（机械设计及理论专业论文）化爆材料的新型动态切削温度及切削力测试系统的研发.pdf

大连理工大学硕士学位论文中文摘要 摘要 由于化爆材料的不均匀性，其内部随机分布着硬质点。切削过程中，当切到 某个硬质点时，会突然产生大量的切削热而使工件出现瞬时高温脉冲，当这一瞬 时高温超出一定的范围时，会引爆工件而发生危险。本文运用半人工热电偶的测 温方法实现了对动态切削温度的实时测量，从而为军工企业选择合理的切削用量 来提高加工效率提供了理论依据。 本研制工作包括以下主要内容：测温传感器的结构设计、加工、制作( 包括 试验所需的各种夹具设计与制作) ，静态标定、动态标定，冷端补偿及信号调理 器的制作，测试系统软件设计与集成，模拟切削实验、现场切削实验数据处理及 结果等。 采用双刀片法研制的半人工热电偶加超前网络以后，响应速度达到5 m s 以 内，具有灵敏度高，动态响应快的特点，能快速并准确地响应被测试件的切削温 度。线性好，在0 6 2 0 范围内线性拟合误差小于0 3 。运用a c t i v e x 技术开 发的动态切削温度及切削力测试系统界面友好，可操作性强。最后通过模拟切削 试验和现场切削试验，我们得出以下结论。对于化爆材料而言，影响切削温度的 主要因素是切削深度，其次是切削速度，而进给量对切削温度的影响不显著。 关键词：半人工热电偶；化爆材料；温度脉冲；标定；超前网络校正；a e t i v e x ； 正交试验 大连理工_ 人学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t d u et ot h ea s y m m e t r yo fe x p l o s iv ec h e m ic a lm a t e r i a l ，t h e r ea r e m a n y h a r d p o i n t ssc a t t e r e di ni tsi n te r i o r d u r i n g t h e c u t t i n g p r o c e s s ，w h e nt h ec u t t i n gt o o l h it st h eh a r d p o i n t s ，t h eh e a t g e n e r a t i o nw i l l in c r e a s ea tt h ec u t t i n ge d g e o ft h et 0 0 1a n da s u d d e nh e a td u ls ew i l lo c c u ra tt h i sm o m e n t i ft h em a x i m u mo ft h e h e a t p u l s ee x c e e d s8c e r t a in r a n g e ， i t m a yc a u s e t h ew o r kp ie ce t o e x p l o d e t h is p a p e rp r e s e n tsan e wte m p e r a t u r et es t i n gm e t h o d t om e a s u r et h e c u t t i n gt e m p e r a t u r ed y n a m i c a l l yb yu s i n g s e m i t h e r m o c o u p l et e c h n o l o g y a n dt h er e s u l tc a nb eu s e dinp o w e r m i l lst oh e l pe n h a n c et h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yb yc h o o s i n gt h em o s t o p t i m i z e d c u t t i n gc o n d i t i o n s ag r e a te f f o r th a sb e e n m a d et ot h ef 0 11 0 w i n g a s p e c t s ： s t r u c t u r ed es ig n i n g ，m a c h i n i n ga n dm a n u f a c t u r eo ft h et e m p e r a t u r e s e n s o r ( in c l u d in gt h ej i gd e s i g n in ga n dm a c h i n in g ) ，s t a t i c c a l i b r a t i o n ，d y n a m i c a lc a l i b r a t io n ，c 0 1dj u n c t i o nc o m p e n s a t io n a 几d s i g n a l a d j u s t m e n tb o x ， s o f t a r e d e s i g n j n ga n d jn t e g r a t i o n ， s i m u l a t e dc u t t i n ge x p e r i m e n ta n do n t h e s p o tc u t t i n ge x p e r i m e n t a f te r