（材料加工工程专业论文）合金瞬态凝固温度场测试系统.pdf

塾堡望三查堂堡主堂垡丝苎 摘要 本文针对合金瞬态凝固过程温度场的特点，详述了对该过程中合金液 内温度场进行测试的方案。整个测试系统包括试验模型、电测系统和测试 分析软件。试验模型从简化温度场模型的角度出发，建立了一个可以近似 为一维的温度场。试验模型主要由热电偶总成、金属铸型和下压机构组成， 铸型上含有溢流装置，下压机构和铸型的材料相同，下压机构上的限位装 置决定了下压的深度。试验时将合金料熔化，并将铸型加热到高于合金熔 点2 0 3 0 ( 2 的温度点处，浇入合金液并保温后，将下压机构迅速下压至与 合金液面接触来模拟实际浇注过程中合金熔液和铸型内壁的瞬问接触下 压机构的限位装置和铸型的溢流装置保证了下压机构的下端表面能够和合 金熔液表面可靠接触。电测系统用于热电信号的采集，主要包括热电偶参 考端自动补偿电路、非线性放大电路、单片机数据采集电路和通讯电路。 电测系统中共有8 个模拟量输入通道，对应于试验模型中8 个测试点，测 试时可以根据需要选择不同位置的测试点。为了减少测试误差，提高测试 精度，电测系统的中央处理器选取了a d 公司的a d g c 8 1 2 芯片；为了实现 实时采样，测试电路采用了r s - 2 3 2 串行通讯接口和计算机通讯。测试分 析软件主要包括数据采集模块和数据分析模块，数据采集模块主要实现测 试数据的采集、数制的转换和试验测试曲线的绘制，并用颜色渲染的方法 对试验过程中合金熔液和下压机构的温度场进行描述；利用数据分析模块 提供的各种分析功能可以对测试得到的冷却曲线进行分析；结合曲线分析 结果和热分析法，能够分析得到合金液的表层部分在与铸型内壁瞬间接触 过程中的热行为，为合金凝固组织的计算机模拟提供数据资料。另外，该 测试方案为薄壁材料等受铸型激冷作用较强的合金材料生产中的炉前快速 检验与成分分析提供了很好的解决方案，对于指导生产实践具有一定的意 义。 关键词：温度场线性补偿冷却曲线热分析法 茎堡望三奎堂堡主堂焦堡壅 a b s t r a c t t k sa r t i c l ep mf o r w a r dt h ed e t a i l e dp r o j e c to fc o l l e c t i n gt h ed a t ao f a l l o y s t r a n s i e n t s o l i d i f c a 曲n t e m p e r a t u r ef i e l d ，a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h i sp r o c e s s t h ew h o l et e s t i n gs y s t e mi n c l u d e st e s t i n gm o d e l ， t e s t i n gc i r c u i t r ya n ds o f t w a r ef o ra n a l y s i st h et e s t i n gd a t a 1 1 l et e s t i n gm o d e l c o n s t r u c t e dat e m p e r a t u r ef i c l dw h i c hc a nc o n s i d e r e da sao n e d i m e n s i o no n e f o rt h e p u r p o s eo f s i m p l i f y t h et e s t i n gm o d e l n l et e s t i n gm o d e lm a i n l yc o n s i s t s o f t h e r m o c o u p l e - a s s e m b l y , m e t a l l i c m o u l da n d p r e s s i n g o u t f i t a n o v e r f l o w - o u t f i tw a sd e s i g n e do nt h em o u l da n dar e s t r i c t i v eo u t f i tw a sd e s i g n e d o nt h ep r e s s i n g - o u t f i t 1 1 l em a t e r i a lo ft h ep r e s s i n g - o u t f i ti st h es a m et ot h e c a s t i n gm o d u l e ，a n d t h ed e p t ho f p r e s s i n gd o w n i sd e p e n d e do nt h er e s t r i c t i v e o u t f i to nt h ep r e s s i n g - o u t f i t d u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s ，t h ea 1 1 0 yi sm e l t e da n d t h ec a s t i n gm o d u l ei sh e a t e dt ot h et e m p e r a t u r e w h i c hi s2 0t o3 0c e n t i g r a d e h i g h e rt h a nt h em e l t i n gp o i n to ft h ea l l o y n l eq u i c kp r e s s i n gd o w no ft h e p r e s s i n g - o u t f i t t ot h es u r f a c eo ft h em e l t e da l l o ys i m u l a t e dt h e p r o c e s so f m e h e da l l o y ss w i f tt o u c ht ot h ei n n e rs u r f a c eo ft h ec a s t i n gm o d u l e t h e r e s t r