（检测技术与自动化装置专业论文）电子束钎焊温度场实时检测系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电子束钎焊是宇航工业和原子能工业精密机械加工所采用关键技术之一。现代航 空技术的发展对焊接质量提出进一步要求，实现焊接过程的自动化与智能化显得十 分必要。真空电子束钎焊综合了电子束加工与真空钎焊的优点，它利用散焦扫描电 子束作为热源，在真空中对零件表面待钎焊的局部进行加热。电子束钎焊技术的关 键，一是提高加热面温度场的均匀性，二是控制钎焊过程中钎焊面的升温与冷却速 度，因此实现实时检测和控制焊接温度是焊接技术的主要内容。近些年来，国内外 已经开展焊接温度检测方面的研究工作，但研究成果与实际应用差距较大，因而焊 接温度场实时检测问题己成为焊接技术领域中急需解决的课题之一。 本文在简要描述了电子束钎焊的原理和温度场现存检测方法的基础上，介绍了 电子束钎焊温度场实时检测系统的测量原理、系统的整体结构和软件的功能。其中 比较详细的介绍了c c d 摄像机在电子束钎焊应用中的原理和功能，测温方法的选取 及其软件的编程工作，另外还着重分析讨论了电子束钎焊过程中影响测温的几个重 要因素以及减小误差的方法。文中通过实验验证了该系统的功能，并对数据进行了 分析，得到了比较满意的结果。 该系统中将图像采集卡自带的函数库应用到编程中是软件编制中的一个特点， 从而方便了采集系统的开发，缩短了开发的周期，增加了软件的灵活性和可靠性： 在测温方案的选取中摒弃了通常温度场检测中直接使用温度公式的方法，采用的方 法为通过数据采集处理得到数学模型来进行温度的计算，同样取得了较理想的结果。 关键词：电子束钎焊，电荷耦合器，温度检测，图像采集卡 l 华中科技大学硕士学位论文 一：= = ；# = = 自= ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = = 自= = 目 a b s t r a c t t h ej o i n t i n go fe l e c t r o nb e a mi s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g ya d o p t e di nt h es p a c e i n d u s t r ya n dt h em a c h i n g o ft h er i g i de n g i n e ina t o m i ci n d u s t r y t h ed e v e l o p m e n to f t h e m o d e m s p a c et e c h n o l o g yr e q u i r e t h eq u a l i t yo f j o i n t i n gb e t t e r i ti sn e c e s s a r yt or e a l i z et h e a u t o m a t i z a t i o nm a di n t e l l i g e n t i z ei nt h ep r o c e s so f j o i n t i n g t h ej o i n t i n go f e l e c t r o nb e a m 猿t h ev a c u u mc o l l i g a t et h ev i r t u eo ft h ee l e c t r o nb e a mr o a c h i n ga n dj o i m i n gi nt h e v a c u u m ，i tu s e st h es c a n n i n ge l e c t r o nb e a m t h a ti sd i s p e r s e da st h eh e a tf o u n t a i n ，a n di n t h ev a c u u n lh e a t s u pt h ep a r t o ft h eh a r d w a r et h a ti st ob es e a l e d t h ek e yo ft h e t e c h n o l o g yo ft h et h ej o i n t i n go fe l e c t r o n b e a mi n c l u d e st w oa s p a c t s ，t h ef t r s ti st o i m p r o v et h ee q u l i t yo f t h et e m p e r a t u r ef i e l dt h a ti sh e a t i n g ，t h es e c o n di st oc o n t r o lt h e r i s i n ga n dd r o p p i n go f t h et e m p e r a t u r eo f t h e j o i n t i n g s u r f a c ei nt h ep r o c e s so f t h e j o i n t i n g t h u st h er e a l - t i m ee x a m i n a t i o