a d o p t i n gp h a s e l e a d in gn e t w o r k ，d o u b l e b l a d e s e i i j i t h e r m o c o u p l e s r e s p o n d i n g t i m e w i l lb el e s s t h a n5 m s ，i t h a sa g o o d s e n s iti v it ya n dv e r yf a s t r e s p o n d i n gs p e e dw h i c hc a n m e a s u r et h et e m p e r a t u r eo ft h ew o r kp ie c ea c c u r a t e l ya n dq u i c k l y t h e q u a n t i t y m e a s u r e dw i l l v a r yl i n e a r l y w i t h t e m p e r a t u r e t h e e r r o ro ft h el i n e a rf i tis1 e sst h a no 3 a m o n gt h er a n g eo fo 6 2 0 c t h eu se r ss o f t w a r ei n t e r f a c eo ft h ec u t t i n gte m p e r a t u r e a n dc u t t i n gf o r c es y s t e m ， w h ic h a d o p t e dt h ea c t i v e xte c h n 0 1 0 9 y ， iss u c c i n c ta n dm a n e u v e r a b le t h r o u g ht h es i m u l a t e dc u t t i n g e x p e r i m e n ta n do n t h e s p o tc u t t i n ge x p e r i m e n t ，t h er e s u l tp r e s e n t s t h a tw i t h r e s p e c t t ot h e e x p l o s iv ec h e m i c a lm a t e r i a l ，t h em a in f a c t o r ， w h ic ha f f e c tt h ec u t t i n gt e m p e r a t u r eo ft h et 0 0 1 ，ist h e d e p t ho fc u t n e x tisc u t t i n gs p e e d a n dt h ef e e dr a t eh a sl i t t l e c o n t r i b u t i o nt ot h er is eo ft e m d e r a t u r e k e y w o r d s ：s e m i t h e r m o c o u p l e ；e x p l o s i v e c h e m i c a l a t e r i a l ： h e a t i i 大连理工大学硕士学位论文英文摘要 p u l s e ：c a l i b r a t i o n ：p h a s e 一1 e a d i n gn e t w o r k ：a c t i v e x ：h a n d i n g t es t in g 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1论文背景 随着制造技术的发展，虽然已经出现了一些零件直接成形工艺，但目前仍然 有9 0 以上的机械零件是通过切削加工完成的。由于某些材料切削过程中不能采 用冷却液，所产生的切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切 屑和工件中。切削温度的上升会加快刀具磨损，影响刀具耐用度。用磨损的刀具 切削工件对，又会进一步使切削温度增加，太高的切削温度会引起工件热变形， 并影响工件的加工精度和表面质量。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能 试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量就非常重要。 在切削过程中，切削温度是按照某种温度场分布的，若仅仅测量平均温度， 不能满足深入研究的需要，所以需要测定某点的切削温度。另一方面，由于被加 工材料的不均匀性，以及切屑变形过程和振动等原因。在很多情况下，切削温度 是一个随时间而变化的动态量，某一瞬时可能现很高的切削温度。因此，切削过 程中瞬时点温度的测定，有助于进一步揭示切削过程中的物理本质。 此外，由于材料的不均匀性，材料内部可能存在硬质点。在车削加工过程中， 刀具切削到硬质点时，材料本身便会产生瞬时高温脉冲。如被加工材料为化爆材 料，在这种情况下，就可能产生极为严重的后果。目前国内还没有专门用于测量 化爆材料切削温度的传感器，因此，在实际生产中，人们往往仅凭工作经验，采 用比较保守的切削速度以提高安全系数。