n p a t i e n t sw i t hb o n et i s s u e ，e t c ，t h e s ec o m p l e xe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tt ou sh a sl e dt og r e a td i f f i c u l t i e s t h i sp a p e rb e l o n g st oe x p l o r a t o r ys t u d y t h r o u g hr e f e r r i n g t oal o to fi n f o r m a t i o n , a n dc o m p a r i n gt h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t si nt h ed r i l l i n ga n dm e d i c i n e ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c i t yo ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti nd e n t a li m p l a n ts u r g e r y ，t h i st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mu s i n g a r t i f i c i a lm a n n e r , s e l e c t e dm i c r o s h e a t h e dt h e r m o c o u p l ea sa t e m p e r a t u r es e n s o r , w h i c h i sp u t t i n gi nt h ei n s i d ec o o l e dh o l e so fd r i l l ，t h r o u g ht h eh o l l o ws h a f ts l i pr i n go u tt o s i g n a lt r a n s m i s s i o n , t h eu s eo fd i g i t a lt e m p e r a t u r ed i s p l a yt os h o wt h et e m p r e t u r e i t c r e a t i v e l yp r o p o s e st h a ti nt h ef u t u r ed e n t a li m p l a n t sm a c h i n et h a tm a yu s ed o u b l e i n s i d ec o o lh o l e sd r i l l o n eo ft h e mc a nb ep u ti nam i c r o s h e a t h e dt h e r m o c o u p l e ，t h e o t h e ro n ec a nl e n dt h ec o o l i n gf l u i d h i st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mi ns i m u l a t e d d e n t a li m p l a n td r i l l i n go p e r a t i o ne x p e r i m e n t s ，c a nq u i c k l ya n da c c u r a t e l ym e a s u r et h e t e m p e r a t u r eo ft h ed r i l lb i t t h i ss t u d yf i n d saf e a s i b l ew a yf o rr a p i dt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti nd e n t a li m p l a n ts u r g e r y k e y w o r d s ：d e n t a li m p l a n t ss u r g e r y ；t h e r m o c o u p l e ；t e m p e r a t u r em e a s u r i n g i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：帮砜签字日期：堋年6 月阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：高f 哂 导师签名： 签字日期：训1 年6 月l 易日 签字日期：伽1 ) 1 年6 月力日 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景及意义 随着人们物质生活水平的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。