na n dc o n t r o lo f t h e j o i n tt e m p e r a t u ei st h em o s te l e m e n t a r y t a s ki nt h ep r o c e s so ft h ej o i n t i n gt e c h n o l o g y t h ej o i n t i n gw o r k e r si na n do u t s i d eo fo u r c o u n t r yh a v ed e v e l o p e dt h er e s e a r c hi nt h ee x a m i n i n go ft h ej o i n t i n gt e m p e r a t u r e ，b u t t 1 1 e r ei saf e wd i f f e r e n c eb e t w e e nt h es t u d ya n dt h ea p p l i c a t i o n ，a n ds ot h er e a l t i m e e x a m i n i n gp r o b l e mi nt h ej o i n t i n gt e m p e r a t u r ef i e l dh a sb e e n o n eo ft h ep r o b l e mt h a ti s m u s t b es o l v e d a s e a r l ya s p o s s i b l e i n t h e f i e l d o f t h e j o i n t i n g t e c h n o l o g y t h i st h e s i sd i s c r i b e st h e p r i n c i p l e o ft h ej o i n t i n go fe l e c t r o nb e a ma n ds o m e e x a m i n i n g m e t h o d so ft h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n d o nt h eb a s eo ft h a ti n t r o d u c e s m e a s u r e m e n t p r i n c i p l eo f t h er e a l - t i m ee x a m i n i n gs y s t e mo ft h e j o i n t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d 嘶t l le l e c t r o nb e a m ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h ef u n c t i o no f s o f t w a r e i tp u 【s e m p h a s i so nt h ep r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o no f t h ec c dv i d i c o ni nt h ea p p l i c a t i o n go ft h e j o i n t i n go f e l e c t r o nb e a m ，t h es e l e c t i n go ft h em e t h o do f e x a m i n i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e c o m p o s i n go f t h es o f t w a r e ，i na d d i t i o ni ta n a l y z e sa n dd i s c u s s e ss e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e t e m p e r a t u r e e x a m i n a t i o na n dt h e w a yt o i n d u c et h e e l r o r s m a n y e x p e r i m e n t sa r ed o n et oi m p r o v et h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma n dd a t ao ft h ee x p e r i m e n t s a r ea n a l y z e da n d s a t i s f y i n gr e s u l t sa r eg o t t h e r ei so n ec h a r a c t e r i s t i ci nt h i ss y s t e mt h a ti ta p p l yt h ef u n c t i o nw i t h t h eg a t h e r i n g h 华中科技大学硕士学位论文 c a r dt ot h ep r o g