本课题通过研究切削过程中刀具温度的 变化，实现对化爆材料切削温度的监测，为设定合理的加工参数提供可靠依据， 并实现提高生产效率的目的。 该课题来源于中国工程物理研究院重大基金项目( 项目编号：2 0 0 1 2 0 3 0 1 ) 的子课题“化爆材料动态切削温度及切削力测试系统”。 1 2 国内外研究现状 关于刀具温度的测量方法，目前国内外很多学者进行了相关的深入研究，这 些研究主要集中在以下几个方面。 1 、基于传导技术的切削温度测量方法 当切削热传导到由两种不同材质组成的材料副( 如切削加工中的刀具与工 件) 时，会因表层电子溢出而在材料副的接触面间形成电位差( 即热电势) 。由 于特定材料在一定温升条件下形成的热电势是一定的，因此可根据热电势的大小 来测定材料副的受热状态及温度变化情况。这种测温的方法称为热电偶法，由两 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 种不同材质组成的材料副称为热电偶。用于非金属材料切削温度测量的方法有以 下几种。 1 1人工热电偶法1 1 - 5 】 人工热电偶法可用于测定刀具、切屑、工件上指定点的温度，也可测得温度 场的分布和最高温度的位置。人工热电偶法测温装置如图1 1 所示。在非金属工 件或刀具被测点处钻一个小孔，孔径越小越好，通常小于0 5 r a m ，孔中插入己标 定好的标准热电偶( 如果是插入金属刀具中应使其与孔壁之间保持绝缘) 。切削 时。热电偶接点感受被测点的温度而产生热电势，并通过串接在回路中的毫伏计 测出电势值，然后根据标定曲线即可得出被测点的温度值。 因人工热电偶的结点有一定的体积和质量，对变化着的温度响应有滞后现 象，对变化过快的温度尤其难于测量。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 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。 测n鼠测工件 图1 1切削温度测量的人工热电偶法 f i g 1 lt h e r m o c o u p l em e t h o do fc u t t i n g t e m p e r a t u r et e s t i n g 1 2 半人工热电偶法5 】 在用金属刀具切削非金属材料时，可以把金属刀具作为热电偶的一极。将 一根热电敏感材料金属丝焊在待测温点上作为另一极构成热电偶。由于半人工热 电偶法测温时采用单根导线，不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。但 大连理工大学硕士学位论文 篇一章绪论 这种方法在切削非金属材料时只能用来测量刀具的温度。如图1 - 2 所示。 图1 2 切削温度测量的半人工热电偶法 f i g 1 - 2 w o r k - t o o lt h e r m o c o u p l em e t h o do f c u t t i n g 1 3 薄膜热电偶法 6 - 1 3 1 薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器。特别是在内燃机活塞顶面 和燃烧宣壁面、枪炮膛内壁、锻膜表面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p h a c k e m a n n 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 um ) ，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。 ( 2 ) 针状热电偶。选取一种热电极材料做成针状，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。 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 热电极材料直接镀在被测表面的热电偶。由于这种热电偶不用衬架和保 护管，因此响应速度极快。其时间常数可达微秒级。 2 、基于辐射技术的切削温度测量方法 切削时，刀具、工件、切屑都会因受热产生一定强度的光、热辐射，且辐射 强度随温度升高而加大，因此可以测量光、热辐射的能量间接测定切削温度。根 据斯蒂芬一波尔兹曼定律可知，物体辐射单元单位面积的辐射能量( w m2 ) 与切 削温度之间的关系为： e = f 口， 式中e 物体辐射单元单位面积的辐射能量( w m2 ) ： r 物体辐射单元表面辐射率( 取决于物体表面性质) ； 口斯蒂芬一波尔兹曼常数，口= 5 6 7 x i o 坷( w m2 k 4 ) ； 7 物体辐射单元的表面温度( k ) 。 2 1红外辐射高温计法【1 。3 1 4 1 5 】 使用红外辐射高温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。红外辐射高温 计的测温方法原理如图1 3 所示。但采用红外辐射高温计只限于测量刀具或工件 外表面的温度。 红外辐射高温计 图1 3红外辐射高温计测量切削温度 f i g 1 - 3 i n f r a r e dm e t h o do ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 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 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 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。 