牙齿 缺失给人们的生活带来极大的不便，它不但会给人们的身体健康带来长时间的 影响，也影响人们的美观。那么，安装义齿无疑给牙齿缺失患者带来了福音。 传统的义齿是借助口腔余留下的牙槽嵴来获得支持、固位和稳定。固定义 齿的应用范围较多地受到客观条件的限制，可摘义齿又因不能充分恢复咀嚼效 率、影响发音及有异物感而难令患者满意。人们一直期待着能有这样一种义齿， 它能发挥真牙一样的功能。为此，有人探索地将天然或人工材料加工成适当形 状，并通过手术种植到牙槽骨中，为义齿提供稳固的基础以改善义齿的功能， 这就是最初形成的“种植体”。 种植牙就是通过外科手术将人工材料制成的种植体植入缺牙区牙槽骨中，作 为人工牙根，然后以此为基础修复缺失牙。它逼真地模仿天然牙，能恢复大部 分咀嚼功能，固位更佳，也更加舒适，无塑料基托，没有每日取下清洁的繁琐。 相对于传统义齿，它有很多突出的优点：1 、咀嚼功能大大优于许多传统假牙； 2 、具有很强的固位力与稳定性，可像真牙一样扎根在患者口腔里；3 、对周围 真牙不造成任何损害；4 、它不需要活动假牙必备的基托与卡环，无塑料基托导 致的味觉迟钝或不适感；5 、体积小不外露金属，美观、舒适，更有利于保持口 腔清洁卫生。种植牙同其它修复方法的比较见表1 1 。 随着口腔医学和生物医学工程的发展和相互渗透，使种植义齿在口腔医学领 域中的地位得以确立。人工种植牙是一种用生物材料制成的仿生牙，该技术已 有几十年的研究历史，应用于牙缺失患者的治疗，由于其几乎有天然牙齿的生 理功能，又兼具有很高的美学效果，更值得一提的是，它有很高的成功率，总 体上，上颌骨种植失败率为8 1 6 ，下颌骨的为4 9 3 【1 1 。因此，牙种植技术 受到越来越多的人的关注。特别是近十几年，在口腔修复体中，种植牙已经成 为2 1 世纪口腔医学重要的成就之一，是牙齿缺失者的理想选择，拥有着“人类的 第三副牙齿”的美誉，并与高速涡轮牙钻、全景x 线机、高分子粘固材料并列称 为2 0 世纪牙科发展的四项重大突破之一2 1 。 第一章引言 表i1 种植牙同其它修复方法的比较 固定冠、桥可摘局部义齿 种植牙 ( 固定义齿)( 活动义齿) l 、体积小、不露金属、美观，i 、能够较大限度地恢复 功能逼真，它的咀嚼食物功能大患者的咀嚼功能，语音功l 、适用范围广泛，可用于 大优于传统假牙，最大限度地恢能及缺失牙的解剖形态，各种牙列缺损。 优 复患者的咀嚼功能。有利于保持 基本上不改变口腔原有2 、不磨除或少磨除牙体组 点 口腔清洁卫生。的环境。 织。 2 、对两倒自然牙齿无损伤。2 、戴用舒适。不用摘藏，3 、便于修理和增补。 3 、不需要活动侣牙必备的基托容易适应，美观，是受患4 、费用较低。 与卡环没有味觉迟钝、不适感。者欢迎的修复方式。 i 、其稳定性和咀嚼效能均 l 、对口内相关邻牙( 基 不如种植牙和固定义齿。 牙) 牙体磨除置丈有一2 、体积大，常有异物感， 缺 ：雾i 蓑 定的制作难度。可能影响发音引起恶心。 点 2 、有严格的适应范围3 、需每天摘戴、清洗。 3 、对医生的技术要求根高。并非所有牙列缺损忠者4 、对患者易带来基牙及黏 都适合。膜组织损伤、龋病及牙周 3 、费用较高。 炎牙槽嵴吸收，颢颌关 节疾患等不良后果。 手术过程中骨组织的温度对手术的成败有很大的影响，所以，当在牙槽骨中 钻牙窝的时候，就要对钻头的温度进行控制，也就是切削温度的控制。目前， 大多采用内冷却方式和外冷却方式对其进行降温，由于手术过程中，现在还没 有测温的手段对钻头以及其周围骨组织的温度进行测量，因此，医生仅仅凭借 经验来掌握是否暂停来降温，那么就有可能产生两种情况，一种是，温度远远 没有达到4 2 ，医生就暂停，这样手术的效率就会很低，病人就要经受更长时 间的手术。另外一种情况就是温度超过 4 2 ，那么钻头周围的骨细胞就被烧死，种鬣 植体种下以后，无法与周围的骨组织生长到 l 野 一起，那么手术就失败了。 i i l 由于手术过程中，所使用的手术钻头的如n 直径为2 3 0 r a m 一6 m m ，转速在 肖 8 0 0 r p m - 3 s o o r p m 。在牙种植手术的钻削过程 嚣i ( 其中的一个钻头如图l1 ) 口腔空间狭小，患 l l 者骨质的个体差异性等，这些都给我们的测 量带来了很大的困难。