r a m m i n ga n ds oi tr e d u c e st h ed e v e l o p i n gp e r i o d ，i m p r o v e st h ef l e x i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y o ft h es o f t w a r et o ；t h e s y s t e m d o e s n tu s et h ef o r m u l ao ft e m p e r a t u r ei nt h e t e m p e r a t u r e f i e l d e x a m i n i n ga su s u a lb u ti tc o m p u t et h et e m p e r a t u r ea f t e rg e t t i n gt h e m o d e l t h r o u g hg a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n go f t h ed a t a a n dg e tb e t t e rr e s u l t s k e y w o r d s ：j o i n t i n go f e l e c t r o nb e a m ，c c d ，t e m p e r a t u r ee x a m i n a t i o n i m a g eg a t h e r i n gc a r d 一 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得钓 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：壬0b x 齐3 日期：沙口牛年r 月l 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被奄阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编八有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存取亿编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ” 学位论文作者签名：李、) 目楚钓 日期：加。每年y 月 1 日 指导教师签名：矿7 日期：刀坩p 年厂月g o 目 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 温度是物体冷热程度的标志，它与物体内部的分子运动的平均大小动能有关。温 度测量虽然是一们古老的学科，但是由于热传播形式，以及被测量对象的复杂性和 多样性，在很多场合，温度的测量仍然是一件很困难的事情。 1 1 课题研究意义 电子束钎焊是宇航工业和原子能工业精密机械加工所采用关键技术之一。现代 航空技术的发展对焊接质量提出进一步要求，实现焊接过程的自动化与智能化显得 十分必要，而焊接过程信息的实时检测是实现自动化与智能化的基础。 真空电子束钎焊综合了电子束加工与真空钎焊的优点，它利用散焦扫描电子束 作为热源，在真空中对零件表面待钎焊的局部进行加热。它具有优于其他种类焊接 的特点： 电子柬能量密度高，可以迅速加热焊件待焊的局部到钎焊温度，有利于减少 钎料成分挥发；有利于削弱母材晶粒长大，降低钎焊缺陷产生倾向。 电子束钎焊在真空中进行，可以避免钎焊活性较大的金属时，由于环境气氛 影响而出现的一些问题。 电子束钎焊为局部加热，不但有利于保持焊件的整体性能，而且可以有效保 护已经存在的钎焊缝。 与真空钎焊相比，焊接时间缩短7 0 一9 0 ，能耗降低7 0 以上，效率高， 成本低【l 】f 2 】。 由于真空电子束钎焊的特性，此种工艺广泛应用于航空特种零件的加工。电子 束钎焊技术的关键，一是提高加热面温度场的均匀性，二是控制钎焊过程中钎焊面 的升温与冷却速度。因此实时检测和控制焊接温度是焊接技术发展中的最基本的课 题。近些年来，国内外的一些焊接工作者已经开展焊接温度检测方面的研究工作， l 华中科技大学硕士学位论文 但研究成果与实际应用差距较大，因而焊接温度场实时检测技术是焊接技术领域中 急需解决的国际前沿课题之一。 1 2 电子束钎焊综述 1 2 1电子束物理基础【1 1 一、电子束的性质及其产生 电子具有微粒性同时也具有波动性。从这一点看，它和可见光是相同的，这就 使电子束具有成为新的加热光源的可能性。 根据德布罗意公式，某一电子的波长取决于它的运动速度，即 丑= h m o v( 1 i ) 式2 1 中，t 1 = 6 6 2 4 1 0 3 4 j s ，是普朗克常数；m 。= 9 1 l 1 0 - 3 1 k g ，是电子静 态时的质量；旯为电子的波长；v 是电子的运动速度。 电子的运动速度和它所受到的加速电压有关，一个初速为零的电予，在电场中 从零电位处开始运动。假设电子在加速电压的作用下，获得了运动速度v ，根据电场 力做功使电子动能增加的能量关系有： = 1 川：8 或v ：( 1 2 ) 式中，e - 一- - - 1 6 0 l o “9 c ，是电子所带的电荷。 