i c t i v e - o u t f i t0 1t h ep r e s s i n g - o u t f i ta n dt h eo v e r f l o w - o u t f i to nt h ec a s t i n g m o d u l ea r et oa s s u r eo ft h es u c c e s s f u lt o u c ho ft h eu n d e r s u r f a c eo ft h e p r e s s i n g - o u t f i t t ot h es u r f a c eo f t h em e l t e d a l l o y 1 1 1 et e s t i n gc i r c u i t r yi su s e d t o c o l l e c tt h es i g n a l s ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t so f t h e r m o c o u p l ec a t h o d ec o m p e n s a t e c i r c u i t , n o n - l i n e a r i t ya n ds i n g l ec h i pd a t ac o l l e c t i n gc i r c u i tb a s e do ns c m a n d c o m m u n i c a t i n gc i r c u i t t of u l f l lt h en e e d so f t h em o d e lo ft h es o l i d i f i c a t i o n t e m p e r a t u r ef i e l da n di m p r o v e t h e p r e c i s i o no f t h e t e s t i n gd a t a , t h em e a s u r i n g s y s t e m ，t h e r ea r e8t e s t i n gp o i n t si n c l u d e d i nt h es y s t e m e v e r y t e s t i n gp o i n t h a s i t so w n a m p f i f i c a t o r yc i r c u i t w ec a ns e l e c tt h en u m b e r so f t h et e s t i n gp o i n t s a n dt h ep o s i t i o n so ft h et e s t i n gp o i n t s t h ea d 肛c 8 1 2s c mi su s e di nt h e m e a s u r i n gs y s t e m w h i c hi sp m d u c e db yt h ea n a l o gd e v i c ec o r p o r a t i o n ；t h e t y p eo fs c mc o n s i s to fa dt r a n s i t i o nm o d u l e 1 1 1 em e a s u r i n gc i r c u su s e d r s 一2 3 2i n t e r f a c et oc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m p u t e r n l es o f t w a r ef o rt h e t e s t i n g d a t a s a n a l y s i sm a i n l yc o n s i s to ft e s t i n gd a t ac o l l e c t i n gm o d u l ea n d 2 武汉理工大学硕士学位论文 t e s t i n gd a t aa n a l y z i n gm o d u l e t h ef o r m e ra i m a te o u e c t i n gt a s t i n gd a t a , a n d t h el a t t e ri su s e dt oa n a l y z et h ec o o l i n g - c u r v eo ft h ea l l o yc o m b i n e d 谢血t h e t h e r m a la n a l y s i sm e t h o d ，t h ec o n c l u s i o n so ft h ea n a l y s i so a ng i v et h ed a t a m a t e r i a lf o rt h ea l l o y ss u r f a c ec a s t i n gs o l i d i f i c a t i o nd u r i n gt h es w i f tt o u c ho f t h ei n n e rs u r f a c eo f t h e c a s t i n g m o d d e i na d d i t i o n ，t h et e s t i n gp r o j e c t p r o v i d ea g o o ds o l u t i o nf o rt h eg u i d a n c eo ft h ep r o d u c t i o no ft h ea l l o y s ，w h i c ha r e i n f e c t e dm u c hb yt h e c o o l i n gf u n c t i o n o ft h ei n n e rs u r f a c eo ft h e c a s t i n g m o d u l e k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ef i l e d ，l i n e a r i t y - e q u a l i z e ，a l u m i n u ma l l o y , c o o l i n g c l , l i e , t h e r m a la n a l y s i sm e t h o d 武汉理工大学硕士学位论文 1 绪论 合金温度场的测试是研究合金铸件凝固过程的一个至关重要的环节， 铸件及合金材料的生产过程中产生的各种问题，诸如补缩、收缩、热应力、 相变、质量传递等都是温度的函数，了解合金温度场，是解决上述问题的 关键。