本课题就是对牙种植 图11 牙种植手术的一种钻头结构 第一章引言 手术过程中温度测量原理的研究，希望找出比较理想的测温方法对手术中的温 度进行现场测量。 1 2 牙种植手术简介 据世界各地考古发掘和史料证实，牙种植起源于中国和埃及，古人曾用黄 金和象牙作为牙种植体植入颁骨。 本世纪三十年代以来，人们相继发现钴铬台金、钽、钛等金属材料强度高、 耐腐蚀、组织相容性好。 五十年代中期瑞典哥德堡大学b r a n e m a r k 和a l b r e k t s s o n 教授在对骨萌腔内 微血管血流状态研究课题中，使用了高纯度钛作为植入材料，植入动物体内进 行了长期观察发现纯钛与机体生物相容性好，即纯钛与兔子的胫骨产生了异 常牢固的结合。b r a n e m a r k 教授提出了骨结合的概念。骨结合即在负重的种植体 和有生命的骨组织之间一种直接的紧密的生物结合。 六十年代，b r a n e m a r k 教授首创将钛材料制作的带螺纹的骨内种植体正式应 用于临床。这一技术的应用，为传统方法难以修复的严重骨吸收的无牙颌和游 离端牙缺失的修复得以实现【3 l 。图12 两种种植体的形状。 幽12 两种种植体 i m z 种植体 第一章引言 目前，种植体应用的范围已越来越广，它不仅可用于牙种植修复，还可作 为固位装置植入颧骨、颅骨、乳突、眶周以完成颅颌面赝复体修复。图l3 所示 为患者牙齿缺失手术前的效果图： 图13 手术前的效果图 手术的一般过程：在局麻下沿牙槽嵴顶做切口，剥离翻起粘骨膜瓣，充 分暴露骨面，注意保护颏神经，充分显露操作。制各种植窝：按预先设计制 作模板，根据牙槽骨的骨量选择适宜长度的种植体及相应的系列钻头，使用牙 种植机的快速钻，以大量生理盐水冲洗，先用圆钻定位钻孔，继之用裂钻、导 航钻逐步扩孔，而后扩大上口，冲洗创口。 制各螺纹：改用慢速钻，同样用 大量生理盐水冲洗降温，用丝锥制各种植窝骨壁上的螺纹。植入种植体；将 种植体缓缓植入已各好的种植窝内并小心地用特制工具加力旋紧，使种植体顶 缘与骨面相平。缝合创口，使用褥式或间断缝合粘骨膜，注意缝合时务使骨 膜层包括在内，并在无张力的情况下，将种植体顶部完全覆盖。图1 4 制备好种 植窝的效果图。 图i4 制各好种植窝的效果图 4 第一章引言 图15 种植体种下后以及种植体上安装上义齿的效果图 在牙种植手术过程中，用了大量的生理盐水进行对钻头进行冷却降温，防 止在手术过程中，温度过高，烧死骨细胞，而导致骨组织无法和种植体生长在 一起。钻头的冷却，有两种方式：内冷却方式和外冷却外方式以目前用在种植 手术中的仪器大多如图1 6 牙种植仪的基本形式 图16 牙种植仪的基本形式 实践表明，内冷却方式比外冷却方式要好很多。目前，医生在手术过程中 只是单单凭经验来保证钻头及其周围骨组织的温度低于4 2 。c 。因此，牙种植手 术一般需要经验丰富的医生才能完成，图1 , 5 为种植体种下后以及种植体上安 装上义齿的效果图。 )罗彰 第一章引言 1 3 国内外研究现状 目前，牙种植手术中的温度测量，还没有相关的研究。因为对牙种植手术 中温度的测量，涉及到切削测温和医学测温，因此，为了完成该课题，需要对 切削测温和医学测温的国内研究现状研究与结合。 1 3 1 国内外主要切削温度测量研究现状 切削温度的测量是切削实验研究中重要的技术，可以用来研究各因素对切 削温度的影响，也可用来校核切削温度理论计算的准确性，也可以把所测得的 切削温度做为控制切削过程的信号源。 切削温度的测定方法很多。常用的切削温度测量方法主要有自然热电偶法、 半人工热电偶法、人工热电偶法、薄膜热电偶法、辐射测温法、金相组织观察 法、热敏涂料法、量热计法等。 ( 1 ) 自然热电偶法 在诸多的切削温度测量方法中，自然热电偶法是用得最广泛，最直接、最 方便的测量方法【4 ，引。自然热电偶法【6 3 】主要用于测定切削区域的平均温度。它是 利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成闭合回路测量切削温度。刀 具引出端用导线接入毫伏计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶 尖接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引出端应处于室温，且刀具和工 件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区产生的高温( 热端) 与刀具、 工件各自引出端的室温( 冷端) 形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出， 切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通 过切削温度标定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可在标定曲线上 查出对应的温度值。 