2 2 红外热像仪 红外热像仪的工作原理是利用3 5 6 i tm 或8 1 4um 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，以及得到热像图二维温度分布图。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 4 中虚线框内所示) 。其基本组 成如图1 4 所示。 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 r t 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。 l 。+ i 图1 4 红外热像仪法 f i g 1 - 4 i n f r a r e dt h e r m o g r a p h y 3 、其它测温方法 k a t o1 1 1 等发明了一种测量刀具内部温度分布的方法。刀具沿切屑流出方向对 称剖开，在任一剖面上均匀撒上精炼的具有固定熔点的细粉。然后把刀具合拢进 行切削。通过观察粉末熔化的区域来得到温度的分布。用这种方法得到的温度梯 度场与其它方法稍有不同。 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 刀具中的温度分布还可通过各种钢制刀具的硬度和显微结构随温度而变化 的特性而得到。用这种方法需要对不同温度及不同加热时间的刀具硬度进行标 定，并制作不同温度下具有不同显微结构的样件。测量精度为2 5 。然而这种 方法工作量大，难于实现。 在非金属材料切削时，可以用人工热电偶法和半人工热电偶法测量刀具或工 件的指定点的温度，但响应速度不高。而采用薄膜热电偶则可以获得足够快的响 应速度。 红外辐射测温仪可以进行非接触测量，对被测温场没有影响，而且响应速度 很快，是一种愈来愈受欢迎的测温方法。但对被测表面发射率的修正值得进一步 研究。 现在在工业测温领域，热电偶测温的应用还是最广泛的。因此在制作热电偶 的过程中，另一个关键问题引起了大家的关注，那就是热电偶的动态标定问题。 ( p 然i n 慧。) 燃元e p d 3 0 2 ) 取兀早兀 照相机 图1 - 5 激光脉冲热辐射法 f i g 1 5 l a s e r p u l s et h e r m o r a d i a t em e t h o d 目前热电偶动态标定 1 6 - 1 8 时的常用方法有3 种：阶跃信号法、脉冲信号法 和斜坡信号法。假如热电偶动态时间常数非常小，用上述传统标定方法，必然产 生很大的误差。因为很难与热电偶动态时间常数相适应的温度阶跃信号的前沿或 脉冲信号的持续时间，采用斜坡信号标定时也很难测定与热电偶动态时间常数相 对应的温度响应滞后量。因此，考虑采用薄膜热电偶的一些动态标定方法。比如 说，有人采用高速子弹从膜表面通过来测试薄膜热电偶的动态响应特性，别的办 法还有激波管法，自由落体法，及使被标定热电偶自由落入一定温度的液体中， 从而记录下响应时间的大小。现在又有一种新的动态标定方法激光脉冲热辐 射法，能够标定反应速度很快的热电偶的动态特性。标定方案如图1 - 5 所示。通 过双线示波器同时记录硅光电管和热电偶产生的波形，比较波形从而得出时间常 6 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 数。 还有一种电加热的标定方法( 图1 6 ) 。有文献指出：“在异常薄( 厚x 一0 ) 的 金属箔中，瞬时通电所产生的热脉冲，热源一下子发出的热量o 在t 一0 的近 乎瞬间内，由于来不及发散传播，必然使热源所在处本身在x 范围内升温8o = q p 。ax ，既然q 不可能无限大。ax 尽管很小，毕竟尚非0 ，这个80 就只能是 有限值。”据此原理，将薄膜热电偶的感温膜同时作为加热膜，突然接通加热电 路，则在薄膜瞬时产生一热源，相当于给膜面一阶跃温升，如果在瞬间接通又断 开。则相当于给膜面一温度脉冲变化。 图1 6 表面热电偶动态标定系统 f i g 卜6d y n a m i cd e m a r c a t i n gs y s t e m o ft h es u r f a c et h c r m o c o u p l c 1 3 论文的主要工作及体系结构 本课题着重研究车削工程中，在切削刃某一点上瞬时温度的测定方法，要求 在化爆材料切削过程中，实现切削温度的实时测量，测量结果通过程序显示。主 要研究工作如下： l 、半人工热电偶传感器的研制、测温系统的动态及静态标定； 2 、调理电路的设计，实现冷端温度自动补偿、信号放大功能，并要解决半 人工热电偶响应速度稍慢的弊端，使响应时间达到5 m s 以内； 3 、测试系统软件部分设计，实现对切削温度及三向切削力的动态监测，并 对数据进行滤波，求最值和均值等处理； 4 、模拟材料切削试验。实际材料切削试验及其结论分析。 本文的体系结构如图i 7 所示。 