把式( 1 ) 代入式( 2 ) 内并引入常数a 、m 。和e 的具体数值，则 扣j 1 形。- 1 2 2 5 厄 ( 1 3 ) 式中， 为n m ，u 。为伏特( v ) 。 对于被1 5 0 v 加速电压所加速的电子，其波长为0 1 n m 。一般用于电子束热处 理设备的加速电压为6 0 一1 8 0 k v 。此刻加速电压很高，电子的速度很大，则应当 对式( 1 3 ) 用相对论进行修证。也就是将静态质量。改为动态质量m ，两者的关系 如下： 2 厝 华中科技大学硕士学位论文 电子能量e = e u 。= m c 2 一m o c 2 则 将各常数代入上式 兄= ( 14 ) ( 1 5 ) 兄= 1 2 2 5 x ：；：一 ( 1 6 ) , v 8 ( 1 + o 9 7 8 8 x 1 0 一u 8 ) 表1 1电子波长与加速电压的关系 【加速电压( k v ) 5 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 0 电子波n z ( p m ) 53 64 8 74 4 84 1 73 9 23 7 035 133 5 加速电压( k v ) 1 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 电子波k = ( p m ) 3 2 030 72 9 52 8 52 7 526 6 表1 1 给出了在电子束热处理中加速电压与电子波长的关系，从表可知，在电子 柬热处理中，电子的波长很短，是可见光的波长的十万分之一左右。 电子束的产生过程如图1 1 所示。在电子枪里，灯丝9 通电加热后，灯丝表面产 生大量的热电子。在阴极8 和阳极7 之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方 向高速移动，并获得很高的动能。其具体速度值取决于加速电压的高低，一般可以 达到光速的三分之二左右。在聚焦线圈6 的作用下，可使电子束流聚焦。在偏转线 圈7 的作用下，可使电子束发生偏转，从而在一定范围内进行扫描，这就得到了能 量密度极高的实用的电子束沉。 一 _ 3 赢 华中科技大学硕士学位论文 图11 实用电子柬的形成过程 1 一灯丝加热2 一偏转线圈电源3 一加速电压电源 仁聚焦线圈电源 5 一电子束6 一聚焦线圈 7 阳极、兼做偏转线圈 8 一阴极9 一灯丝 二、电子柬与固体的作用 电子与固体的作用如同x 射线一样，可以分为散射和吸收两大类。与x 射线不 同的是x 射线受原子中的电子的散射，电子受原子中原子核及其周围形成的电场( 即 库仑场) 的散射。 当一束动能为e u 。的电子束轰击在固体表面时，以各种物理过程来传递其动 能，如图1 2 所示。当电子束轰击金属表面时，电子束的动能的7 5 转化为热能。 大约2 5 的动能转化为电子束散射过程。而x 射线、二次电子、热电子所引起的 动能相对损失极少，不到1 。另一方面，热辐射所占的动能比例亦低于1 。与 其它能束加工技术相比较，例如激光束加工技术或等离子柬加工技术，电子束的 吸收层厚度取决于电子束的加速电压的强弱。一般而言，加速电压越高，电子的 波长越短，则电子的动能越大。高动能电子穿透金属表层的厚度必然较大。金属 表面在吸收电子的过程中，电子束流与金属的原子核及其电子发生交互作用。由 于电子束流的电子和金属的原子核的质量差别较大，所以电子与原子核的碰撞基 本上属于弹性碰撞。在这个阶段，能量的传递主要是通过电子与材料的电子碰撞 而实现的。 华中科技大学硕士学位论文 e = e = h 图1 2电子束与固体的交互作用 与激光束加热情况相似，传递给吸收层的能量立即以热能的形式传递给点阵 原子。由于电子束的作用时间很短暂，其加热过程可近似认为是准绝热的，因此 其热导效应可忽略不计。在加热阶段，能量衰减深度或电子穿透深度控制吸收层 的温升。在这里温升包括两层含义：吸收层的最高加热温度，它决定了电子束 加热的极限温度；吸收层的温度梯度，它决定了吸收层向其基体内部的热量传 递速度。另一方面，电子束加热与激光束加热存在个很大的本质差别。电子束 加热时，其入射电子束的动能大约有7 5 可以直接转化为热能。而激光束加热 时，其入射光子束的能量大约仅有l 一8 可按金属表面直接吸收而转化为热 能，其余部分基本上被完全反射掉了。因此，这两种能束的加热工艺存在很大的 差别。 对于电子束热处理，其加速电子的穿透深度和吸收层深度可以借用类似离子 束的注入深度的数学观点加以描述。当一束动能为e u 8 的电子束作用在某固体表 面上时，其吸收层的厚度x 。与固体表面的注入电子浓度间的关系曲线如图1 3 所 不。 5 华中科技大学硕士学位论文 n 暑 迫 籁 巾 口 一 d 赵 避 m 衄 i 盯 一一l i 砩 7 1 幽1 3 国体表向的注八电子浓度分布规律 q 一电子浓度( 电子数硎3 ) x p - - 电子注入深度( u m ) 仃一均方差 研究表明电子浓度在距表面x ，处出现最大值，x ，和均方差盯均随入射电子的能 量增大而增加。电子束加热时，吸收层的尺寸与电子入射动量和固体材料的特征有 关。作为一级近似吸收层可用高斯分布e x p - ( x 一) 2 2 0 2 近似来描述。