用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件( 如切削速 度、进给量等) 对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切 削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或( 和) 工件材 料变换后，切削温度一毫伏值曲线也必须重新标定。 6 第一章引言 图1 7 自然热电偶法测量切削温度示意图 ( 2 ) 人工热电偶法( 也称埋置热电偶) 9 q o 可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，也可以测得温度分布场和 最高温度的位置。人工热电偶法测温装置如图1 8 所示。在刀具或工件被测点处 钻一个小孔仔l 径越小越好，通常小于o 5 m m ) ，孔中插入一对标准热电偶并使其 与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通过串接在 回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。利 用小尺寸的热电偶，通过在不同的方位打许多小孔能够获得关于刀具温度梯度 的满意结果。不利的地方在于不可能把热电偶放在非常接近刀刃的位置，而这 个地方正是高温度梯度的地方。 羽刀具测工悴 图1 8 人工热电偶法测量切削温度示意图 人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶 材料可灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶传 感质量。但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料( 如陶瓷、p c b n 、p c d 等) 内比 较困难，因此限制了该方法的推广应用。 7 第一章引言 因人工热电偶的接点有一定的体积和质量，对变化着的温度响应有滞后现 象，因此，人工热电偶只能测量比较稳定的温度，而且用人工热电偶法只能测 到离前刀面一定距离处某点的温度，而不能直接测出前刀面上的温度。要知道 前刀面的温度，还要应用传热学的原理和公式进行推算。 ( 3 ) 半人工热电偶法 还有一种有趣的方法是将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了 半人工热电偶法。这种方法运用不同于工件和刀具材料的金属丝作为半人工热 电偶的一极，以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法 测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同。图1 9 半人工热 电偶法测量切削温度示意图 测刀具 溅工件 图1 9 半人工热电偶法测量切削温度示意图 常兴等人【1 2 】在测量用c b n 自动滚切刀具切削钢料的切削温度时，沿试件径 向镶嵌0 0 5 m m 漆包康铜热电偶丝，在切削过程中，当热电偶丝外端部随周围 的金属产生塑性变形并被切断时，热电偶丝端部的绝缘层被破坏，热电偶丝与 工件短路，同时短路点上又有高温，热电偶丝和工件材料组成半人工热电偶。 根据半人工热电偶的输出电势便可得到工件材料产生塑性变形并被切下时的温 度。根据热电偶丝被切断的过程可以判断，这种测温装置只能测出第一、第三 变形区的温度，而测不到第二变形区的温度 m h i r a o 用这种方法测量刀具后刀面的温度【1 3 】。他将热电偶丝插入工件上一 个直径很小的孔中并绝缘。当材料被切割时，这根丝也同样被切割了，而此时 金属丝和刀具就形成了热电偶。从所得的结果来看，后刀面的温度受切削速度， 8 第一章引言 进给量和切削深度的影响很小。比如对于碳素钢，获得的温度大约在4 0 0 ，与 刀具材料无关。这种方法获得的温度低于自然热电偶法所获得的温度。这种方 法的误差在于当切削区域与热电偶接触时无法确定切削区域所发生的情况，而 且接触的时间非常短。 ( 4 ) 薄膜热电偶法 薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器，引起许多研究人员的关 注【1 4 2 9 j 。