大连理工大学硕士学位论文第一章绪论 图1 7 本文的体系结构 f i g 1 7 s t r u c t u r eo ft h ep a p e r 8 太连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 第二章系统的总体方案设计 本课题的目的是研究开发动态切削温度及切削力的测试系统。该测试系统， 是用温度传感器和压电三向力的传感器测量被切削材料的温度及力的大小，并通 过数据采集系统将该信号送入计算机，利用计算机进行监测和数据处理。 2 1 系统的工作原理 本监测系统的测量对象是切削温度信号和力的信号。该测试系统的工作原理 是；传感器( 或前端采集设备) 把物理信号转换成电信号( 电压) ，例如热电偶( 温 度电压) 、测力仪( 压力电压) 等。信号调理模块能够对微弱信号进行放大、隔 离、滤波、冷端补偿处理，达到更加精确的测量的目的。之后再通过a d 转换 进行数字化。然后通过计算机来对信号进行监测。本系统的a d 转换是通过插 入式数据采集板来完成的。数据采集板的程序设计采用v c + + 6 0 编写。软件系 统不仅仅包括数据采集，同时它可以对采集来的信号进行数据分析，例如实时曲 线历史曲线分析，滤波，最大值、最小值和均值计算等。 图2 - 1 传感测控系统的构成图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo ft h es e n s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 2 2 系统信号的获取 作为测试系统的第一个环节，将被测系统或过程中需要观测的信息转换为人 们所熟悉的各种信号是测试过程必须实现的任务。这种转化的技术就是传感技 术：实现转化的元件就是传感元件；而将传感元件通过机械结构支承固定，并将 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 所获得信号传输出去的装置就是传感器。 现代自动监测和自动控制都离不开传感器，它是测试与控制系统的首要环 节，它能把被测物理量直接转换为与之有确定对应关系的并容易检测的电信号输 出，以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求。在这个系统 中我们分别采用的是压电式力传感器和半人工热电偶式温度传感器来测量切削 力和切削温度的变化。 2 2 1 力信号的获取 压电式力传感器的传感元件是压电材料，压电材料有压电晶体、压电陶瓷等。 在沿一定方向对压电材料施加外力使之变形时，它的表面将产生电荷，当外力去 除后，压电材料表面回到不带电的状态，当然，要对其表面施以电场，压电材料 将产生机械变形。压电力传感器就是根据这种原理制成的。 压电石英力传感器就是以石英晶体为力电转换元件的静、动态型变换器，与 其它传感器相比，石英力传感器具有静态特性好、动态特性好、稳定性好、使用 性能好等优点。由于切削力是一种动态的信号，所以在本系统中，我们采用压电 石英做敏感元件，利用正压电效应及其良好的动态性能，开发出三向动态压电车 削、磨削、铣削测力仪，压电测力仪有如下特点： ( 1 ) 静态特性良好，即灵敏度高、静刚度高、线性度小、滞后小。 ( 2 ) 动态特性良好，即频率特性和瞬态响应均较理想，因此它特别适于测 量动态力、瞬态冲击力。 ( 3 ) 稳定性好，抗干扰能力强。 虽然压电测力仪有以上优点，但在测量中也存在问题，譬如压电传感器的横 向干扰问题( 它是由于晶片切割时切角的定向误差、晶轴方向判别和标记上的误 差、单元晶组和组合晶组构成时晶轴的相位误差或传感器使用和设计不合理等原 因而使传感器在力电转换过程中输出端产生信号误差的现象) ，将影响测力系统 的使用和测量结果的准确性。虽然我们采用的以前研发成功的三向测力传感器， 但在我们系统控制软件中必须通过软件来消除或尽可能减小横向干扰。 压电力传感器输出的信号是电荷，电荷大小反映了作用力的数值。但压电晶 体在受力变形后所产生的电荷量是极其微弱的且易受干扰，所以我们通过电荷放 大器将电荷信号转化为电压信号并放大，然后送入计算机。该系统中我们选用的 是由本所自行研制的y d x m i 9 7 型压电式动态切削力仪。 2 2 2 温度信号的获取 我们研制的半人工热电偶式温度传感器的传感元件由w 1 8 c r 4 v 钢条和n i c r 薄片组成。其基本原理是当两种不同的金属组成的闭合回路两端存在温差时，在 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 回路中便会产生热电势。具体作法是把高速钢刀头分成上下两部分，将n i c r 薄 片镶钳在两刀片之间，这镍铬薄片的一端夹在刀尖上，形成热结点，其余部分用 耐热绝缘膜与刀片隔开。薄片另一端与信号放大器相接，并将刀片接地以形成回 路。由此可见，刀头本身就是传感器，它既能切削又能同时测温。使用时，可将 刀头装在机夹刀杆上。刀头形状如图2 2 所示。 浅 图2 - 2 双刀片式半人工热电偶测温刀头结构示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r es k e t c hm a p o ft h ed o u b l eb l a d e s s e m i t h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r et e s t i n gc u t t e rh e a d 这种刀头的热结点位置可根据需要任意选择。