其数学表达 式如下 z p = ( o 1 4 3 z 十o 6 2 2 ) r o( 17 ) 其均方差 盯= ( 一0 0 5 3 8 i n z + 0 3 7 4 ) r o( 1 8 ) r o = a e “ ( 1 9 ) 式中，z 为固体材料的原子序数，当z = 6 5 0 时上式成立：a 和口分别为两个 与原子序数有关的常数，其中a = 3 9 2 x l o “+ 1 5 6 2 1 0 z ，a = 1 7 7 7 2 1 6 5 1 0 3 z ： e 是加速电压的入射能量( k e v ) ；r o 是一个中间变量( g c m 2 ) 。 对于钢，当电子束的加速电压为6 0 k v 时，其吸收层的尺寸大约为1 0 p r o ，当入 射电子的动能为2 0 k e v 时，铝材的表面吸收层约为1 脚。 在电子束与固体交互作用时，还存在电子背放射，热电子和二次电子发射及x 6 华中科技大学硕士学位论文 射线辐射过程，论文中不做介绍。 1 2 2电子束钎焊【2 】 大约在1 9 5 0 年前后，核能工业的发展促使人们对高熔点金属( w 、m o 、t a 、n b ) 及稀贵金属( u 、z r 、b e ) 需求的增加，特别是对错( z r ) 及其合金。因为锆具有低 的热中子吸收横截面，中子辐照作用对其强度和韧性影响极小。此外，锆同铀燃料 具有良好的相容性，因此被称为“原子时代第一号金属”，是用于原子能反应堆的 重要结构材料。但是，这些材料在焊接时对大气环境中的氧、氮、氢等气体有很强 的亲和力，极易形成化合物，影响接头性能。于是人们采用了钨极惰性气体保护焊， 甚至在充满惰性气体的保护箱内焊接这些金属。但是，焊接质量仍然不够稳定，受 保护气体纯度影响很大。而在当时，真空技术已经发展到相当水平，真空能提供比 惰性气体更“纯净”的保护条件，可是电孤不能在真空中维持。于是，人们在上世 纪初就已经知道的在真空中被加速的电子轰击可以作为热源来熔化金属，实现焊接 的想法开始被付诸实践了。 1 9 5 4 年在法国原子能委员会( c e a ) 的建议下，ja s t o h r 博士开始了电子 束焊接的研究工作，并于1 9 5 7 年在巴黎的原子能国际会议上发表了他的研究报告， 介绍了世界上第一台专门用于焊接的电子束焊机。从此，电子束焊接作为一种具有 理想保护条件的熔化焊接方法引起世人关注。各先进工业国家相继大力开发这一新 技术。 电子柬焊接这一新技术一出现，便受到各先进工业国家制造业的青睐，竞相研 究丌发，这是和电子柬热源的特点密切相关的。电子束焊接是利用在真空中被静电 场聚焦并加速的电子柬轰击待焊工件接头处，将电子束的能量施加于工件，熔化材 料实现焊接的过程。与以电弧为热源的常规焊接方法相比，在能量传递热量，析出 部位和能量转换机理等方面都有着本质的不同。其特点为： 1 ) 极高的能量密度电子束的能量密度可达1 0 7 1 0 9 w c m 2 ，比大功率氩弧高 2 - 4 个数量级。同删，电子束特殊的能量转换机构具有很高的能量转换效率。这样不 但可以实现高速焊接( 每分钟数十米) ，深穿透焊接( 焊接厚度达1 5 0 m m ( 钢) 和 3 0 0 m m ( 铝合金) ，深宽比达5 0 ：t ) ，而且焊接时输送到焊件上的总能量和引起的 7 华中科技大学硕士学位论文 焊接变形几乎比常规弧焊小一个数量级，对材料的热影响也相当小。甚至可以把精 加工的零件焊在一起，而不需要焊后加工。此外，极高的能量密度提供了用电子束 焊接任何金属，甚至包括陶瓷等非金属，以及复合材料的可能性。 2 ) 理想的保护条件众所周知，焊接技术的发展史是同研究不断改进和完善 熔池的保护条件紧密联系着的。电子束焊接大多是在真空中进行的，真空是一种理 想的保护环境，对焊缝金属和整个零件几乎没有任何污染。目前真空电子束焊接常 用的真空度都在1 0 3 1 0 4 乇之间，这比工业用一级氩气的纯度要高几个数量级。这 样纯净的环境，对熔化金属只有净化、提纯作用，而不会带来任何污染。此外，电 子束本身是没有任何化学性质的，通常电子束焊接不需要另外填充材料，从而避免 了热源和填充材料带来的污染。 3 ) 良好的可达性和可控性在所有的荷电基本粒子中，电子具有最小的质量( 其 静止质量为9 1 1 0 。2 8 9 ) ，很高的荷质比( 1 7 4 x1 0 8 c g ) ，可以几乎无惯性的受到电场 或磁场的控制。这样就使得电子束在目前已知的各种焊接热源中，成为一种最容易 操纵的热源，它允许在很宽的范围内调节输送到工件上的热量，很精确地施加到接 头处，并能在很大的距离( 数十毫米到上千毫米) 内输送能量。这样就可以对复杂 零件不易接近部位、可达性差的接头进行焊接，也可焊接某些空间焊缝或遮挡焊缝( 多 层焊缝1 。 此外，电子柬的功率和焦点直径都可以精确调整，这样其功率密度便可根据需 要很方便地进行调节，既可以散焦在较大的面积上进行焊前预热或清理，也可以聚 焦在很小的面积上实现精密焊接甚至切割，这是常规焊接热源无法实现的。近年来 随着电子束偏转技术的发展，在焊接电子束以极高的频率进行扫描的同时，人们可 以对电子束的焦点位置和功率分布进行控制，这就允许同时在一个焊件上施焊多条 焊缝。这是连采用激光束也很难实现的，进一步显示出电子束焊接良好的可达性和 可控性。 