特别是在枪炮膛内壁f 1 8 ，、内燃机活塞顶面和燃烧室壁面 2 0 - 2 4 1 、锻膜表 面必屯【2 5 之7 1 、硅片快速热处理( r t p ) 【2 8 2 9 1 等瞬态温度测试中近年来获得了广泛的 应用。它的原理是由德国人r h a c k e m n n a 【1 8 】于第二次世界大战期间提出，并研 制成第一批薄膜热电偶( 其薄膜厚度为2 m ) ，用于测量枪膛在子弹射出后壁温 的变化。薄膜热电偶的测温原理与普通丝式热电偶相似，由于薄膜热电偶的热 接点多为微米级的薄膜，与普通热电偶比较，它具有热容量小、响应迅速等特 点，所以能够准确地测量瞬态温度的变化。 薄膜热电偶的尺寸非常小，对温度场的影响不大。根据制造工艺和使用要 求可分为三种： 1 ) 片状薄膜热电偶 把热电偶薄膜用粘结剂粘贴在衬架或基片上，需要用云母或浸酚醛塑料片 作绝缘材料和保护层。在我国，由中国科学院工程热物理研究所与重庆仪表研 究所合作，试制成用于测量发动机壁面瞬变温度的铁一镍片状薄膜热电偶【3 们， 如图1 1 0 所示。其长、宽、厚尺寸分别为6 0 m m 、6 m m 、0 2 m m ，金属薄膜厚度 在3 - 6 m 之间，测温范围为o 3 0 0 ，时间常数小于0 0 1 m s 。 l 、热电偶测量端2 ，基底3 、铁膜4 ，镍膜5 ，铁丝6 、镰丝7 、接头夹具 图1 1 0 铁镍片状薄膜热电偶 9 第一章引言 图1 11 d b e n d e r s k y 薄膜热电偶 2 ) 针状薄膜热电偶 选取一种热电极材料作成针状，将另一种热电极材料用蒸镀方法覆盖在针 状热电极的表面，在两热电极之间用涂层绝缘，仅在针尖处连接成测量端。针 状热电偶摆脱了粘接剂和衬架的影响，时间常数比片状热电偶小。 早期的薄膜热电偶被设计成同心圆柱形的热元件( 类似于针状薄膜热电偶) ， 用金属薄膜加以联接，金属薄膜垂直于圆柱，平行于被测表面。遗憾的是这种 薄膜热电偶对被测部分的热传导存在干扰作用。 窿 塑 舅成1 0 5 p m ) 绝缘 导线柱( f c ) 本体( f 。) 导线( f e ) 压紧母 芯片电掇 ( 镶或康铜) 图1 1 2 夹板式薄膜热电偶结构图1 1 3b s 1 ( 镍一铁) 和b s 一2 ( 康铜一铁) 薄膜热电偶结构 l o 第一章引言 5 0 年代初期，d b e n d e r s k y 发表了他的研制结果，并用薄膜热电偶测量了枪 膛内表面在发射瞬间的温升【1 9 1 。b e n d e r s k y 热电偶的结构如图1 1 1 所示。它由一 支钢管与经过绝缘处理的镍丝组成，表面蒸镀薄膜，膜厚l m 。由于该热电偶 的热接点极薄，热惯性小，因而具有很快的响应速度。d b e n d e r s k y 用膜厚l m 的薄膜热电偶测得枪膛温升率达4 4 0 m s 。 6 0 年代，日本小栗达、原正键等人研制成夹板式薄膜热电偶，用于测定内 燃机壁面的瞬变温度，如图1 1 2 所示。 8 0 年代，我国沈胜强、张志千等人研制出了b s 一1 和b s 一2 型薄膜热电 偶幽】，用于测定柴油机气缸盖的瞬变温度，如图1 1 3 所示。热电偶的一极选用 与所测壁面相同或传热性能相近的材料铁，中间芯片电极选用镍或康铜。绝缘 好的芯片装入铁芯之中，后部螺母将其压紧，依靠头部的锥面使两热电偶金属 及绝缘面严密配合。头部经研磨、洗净后检查两金属的绝缘情况，再镀0 5 m 厚的薄膜。 图1 1 4b m b 1 薄膜热电偶结构图 1 1 5 接镀于被测表面的薄膜热电偶 9 0 年代，我国薛晖、李付国等人研制出一种用于锻模瞬态温度测量的b m b i 型便携式薄膜热电偶【2 5 1 ，选用陶瓷薄片材料作为基体，通过激光加工将陶瓷 片制成如图1 1 4 所示形状，其中部两孔直径为0 2 m m ，将中0 2 r a m 标准镍 铬一镍硅热电偶丝分别嵌入小孔，使其与小孔达到过渡配合，从金相显微镜下 基本看不到间隙。然后在陶瓷片背面用高温无机胶将热电偶丝固定。经研磨、 超声波清洗、红外灯烘烤后，镀0 7 m 厚的薄膜，再镀一层o 1 m 厚的保护膜。 第一章引言 3 ) 热电极材料直接镀在被测表面的薄膜热电偶 由于这种热电偶不用衬架和保护管，镀层极薄，因此响应速度极快，其时 间常数可达微秒级。而且不影响被测表面的温度分布，是一种理想的表面热电 偶。 这种薄膜热电偶的早期研究工作始于1 9 6 6 年，英国的m a r s h a l l 等人研究了 镍、铁、铜、康铜、镍铬、镍铝等材料的蒸镀膜。尽管这些薄膜热电偶的塞贝 克系数不高，但膜厚超过0 2 5 am 以后结果是一致的。 