而且结构相对简单，加工容易， 价格便宜。但这种测温方法的致命缺点是动态响应较慢，即使选用薄镍铬片，且 经过严格加工，时间常数也只能达到0 0 1 6 o 叭2 秒。当刀具磨损时，由于热接 点的体积发生变化，与标定时不一致，从而带来测温误差。磨损严重时，还有可 能整个热结点被磨去，这时热电偶已不能正常工作。 因此在后面的章节中，将就以下关键技术详细叙述。 l 、采用半人工热电偶法检测温度时，由于制作工艺原因，热电偶结点热容 量太大，响应时间达不到千分之五秒的要求。如何能准确地捕捉到快变的瞬间温 度变化，也就是说如何提高热电偶的响应速度。 2 、要又快又确切地反映被切削工件的温度，热电偶接点应该离工件越近越 好。把热接点选择在刀尖，即把刀头分成上下两片，且在中闻夹一金属薄片，势 必会影响刀片切削刃的强度和寿命。因此刀头的设计、加工与制作也是一个关键 问题。 3 、为了使温度传感器有很小的时间常数，热电偶接点应具有足够小的热容 量，所以镍铬薄片除了在刀尖处与刀头有1 5 1 6 m m 2 的接触外，其余部分均需 与刀头绝缘，刀头与刀杆也需要绝缘。这也是半人工热电偶制作成败的关键。 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 4 、本方案采用的热电偶一极是镍铬薄片，另一极是高速钢刀片本身。由于 组成的热电偶是非标准的，因此需要对热电偶进行分度。以得到热电偶输出电势 与被测温度之间的关系特性曲线。分度的准确性直接影响到测温的精度。 2 3 数据采集板的选择及其应用 在计算机测试系统中，若实现智能控制，必须将被测对象的各种测量参数按 要求送入计算机，由传感器、放大器送出的信号是模拟信号，进入计算机的信号 应该是数字信号，因此，在计算机和传感测试电路之间，按要求设置信息的传递 和转换装置，从而起桥梁和纽带作用，这种装置就是数据采集通道，也就是a d 转换器。a d 转换器包括信号的采样、量化和编码，它主要有以下技术指标： ( 1 ) 分辨率。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。 分辨率一般用数字量的位数来表示，如8 位或1 2 位。 ( 2 ) 量程。指所能转换的电压范围，如5 v ，1 0 v 等。 ( 3 ) 转换时间。完成一次a d 转换所需要的时间。 考虑到研制周期、质量、可靠性等，本系统采用的是凌华公司的p c i 9 1 1 8 d g 数据采集板。 p c i 9 1 1 8 d g 2 0 】是一种基于3 2 位p c i 总线结构的高性能多功能数据采集板， 适用于i b mp c x t a t 及其兼容机，它不但具有数据采集功能，还具有信号控制 和输出功能，例如：1 2 位a i d 转换，1 2 位d a 转换，数字量输入，数字量输出， 定时器和计数器。它已广泛应用于高速1 2 位数字处理中，具有较高的性价比。 尤为重要的是，p c i 9 1 1 8 d g 还有较强的编程功能，应用它的编程功能，使用v c + + 语言对其进行编程，使它能够对数据进行高速连续采集、a i d 转换等。 它的主要功能有： 1 6 个单端，8 个双端1 2 位模拟输入通道。 采样频率最高可达3 3 0 k h z 。 程控可变输入电压范围：5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v ，0 - 1 0 v ， 0 - 5 v ，0 - 2 5 v ，0 - 1 2 5 v 。 自动扫描通道选择。 板载1 k a i df i f o 存储器。 4 种可编程增益：1 ，2 ，4 ，x 8 。 一个1 2 位单片多路复用模拟输出通道。 三种a d 触发模式：软件触发，外部触发，可编程定时触发。 3 2 位p c i 总线，支持即插即用。 本课题主要应用它的1 2 位a i d 转换功能。模拟信号输入有1 6 个端口，可 构成1 6 个单端输入，各路信号可以用多路选择开关进行切换。信号的输入连接 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 方式有两种：单端输入，双端输入。单端模式只有个相对于地的输出，适合于 浮动信号源联接，浮动信号源指的是没有任何与地的连接源。如果信号源有一端 接地，则应该采用双端输入以消除地回路可能造成的影响。我们所要测量的温度 信号与力信号都属于浮动信号源所以采用单端输入的接法。图2 3 指出了模拟 信号与p c i 9 1 1 8 d g 数据采集板的连接。 职大僭翠迓摔 、姆放大器 j v ? ，啭换 图2 - 3 信号单端输入的接法 f i g 2 - 3t h ec o n n e c t i n gm e t h o do fs i n g l e e n d e di n p u ts i g n a 2 4 信号调理电路的设计 信号调理电路主要由放大电路、冷端补偿电路以及超前校正网络组成。其中 冷端补偿电路以及超前校正网络为设计的重点。 热电偶产生的热电势不仅与组成热电偶的两根不同的金属材料、热电偶测 量端的温度t 有关，还与热电偶的参比端( 也称冷端) 温度t0 有关。由热电偶的 基本原理可知：臣岫) = 南) + 钆p ) 。