1 3 常用测温方法综述 3 】【4 多年来，研究者们基于物体的某些物理化学性质( 例如，物体的几何尺寸、颜 8 华中科技大学硕士学位论文 色、电导率、热电势和辐射强度等) 与温度的关系，开发了形式多样的温度测量方 法及装置，综合温度测量的现状，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场或者介质中，不受黑度、热物 理性参数等性质的影响，具有测温精度高、使用方便等优点。但是对于瞬态脉动特 性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。主要是由于接触法得 到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个燃烧场信号，必须在燃烧空间内进行 合理的布点，才可以根据相应的方法( 如插值法等) 获得对温度场的近似。另外， 大多数接触式测温装置的动态特性不够理想，难以表现温度的快速变化和火焰脉动， 因此，其应用场合仅限于关键部位的检测。常用的接触式测温方法有： 1 ) 热电偶测温法热电偶测温法是最常用的接触式测温法，热电偶是用两种不 同导体( 或者半导体) 组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中与当地 达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量湿度。热电偶测温有较高的准确度 和重复性，它能把温度信号转变成电信号，便于信号的远传、实现多点切换和接入 自动控制系统。热电偶测温装置简单，易于操作及维护。因此，热电偶广泛应用于 工业燃烧的生产和科研中。 2 ) 黑体腔式热辐射高温计也称为接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤 技术发展起来的一种新型的接触式测温方法。它是通过选择耐高温可达1 9 0 0 2 0 0 0 度的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，将其 伸入高温火焰中达成局部热平衡，依据黑体腔内产生自发热辐射，并经普通石英光 纤将辐射能传送到监测系统，利用双色测温法测量出当地温度。这种方法接触测温 和非接触测温法的优点，具有不存在光学窗口被污染和不受背景杂光干扰、易于操 作的优点。与热电偶测温方式相比，具有测温上限高、精度高、动态响应快的优势， 它拓宽了接触式测温方式在高温领域的应用范围，具有良好的应用前景。 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参数，求 解温度( 如声学法) ；另一类是利用辐射特性，通过光学法来测量温度场。非接触式 测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场和流场：同 时，感温元件传热惯性很小，因此可用于测量不稳定热力过程酌温度。其测量上限 q 华中科技大学硕士学位论文 不受材料性质的影响，可在工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合应用。但其工作 时，必须要有可供热辐射光谱传播的通道r 光路) ，即：非接触测量方法通常需开设 光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污染而造成不均匀性的减弱，这增加了温度 测量的困难。下面介绍几种用于科研和工程中的非接触式测温法。 1 ) 声学法该方法利用声波在气体介质中传播时，其速度或频率与温度的关系 来求解温度值。原理如下：对于理想气体，声速v 与气体温度l 存在一下关系： y = k r t r f m q 1 0 ) 式中：k 为气体的比热系数： r 为普适气体常数； m 为气体的平均摩尔质量 因此，只要测得声源发出的声波通过火焰的速度v ，便可由公式计算得到火焰的温 度r 。但是这样获得的温度是声脉冲所穿过的路径上温度的平均值，而不是空间某 点的温度值。 声学高温计是作为一种使用方便的炉内温度场实时监测工具，在大型锅炉的断面 温度测量和炉膛结渣等故障的诊断方面已有了一些实用实例。 2 ) 激光光学测温法激光技术的出现开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短 十几年，先后已开发成功多种火焰温度测量方法，其中以光喇曼( r a m a n ) 散射测温 法运用最广。 当一束频率为九的单色光入射到火焰介质上时，除了产生频率不变的r a y l e i g h 散射或者m i e 散射外，有一小部分散射光还会发生频率变化，变成频率为凡+ 厶的 新光信号，我们称之为喇曼效应。每种气体组分的喇曼光谱可出入射光的频率和散 射分子的组份唯一确定，因此喇曼光谱在燃烧介质温度及气体组份浓度的测量中得 到了广泛的应用。 3 ) 辐射式测温法辐射式测温按传感原理可分为热电、光电、热敏探测三类。 热敏探测常以热电偶和热敏电阻作敏感元件，可感受整个波段的热辐射，具有湿度 测量准确、结构简单的特点；但动态响应较差。光电探测器其光谱响应的范围主要 1 0 华中科技大学硕士学位论文 有敏感器件的材料决定。