1 9 6 8 年，日本的k o i k e 等人研究了蒸镀b i a g 和s b a g 薄膜热电偶的 热电动势与膜厚之间的关系，取得了膜厚为o 5 am 时结果一致的成果。 7 0 年代初，美国p r a t t 和w h i t n e y 等航空汽轮机公司对薄膜热电偶产生了兴 趣，研究用其测量汽轮机一级叶片的表面温度。由于其它任何方法都无法达到 上述目的，因此这一关键应用极大地推动了美国薄膜热电偶研究工作的进展。 9 0 年代末期，美国的j i h f e n l e i 和h e r b e t a w i l l t 2 0 】在航天飞机主发动机叶片上 直接镀薄膜热电偶，取得了很满意的结果。 我国，天津大学的刘裕光等【3 l 】在2 5 m m x8 0 m m x1 0 m m 医用玻璃基片上镀 制镍铬一镍硅薄膜热电偶。西北工业大学的黄吕权等【3 2 】在非金属表面上镀制镍 铬一镍硅薄膜热电偶，并用于锻压模和机械制造中磨削时的瞬态温度测量。上 海交通大学的陈汉平等【2 6 】直接将镍铬一镍硅薄膜热电偶镀于待测的非金属表 面，如图1 1 5 所示。被测表面是授盖在基体1 上的陶瓷喷涂层2 ，引出导线6 和7 直径为0 5 m m ，材料分别与两种薄膜相同。用直径2 m m 的对开圆锥销8 将 引出线夹紧后以一定的紧度装进被测工件的销孔中，使引线定位。引线的一个 伸出端与被测表面一起修平，镀膜时热电偶薄膜3 和4 应把引线充分盖住。圆 锥销孔布置得离热电偶测量接点5 足够远，以免影响测点附近温度场的真实性。 圆锥销和工件基体之间加入云母片9 绝缘。 ( 5 ) 红外辐射测温法 采用光、热辐射法测量切削温度的原理是：刀具、切屑和工件材料受热时都 会产生一定强度的光、热辐射，且辐射强度随温度升高而加大，因此可通过测 量光、热辐射的能量间接测定切削温度【3 3 3 4 1 。但辐射测温法将遇到的主要困难 之一是在刀具一切屑及刀具一工件的接触面上所产生的辐射被遮挡，无法进行 通常的测量p 5 。 1 ) 辐射温度计法【3 6 】 1 2 第一章引言 使用红外辐射温度计可测定刀具或工件表面的温度分布。红外探测器将接 收的红外线转换为电信号，经线性化处理后即可获得相应的温度值。但采用红 外辐射高温计只限于测量刀具或工件外表面某一点的温度。 辐射温度计测温方法的优点是不干扰被测温场，从而具有较高的测量准确 度；在理论上无测量上限，可测量相当高的温度；物体红外辐射的传播速度就是光 的速度，所以原则上测量物体每一点温度所需时间仅受这种仪器本身使用的探 测器响应时间的限制，而探测器响应时间可达微秒级，故易于快速与动态测量。 但由于材料的表面辐射率是一个影响因素相当复杂的参数，难以直接测得被测 对象的实际温度。而且这种测温方法的测温原理及温度计结构相对复杂，因而 价格较高。 k o t t e n s t e t t e 3 7 1 和u e d a 3 8 1 等人将红外辐射温度计与光纤探头结合起来组成光 纤红外辐射温度计。光纤探头交替插入刀具或工件预先加工好的小孔，可以测 到刀具或工件表面下的温度。由于光纤的时间常数在s 级，所以其响应速度比 埋置热电偶要快得多。光纤红外辐射温度计的主要优点是能测得不连续高速切 削或磨削时产生的瞬态热脉冲。遗憾的是这种设备在红外辐射测温技术中价格 昂贵且只能用于干态切# j i j 3 9 】。 2 ) 红外热像仪法【7 ，8 3 9 4 2 】 红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬一波尔兹曼定律，即 e = 6 0 0 4 ( 1 1 ) 式中e 物体辐射单元单位面积的辐射能量( w m 2 ) 占物体辐射单元表面辐射率( 取决于物体表面性质) 盯斯蒂芬一波尔兹曼常数( 盯= 5 7 6 x 1 0 - 8 形2 k 4 ) ，m 秒物体辐射单元的表面温度( k ) 红外热像仪利用3 5 6 p m 或8 1 4 , up m 红外波段的扫描来测量物体表面温 度分布及状态，并通过热成像技术给出热辐射体的温度和温度分布值，以及得 到二维温度分布热像图。红外热像仪与辐射测温仪相比，只是多一套目标扫描 系统和一套目标成像系统( 如图1 1 6 中虚线框内所示) 。其基本组成如图1 1 6 所 示。 1 3 第一章引言 图1 1 6 红外热像仪基本组成框图 目标扫描系统对被测目标在一定区域内进行扫描，测定该区域的温度及其 分布。此光信号在控制程序作用下分别投向探测器进行光电转换，获得正比于 光通量的信号电流。它经过信号放大电路，将所测得的温度及其分布在显示器 上显示出来。