e ( 啪) 为热电偶的测量端温度为f ，参比端温度 为o c 时的热电势；e t 。、为热电偶的测量端温度为f ，参比端温度为f o 时的热电 势。也就是热电偶两端实际的热电势值；。、为热电偶的参比端温度为t o 对所应 加的校正值( 或冷端处理值) 。在现场温度测量中，热电偶参比端温度一般不为 o c ，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势是。如果要测得真实的被 测温度所对应的热电势0 ) ，就必须补偿参比端不是o 所需的补偿电势气i o ) ， 而且该补偿电势随参比端温度变化特性必须与热电偶的热电特性相一致，才能获 得最佳补偿效果。 常用的冷端补偿办法 2 u 有以下几种： ( 一) 恒定法 1 、冰浴法 将热电偶通过补偿导线把参比端置于冰水混合物中，使其处于0 状态。 这样，热电偶输出的热电势与分度表一致，达到了参比端温度补偿的目的。冰浴 法简单易行、补偿精度高，适宜于在实验室、计量室或仪表生产厂校验热电偶时 大连理工大学硕上学位论文第二章系统的总体方案设计 应用o 2 、恒温箱法 将热电偶的参比端置于恒温箱( 或恒温室) 中，参比端温度保持恒定温度t o ， 另由一个电子补偿线路叠加一个恒定电势，0 ) a 这样得到的气巾，便是参比端补偿 后的热电偶对应的热电势。这种方法较多地应用于工业现场测试。也有通过补偿 导线将参比端埋于地下l m 深处，使参比端保持恒定温度，随后通过导线将参比端 连接到显示仪表上，并调整显示仪表的零点，达到参比端温度补偿的目的。这种 方法精度虽不太高，但应用较为方便，因此被工厂普遍采用。 ( 二) 电桥法( 铜电阻补偿法) 1 、单铜电阻补偿 七o 4 v 图2 4 单铜电阻补偿 f i g 2 4c o p p e rr e s i s t a n c ec o m p e n s a t i n gm e t h o d 常用的参比端补偿器采用的就是这种方法( 见图2 - 4 ) 。补偿器为一不平衡 电桥。其中r i 、r 2 、r 3 为温度系数很小的精密电阻。r c 。为铜电阻，它与热电偶 的参比端处于同一温度t o 的环境中，当因参比端t o 变化而引起电桥输出电压的 变化量与热电偶的变化量相等时，即达到了热电偶参比端温度的完全补偿。当补 偿器桥路平衡时，环境r l - r 2 = r 3 = r c 。= 1q ，e = 4 v ，平衡温度t o 通常取2 0 ( 2 或 o c 。补偿器限流电阻r s 的大小根据热电偶分度号和温度补偿范围( t o - - t o ) 来定。 参比端补偿器补偿范围通常为o 5 0 ，只在t o 与t o 两点时才达到全补偿。而在 其他温度点只是近似补偿。 2 、双铜电阻补偿 电路中采用了两个铜电阻r c 。l 和r c 山在0 时其阻值为r o 。当t 变化时， 两铜电阻阻值随之变化，从而使u a c 变化以补偿热电势的变化，保证输出电压u 不随t o 而变，其大小为：u = 气) + 一。这种方法的温度补偿范围可达一1 0 + 6 0 ，在3 个温度点( t o l 、t 0 2 、t 0 3 ) 达到全补偿。单、双铜电阻补偿法线路简单， 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 成本较低，但只能在设计补偿点达到完全补偿，其他范围内补偿精度较差。( 如 图2 5 ) 七 。扣 = i = e0 r 2 i 磷1 r w 2 掣 c 图2 - 5 双铜电阻补偿 f i g 2 - 5d o u b l ec o p p e rr e s i s t a n c ec o m p e n s a t i n gm e t h o d ( 三) 微机法 上面介绍的电路补偿法在环境温度变化较大时，便会产生较大的误差，以 前要解决这一问题比较困难。而在目前微机广泛应用的前提下，已顺利得到解决。 微机补偿法原理是将集成温度传感器与热电偶的参比端置于同一温度t o 中，集成 温度传感器便可获得一个参比端温度相对应的电信号，通过多路信号调理器，将 微弱信号放大到o 5 v ，以满足模数a i d 转换器对输入信号的要求。经过a d 转换送入微机，得到一个相对于。的电信号，同时多路信号调理器将热电偶输 入的毋。信号经放大后，又通过a d 转换送入微机，将以上两个电信号相加，转 换成所求温度t o 。微机补偿法的设计复杂、价格也较贵。 ( 四) 集成温度传感器法 随着集成电路和微电子技术的飞速发展，各种半导体集成温度传感器被大 量开发，有电流输出型( 如a d 5 9 0 ) 和电压输出型( 如l m l 3 4 、l m l 3 5 、l m 2 3 5 、 l m 3 3 5 ) 等系列。它们不仅可用于温度测量，而且也用于热电偶的参比端温度补 偿。并且大多数集成传感器的输出电信号随温度变化具有良好的线性特性。 利用集成温度传感器a d 5 9 0 对热电偶进行冷端温度补偿具有精度高、成本 低、体积小、调试简单、使用灵活、冷端温度补偿范围大( - 5 5 1 5 0 ( 2 ) 等优点。 在使用中。只需将热电偶的冷端与集成温度传感器a d 5 9 0 置于同一环境中，不 论环境温度如何变化，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压 值。该电路的设计原理见第四章。 