而热电探测仅用于动态温度测量。辐射式点温测量技术己 发展相当成熟，采用点扫描技术可实现对温度分布的测量。但辐射式测温受传感器 位置变化影响较大，使得测量系统结构较复杂。下一章中将比较详细的介绍这种方 法 5 】【“。 1 4 本课题研究的内容 在对以真空电子束钎焊为代表的焊接热过程大量研究的基础上，基于灰体辐射 的普朗克辐射定理，提出依据辐射出射度与物体绝对温度的映射关系建立起钎焊温 度场传感的基本方程。针对参变量( 如材料组成、表面性质、距离等因素) 在测量 过程中的不确定性将导致原理上的测量误差，系统设计引入两个波段的红外辐射场 信息，采用二维信息融合技术得到在较大的测量范围内独立于参变量和光学系统参 数随机分布的辐射强度关联矩阵。设计一定的传感系统结构，使得该矩阵与辐射体 温度场保持稳定的一一映射关系，从而在原理上实现了一种钎焊温度场的感知方法。 同时，针对电子束真空钎焊各个具体热物理过程，提取温度分布的特征曲线，为焊 接过程电子束控制提供实时决策支持。 一 i l 华中科技大学硕士学位论文 2 1 热辐射原理 2 测量原理和技术方案的选取 物体因为温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然界中普遍存在的现象， 一切物体，只要其温度高于绝对零度，都要程度不同的产生辐射。通常，一个物体 向周围发出辐射能的同时，也吸收周围其他物体所发出的辐射能。如果某物体吸收 的辐射能多余同一时间放出的辐射能，则其总能量增加，温度升高：反之，能量减 少，温度下降；当它与周围的温度相等时，辐射处于动平衡状态。因为物体内部的 带电粒子随温度的升高而被激励放射出不同波长的电磁波，把热能以电磁波的方式 向外辐射。物体的温度越高，粒子被激励越强烈，放射出的辐射能也越多。由于带 电粒子的运动频率不同，所以发射出的电磁波谱从y 射线到红外线 6 1 。 2 1 1基尔霍夫定律【1 】 当辐射能入射到一物体表面的时候，将发生三种过程，即一部分能量被物体吸 收，一部分能量从物体表面反射，一部分透射。对于不透明物体，部分能量被吸 收，另一部分能量从表面反射出去。被吸收的能量与入射总能量之比，称为物体的 吸收本领，用。表示：被反射的能量与入射总能量之比，称为物体的反射本领，用 p 表示。 1 8 5 9 年基尔霍夫指出：物体的辐射出射度m 和吸收本领q 的比值与物体的性质 无关，都等于同一温度下绝对黑体的辐射出射度m 。，则基尔霍夫定律的表达式为： 堕：丝。，m 。：厂( ，) ( 2 1 ) a 1a 2 基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射是正确的，而且对波长为兄的任何单色 辐射也是f 确的，这时基尔霍夫定律可写为 垃：致。：m 。：厂( 旯，丁) ( 2 2 ) t 2 1 a口2 一一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 基尔霍夫定律是一切热辐射的普遍定律，不论物体自身的性质如俾都适用。废 定律表明，吸收本领大的物体，其发射本领也大，如果物体不能发射某波长的辐射 能，那它也决不能吸收该波长的辐射能。反之亦然。而绝对黑体，对于任何波长， 在单位时间，单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其他物体要多。 自然界中并不存在绝对黑体，但是根据黑体度的要求，可以制造出一定波长范 围的实际黑体。按照基尔霍夫定律，非黑体的发射本领为= 吼p 。其中a 。为非黑 体的吸收本领，是波长和温度的函数，其值必然小于1 。为了描述非黑体的辐射，引 入比发射率的概念，用s ，表示。 s ，：旦：生( 2 - 3 ) e 0 x m a 。 比辐射率的定义为，在相同温度下，辐射体的辐射出射度与黑体的辐射出射度 之比。它是波长和温度的函数，同时还与辐射体的表面性质有关。其值在肚1 之间 变化。按照s ，的不同，将辐射体分为三类： ( 1 ) 黑体，岛= 1 ( 2 ) 灰体， 1 ，因此普朗克辐射定律此时可由维恩辐射定律取代 ( r ) = q 万5e x p ( - g i t ) e 2 ( 2 6 ) 2 2 基于数字图像处理的温度场检测 基于数字图像处理的温度场检测技术是在摄像机型火焰检测技术基础上发展起 来的。它利用现有的摄像机型火焰检测系统，融合了数字图像处理和辐射测温技术， 使摄像机火焰检测技术的功能更加多样，应用范围进一步拓宽。 日立研究室的k u r i h a r a 等最早研制了火焰图像识别系统( f i r e s ，f l a m eh n a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并利用它来迸行n o 的预测研究工作。同立公司1 9 8 5 年问世 h i a s c - - 3 0 0 0 系统中采用了炉膛火焰图像识别技术，可以得出火焰温度场的分布。 随后该公司的m ，s h i m o d a 提出了类似于比色法的图像温度测量方法，并提出了多 燃烧器未燃尽炭生成的预测模型，在日本仙台电站1 7 5 m w 机组上得到实施陋j 。 