经放大后的信号电流再经电光转换后，在同步信号控制下，由成 像扫描系统在示波器或c t r 上显示出正比于被测对象温度的电子视频信号。红 外热像仪测温法具有直观、简便、测温范围宽、准确度高、响应快、可远距离 非接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。 切削时，红外热像仪通过光机扫描机构探测工件( 或刀具) 表面辐射单元的辐 射能量，并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号，通过对信号进行 处理，以可见图像的形式进行显示，显示的热像图代表被测表面的二维辐射能 量场，若辐射单元的表面辐射率已知，则可通过斯蒂芬一波尔兹曼定律求出辐 射单元表面的温度分布场及动态变化。虽然红外热像仪所测温度为相对温度， 滞后于实际切削温度，但根据传热反求算法可准确求得切削过程中工件( 或刀具) 的温度变化规律及动态分布。红外热像仪测温法具有直观、简便、可远距离非 接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。 ( 6 ) 超声波测温 频率2 0 k h z 以上的机械波称为超声波。超声学是一门多学科交叉( 机、电、 声、医等) 、应用范围十分广阔、研究十分活跃的学科。超声学早在十九世纪3 0 年代就引起了人们的研究。 从法国人l a n g e v i n 在1 9 1 6 年致力于水下超声的研究开始，超声的应用渗透 1 4 第一章引言 到众多的领域1 4 3 】。近年来，随着电子和计算机技术、精密机械和材料技术、图 像处理和测量技术的发展以及人们对超声波物理、化学及生物机理的进一步研 究，超声的应用领域也大大拓宽，并在国民经济各个领域占据着越来越重要的 地位【4 2 4 3 。据有关数据显示，世界超声行业每年的增长率达到百分之六，远高 于一般传统产业。 超声波技术按用途分为两大类。一类是利用超声来采集物质本身特性或内 部结构信息，简称检测超声。如超声探伤、超声定位、超声探矿、水下声纳、 超声测厚、超声流量检测等。另一类是利用超声能量来改变物质的性质或状态， 简称功率超声。如超声清洗、超声加工、超声焊接、超声马达、超声过滤、超 声处理种子、声化学和超声治疗等。 超声波在介质中传播时，总是携带着表征介质物理性能的各种信息。利用 超声波的各种传播特性，提取这些信息加以处理，就可以从不同的角度分析介 质的性能或状态，这就是实现超声检测的理论基础。 超声检测技术是一种重要的无损检测技术。由于超声穿透能力强，对材料 和人体无损害，使用方便等特点，超声检测被广泛应用于国防、航空航天、电 力、石化、机械、材料等众多领域。比如超声波测螺栓应力，微米级厚度测量， 核辐射环境及高温炉的温度测量，超声流速测量，新材料无损评价，焊点检测 等1 2 7 之8 】 超声温度测量在工业中有广泛的应用 4 7 - 5 0 1 。3 0 0 年前，牛顿从理论上推导出 声速和温度之间的关系。1 2 0 年以前，声学专家m a y e r 测出了1 0 0 0 k 以上高温 气体中的声速，并发现声速与介质温度的平方根成正比。但超声测温技术的研 究和应用在近5 0 年才逐步展开。美国的l y n n w o r t h 从2 0 世纪6 0 年代开始研究 各种超声波脉冲技术在测量固体、液体、气体温度中的应用。7 0 年代开始，超 声波测温技术在火箭发射、等离子体室、核反应堆、惰性气体高温测量、温度 标准等领域得到了应用。1 9 9 2 年第七届国际温度讨论会上，v a r e l a 发表的论文 中提到的超声波温度计系统可以准确测出加热炉中室温到3 0 0 0 的高温，标志 着超声测温技术已经发展到工业实际应用阶段。现在，超声波测温技术已经成 为一种大有前途的温度检测新方法。超声测温与传统测温相比，可以达到更快 速、更精确、测量范围更宽的要求，以满足工业生产和科学研究中温度精确测 量和在线控制的需要。 工业超声测温方法的显著特点是，能测得构件或介质内部的温度。工业超 1 5 第一章引言 声温度测量大多以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为基础，即通过 测量介质的声速来反映温度。工业超声温度测量分为两类【5 1 】：( 1 ) 使超声波直 接通过被测介质，即以被测介质本身作为敏感元件；( 2 ) 使超声波通过一种与 被测介质互相热平衡的敏感元件，如石英敏感元件或细线敏感元件等。以被测 介质本身作为敏感元件的温度计具有温度读数响应快且温度场不受扰乱的优 点。而后一种热平衡方法的温度计难以追随急剧的温度变化，纳米级微小时间 信号的测量、导棒及敏感元件材料的选择是超声测温在实际应用中要研究解决 的关键问题。 