为了减小测试系统的时间常数，提高传感器的响应速度，在系统中引入相 大连理工大学硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 位超前校正网络。该电路的设计原理将在第四章中详叙。 2 5 系统软件的设计 传感器获取了信号，信号调理电路对信号进行处理，然后由采集板送到了计 算机。如果没有系统软件将其转化为人直观可见的图形或数据，所有这些都将没 有意义。所以软件部分的设计也是本课题的一个重点内容。 2 5 1 系统软件设计的目标 系统的应用软件是根据系统功能要求设计的。应可靠地实现系统的各种功 能。该系统的设计目标应为： 可操作性考虑到运用该系统的用户的计算机应用水平存在差异，在系统设 计时界面应当尽可能友好美观，操作尽量简单，使用户可以一目了然；对于易出 错的地方，系统应当给出提示。 易维护性在系统设计时，为了便于使用者理解软件结构、接口、功能和内 部过程，在编写代码时尽量采用模块化的程序结构、结构化的程序设计以及良好 的程序设计风格。 可靠性系统在发生故障或数据输入不合理时，应有较强的抗干扰能力和排 控故障的能力，以免系统产生错误或遭到破坏。 安全性系统在设置时，应保证某些关键参数的安全性问题。 2 5 2 系统软件的框架及模块划分 根据用户要求，我们要实现一个实时数据采集、处理的测试系统。设计时需 要进行模块划分，确定每个模块的功能、接口以及模块间的调用关系。 图2 - 6 系统软件体系结构 f i g 2 - 6s t r u c t u r eo f t h es o f t w a r e - 1 6 大连理工大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 模块划分首先根据系统总体框架对系统功能进行分解；其次各功能的划分应 充分考虑到实际应用的需要，将模块全面化，每个模块都可以独立的开发、测试， 最后组装成一个完整的软件，并尽可能少地显露其内部的处理，这样，最大限度 地减小模块间的耦合性，增强软件的可移植性、可扩充性和可维护性。根据系统 总体规划和以上原则，本课题开发了两个功能模块( 数据采集，数据分析模块) ， 每一个模块都有它独立的功能接口。数据采集模块对多功能数据采集卡直接操 作，负责读取采集卡采集的数据，以动态波形的方式显示，并存储数据：数据处 理模块我们根据用户需要对采集来的数据进行历史曲线分析，滤波，最值和均值 分析以及数据格式转换的功能。图2 - 6 为系统软件的框架结构。 2 5 3 数据采集模块 数据采集模块包括设备参数设置部分和实时曲线监测部分。参数设置主要 是通过设备驱动程序来实现。设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备 的基础；实时曲线监测部分则使用户能够直观观测测温以及测力曲线的变化，以 实现人机交互。 设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的。每个设 备驱动程序都具有一个共同的应用程序接口( a p i ) ，因此，不管系统所使用的计 算机或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。 数据采集系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采 集硬件系统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合， 比如c p u 中断、d m a 传送、存储器等驱动软件在保持高性能、提供给用户易于 理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计。越来越复杂的计算机、 软件等实际上更提高了驱动程序的重要性和价值。合适的驱动软件不但减少了开 发时间，而且是高性能和系统性的最佳组合。 对于市场上的大多数计算机内置插卡，厂家都配备了相应的设备驱动程序。 用户在编制应用程序时，可以象调用系统函数那样，直接调用设备驱动程序，进 行设备操作。如果所用计算机内置插卡和外设插卡没有设备驱动程序，用户也可 以采用高级语言自己编写。 本系统的设备驱动部分采用的多功能数据采集板就直接对硬件进行编程， 提高了使用的灵活性。 l 、数据采集板的设置 2 0 l 数据采集板包括三种a d 触发方式：软件触发，内部定时器触发和外部触 发。触发方式由a d 操作方式控制寄存器来控制。软件触发方式适于低速a d 转换，在这种方式下，a d 转换时间完全由软件控制，必须由计时器中断服务程 序来产生固定速率的触发器；定时器触发适用于高速a d 转换，可以与中断数 大连理工大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 据传输方式一起使用，如果系统需要一个固定精确的a d 采样速率，使用该种 方式；外部触发方式使用外部信号的上升沿来触发a d 转换，这种触发方式与 前两种相比较有更大的柔性，可以使用外部设备来产生所要求的可变速率的触发 信号。 p c i - 9 1 1 8 d g 数据采集板可以使用两种数据传输方式：d m a 方式及中断方 式，可以通过方式寄存器来控制。数据采集板使用跳线开关和d i p 开关来实现通 道和基地址的设置，成品出厂时进行预设置，正常情况下不必进行设置。当测试 条件