三菱的光学图像扫描系统采用光学图像传感器，大大提高了系统对火焰的灵敏 度和鉴别能力，能较好的克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器火焰对被检测火焰信号 的干扰，不仅能判断火焰的稳定性，还能识别火焰的形状。 在国内火焰图像处理应用中，清华大学王补宣等首先进行了小型发光火焰温度 分布测量的研究，并经黑体炉标定获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处 理研究的先河。随后开展了非对称火焰三维温度场分布重建的研究，通过在计算机 中加入火焰内部温度分布平化的先验假设并选择适当的函数，给出了可行的非对称 火焰的三维温度场分布测量的重建算法。上海交通大学徐伟勇、孙江等采用传像光 纤和数字图像处理技术开展了检测电站锅炉燃烧火焰的研究，将火焰亮度及其变化 历史纪录作为判断燃烧稳定性依据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环 控制的研究。华中科技大学周怀春等通过在c c d 前面加装单色滤色片获取火焰单色 i5 华中科技大学硕士学位论文 图像的方法，借助于辐射定律开发了基于参考点的单色图像温度场的计算方法，通 过单色图像与其中某一参考点的辐射强度的比较来获得温度场，参考点用双色高温 计或者热电偶测温获得，并根据温度场的信息和火焰辐射脉动频率谱强度信息进行 燃烧工况诊断。其最大的突破在于给出了一种能在工业现场实施的二维温度场测量 方法，该方法比较简单，但是参考点的具体空间位置难以确定，从而带来了测量的 困难。浙江大学热能工程研究所的薛飞、王飞、卫成业等在这一领域做了大量工作， 他们利用带宽校正和黑度系数校正的方法提高了截面温度场的测量精度，并把神经 网络引入温度场的计算，取得了较好的效果【9 1 【1 0 川鹏】。 从已有的众多文献来看，所提到的基于图像处理的温度场检测中的温度场基本 上是火焰温度场，和我焊接温度场还是有一定的差别。焊接温度场实时检测直未 能解决，这主要是温度场检测本身就十分困难，它存在对检测距离、目标材料发射率等 依赖性比较大的问题，而焊接过程中热过程的瞬时性、局部性、热源运动及熔池液体 会属激烈运动等使得焊接温度场检测更加困难。目前焊接过程的研究已从宏观过程 控制深入到焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一样，微观质量控制的主要困 难是获得表征这些微观质量的传感技术。焊接温度场的分布，决定了焊接的热循环，在 材料成分一定的情况下也决定了焊接微观组织及其变化，决定了焊缝及其热影响区的 宏观性能，因此焊接温度场能够比较全面和深入反映焊接质量，它的实时检测及热循 环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的意义“”“。 2 3 钎焊温度场检测的方法f 4 】 温度场检测中基本上使用非接触测量方法，而温度场的非接触测量，具有一定的 难度。迄今为止，尚未找到一种尽善尽美的测温方法。各种方法相比较，无论在实 验上或理论上都具有一定的局限性，只能根据被测对象自身的特性，选择最佳的测 量方法。 从现行的实际情况看来对于真空电子柬钎焊过程温度场测量的研究途径主要有 两个方面：一是建立在传热学理论基础上的温度场计算；二是基于诸多传感原理的 实时温度场测量。早在上世纪5 0 年c m a d a m s 等在拉氏方程的基础上进行大量实测， 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 对不同材料、不同焊接参数下的温度数据进行建模，建立了一系列的传热学公式， 实现对温度场的计算。随着计算机技术的发展，由此而发展为基于数值计算的有限 差分法与有限元法，为温度场计算注入了新的活力，成为很具有研究潜力的方向之 一。但数值计算模型的准确性在很大程度上依赖于对材料特性的了解以及边界温度 参数的确定，因而限制了该方法的工业现场应用。 以热电偶为代表的接触式高温测量方法是最经典的高温测量法，有较高的测温 精度，直到现在很多科研工作还常常被采用。但该方法在温度场的测量场合会存在 诸多不便，如对于场的测量通常要求数目较大的热电偶，这样势必影响被测温度场 的分布；其次对于形状稍微复杂的物体在热电偶安装方面会存在较大的困难，接近 熔点的高温区、近弧区很难测量。因而接触式温度测量方法目前在钎焊过程的实时 控制应用中还存在相当的困难。 现在国内外通常认为基于红外辐射的温度测量方法是焊接过程的温度实时控制 的最有效的方法。红外辐射检测是非接触的，使得测量更为客观，测量响应速度快， 避免了热电偶测量中的温度平衡过程。红外辐射测量依据其信号调制方式可以大致 分为三类：光亮式、辐射式和比色法。 1 ) 光亮式依据被测物的光谱辐射量度与己知温度物体的亮度相比较，如果量 度平衡了则认为温度相等。该方法适用于点温测量，在温度场检测方面的应用尚未 见报道。 温度为t 的辐射体，如其在一波长旯的光谱辐亮度与温度为正的黑体在同一波 长下的光谱辐亮度相等。则定义z 为该辐射体的亮温度。例如我们说某一黑体在 = 6 0 0 n m 处具有1 5 0 0 k 的亮温度时，就是指它在以6 0 0 n m 为中心波长的一个小波长 间隔内具有与1 5 0 0