在某些特殊条件下，超声测温技术能解决其它常规方法无法解决的问题。 在超低温方面，人们已把超声波测温技术作为2 - 2 0 k 温度范围内的基准测温方 法；在高温方面，超声波甚至可在高达1 7 0 0 0 的等离子温度区作温度测量。目 前，超声技术在核辐射环境及高温炉的温度测量方面的研究工作已得到重视， 是一个有很大发展潜力的技术领域 4 3 巧n 。 ( 7 ) 其它切削温度测量方法 除上述切削温度测量方法外，常见的测温方法还有金相组织观察法、显微 硬度分析法、量热法、热敏涂料法、涂色法等【5 2 1 。但这些方法都不能满足实时 测量的要求。 金相组织观察法是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一 原理进行测温的。该方法通过观察刀具或工件切削前后金相组织的变化来判定 切削温度的变化，主要适用于高速钢刀具，因为当温度超过6 0 0 时，高速钢的 红硬性下降，组织结构发生一系列变化，可通过经抛光、腐蚀后的金相磨片来 检查其金相组织变化。但这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具，并 且只有在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化9 此外，观测和分析的工作 量也较大。 扫描电镜法测量切削温度是用扫描电镜观测刀具预定剖面显微组织的变 化，并与标准试样对照，从而确定刀具切削过程中所达到的温度值。应用扫描 电镜法首先需要制取样件和对照样件，考虑到在不同温度和不同保温时间条件 下材料的显微组织不同，对照样件需要多制取一些：得到对照样件的显微组织照 片后即可确定被测刀具某一部位的切削温度。扫描电镜法测定切削温度的分辨 率和确定温度分布的准确性均很高。但扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量 6 0 0 以上的温度；样件制作相当繁琐；属事后破坏性测量，不便于在生产现 1 6 第一章引言 场推广应用：所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂，技术难度 高，实际应用受到一定限制。 显微硬度分析法是将刀具、工件和切屑在不同温度下呈现不同硬度的基本 原理进行逆向应用，根据材料受热后的显微硬度间接测知其切削温度。 量热法是将受热后的刀具、切屑或工件浸入水中并测定水温的升高，根据 水的温升计算刀具、切屑或工件的温度。这种方法常用于测定金属切削过程中 进入刀具、切屑或件的热量百分比。 热敏涂料法是将刀具沿切屑流出方向对称剖开，在剖面上涂上可在一定温 度下熔解的微细金属粉末，然后将刀具合拢固定进行切削，切削完后再将刀具 分离开，通过观察微细粉末熔化区域来确定刀具内部切削温度的分布情况。此 外，还可用涂色法确定切削温度，但该方法测量精度较低。 1 3 2国内外人体医学测温技术综述 ( 1 ) 人体体表测温技术 用于人体体表温度测量的仪器仪表两大类：接触式的和非接触式的。接触式 温度计又可分为玻璃液体温度计、电子体温计和液晶温度计；非接触式温度计又 可分为耳温计、手持式额温计、医用红外热像以及红外体温监测仪。 1 ) 接触式体温计【5 2 】 接触式体温计的体温测量是用医用玻璃液体温度计、医用电子接触式温度 计或液晶体温计等插入人体内部( 舌下、直肠) 或置于腋下，通过接触使温度计的 温度等于被测处的温度。医用玻璃液体温度计是根据液体的体积受温度变化而 产生变化的原理制成的，如水银温度计；医用电子接触式温度计采用半导体温度 传感器( 如热敏电阻) 将温度信号转换为电信号，处理得到的电信号得到温度的信 息；液晶体温计是用胆甾型液晶特有的“色一温效应”制成的，在一定温度范围内， 胆甾型液晶的颜色随温度的变化而变化。接触式体温计的优点是它们本身准确、 稳定，仪表的误差通常不超过0 1 ；而且容易使用，价格便宜，既可作医疗使用， 也可作为家用。其缺点是测量的速度慢，测量时要求与病人接触，因此在使用 时容易因为消毒不彻底而引起交叉感染。 2 ) 非接触式体温测量仪 非接触式体温测量仪是利用红外辐射测温的原理实现温度测量的。非接触 测温仪的优点是不需与被测对象接触，因此在测量体温时不会造成交叉感染；而 1 7 第一章引言 且它的测量速度快，通常测量时间小于1 秒。不同形式的红外体温测量仪又具 有不同的特点。 ( a ) 红外耳温计【5 3 5 5 】 美国从6 0 年代中期就开始研究把鼓膜温度作为核心温度的标准。近年来以 美国为中心研制开发了一系列红外辐射式耳温计，这是一种专门用于测量鼓膜 温度的温度计，通过红