由于合金凝固过程温度场是一个非常复杂的物理化学过程，它的分 布和特征取决于很多因素，因此仅用数值模拟法来分析凝固过程温度场往 往与生产实际相差较远，不能有效地指导生产实践。随着数值模拟技术研 究的深入，越来越多的学者意识到必须采用实际测试和数值模拟相结合的 方法来对合金的温度场进行研究【l 羽，即采用测试验证的方法来检验数值模 拟并为数值模拟的研究提供数据资料，因此如何建立完善的试验测试系统 来测试合金温度场越来越受到人们的关注。 要测试合金凝固过程的温度场，可以首先测试得到合金液中关键点处 的冷却曲线，然后再通过插值计算法求解合金液中整体温度场。就合金凝 固过程温度场的测试而言，国内外许多学者都对该过程进行了大量的研究， 并且提供了很多重要的试验模型和测试方法，其中部分研究成果已经开始 用于指导生产实践并促进了数值模拟技术的发展。然而，由于试验模型和 测试方法的局限性，这些合金温度场测试系统均无法实现对合金液与铸型 内壁瞬间接触时合金液的温度场进行测试。在浇注的一瞬间，合金液受到 铸型壁的瞬间激冷作用，由于该过程具有温度高、时间短、浇注条件难以 严格控制、热电偶的动态反应速度相对较慢等特点，因此利用壳形试验杯 和多笔函数记录仪的测试方案往往不能够对该过程中合金液的温度场进行 有效地测试，测试精度也得不到保证。由于试验测试方案的局限性，且前 国内外学者对这一短暂过程的研究主要集中在数值方法、自由表面处理、 迭代精度、稳定性分析及缩短计算时间等方面，而对该过程温度场的实测 验证很少。实际上，合金液内初始温度场会对铸件的表面性能产生极大的 影响，而铸件的表面性能又直接影响到铸件的整体性能，因此，设法对该 浇注过程中合金液内初始温度场进行测试是十分必要的。 要对合金液的瞬态凝固温度场进行测试，主要应解决两个方面的问题： 一是建立合理的试验模型；二是设计相应的测试系统。试验模型的主要任 茎堡望三查堂堡主堂堡垒奎一 务是要能够实现这一短暂过程并方便测试，测试系统主要应解决数据高速 高精度地采集和实现测试电路与计算机的通讯问题。本文从测试合金液瞬 态凝固温度场出发，构造了相应的试验模型并设计了相应的测试方法，试 验模型能够实现合金液与铸型内壁瞬间接触的短暂过程，鉴于在该过程中 铸型内壁的激冷作用对表层合金液的影响最大，因此测试主要针对表层部 分的合金液。测试电路以单片机为核心，具有高速、高精度和可编程等特 点，并且能够方便地解决数据采集及与计算机通讯等问题。以往的合金温 度场测试仪表大多以8 0 3 1 系列单片机和a d 5 7 4 a 模数转换器为核心部件， 由于8 0 31 系列单片机片内不含模数转换器和程序存储器，接1 3 电路的设计 往往较为复杂。a d 公司最新推出的a d 肛c 8 1 2 系列单片机具有功能强、精 度高、速度快、片内集成了模数转换器和程序存储器等优点，非常适合于 自动控制和数据采集系统。为了提高测试电路的稳定性并简化电路结构， 测试电路以a d p c 8 1 2 为中央控制器，还包含了非线性补偿模块和通讯模 块，以镍铬镍硅热电偶为温度传感器来完成对热电信号的采集。 此外，测试系统还包括配套的分析软件，软件采用模块化结构的设计 方法，主要由测试模块和分析模块组成。通过操作测试模块能够控制整个 测试电路，实现测试电路与计算机的通讯、实时显示测试曲线及存储测试 数据；分析模块能够实现对测试曲线的分析和动态模拟数据采集曲线。测 试合金选取了低熔点的铅锡合金和中高熔点的铝硅合金，铅锡合金有四种 不同的配比，涵盖了亚共晶成分、共晶成分和过共晶成分；铝硅合金的牌 号分别为z l l 0 8 和z l l 0 2 ，均属于共晶合金。 铸造过程计算机数值模拟技术是学科发展的前沿领域，其重要地位已 经愈来愈明显，铸件凝固过程温度场数值模拟技术是整个数值模拟技术的 核心部分。通过温度场数值模拟技术和实测验证相结合的方式来研究合金 温度场，实现对铸件表面成分和整体性能的分析，进而设法改善铸件质量， 优化工艺方案，这对于改进传统铸造产业具有十分重要的意义。目前，铸 件凝固过程温度场数值模拟技术的特殊地位已经使得对铸件凝固过程温度 场的测试和研究成为各国学者关注的热点。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 试验模型的建立 2 试验方案的选择 测试合金温度场可以通过测量合金液不同位置处冷却曲线的方法来建 立。以往的测试方案大多是采用由壳形试验杯、热电偶和多笔函数记录仪 组成的测试系统来测量冷却曲线i 6 1 1 7 1 。热电偶的热节点位于壳形杯内设定 位置处，另一端从壳形杯的底部伸出，与测试仪表相连。合金液浇入壳形 杯以后逐渐冷却，杯内热电偶的测量值反映出相应位置处合金液在冷却过 程中的温度。壳形杯的结构和测试得到的冷却曲线分别如图2 1 和图2 - 2 所示： 图2 - 1 壳形杯结构图 图2 - 2 传统方案测试得到的冷却曲线 图2 - 2 所示的冷却曲线的初始部分表现为从很低的温度值迅速跃迂到 最高点，而实际上合金液在整个浇注过程中的温度是不会存在这个跃迁过 程的，应该是以浇注温度为起点。由于浇注温度在整个过程中必然是最高 温度，因此合金液完整的冷却曲线应该是从最高温度点开始下降，可见该 图所示的冷却曲线的初始部分并不能够反映合金液和铸型内壁瞬间接触时 的冷却行为。 由于合金液和铸型内壁瞬间接触时表层部分的合金液受激冷作用的影 响最大，而铸件表层部分的性能会对铸件整体性能产生相当大的影响，因 武汉理工大学硕士学位论文 此关注这一短暂过程中合金液内温度场是十分必要的。合金试棒的试验研 究表明：铝硅系铸造合金表层部分的性能对试棒整体强度的影响是所有影 响因素中最大的一项，占3 0 v 3 5 强 8 j 。传统的观点认为铸件表层的致密 层对铸件强度会有贡献，但这一观点却忽视了铸件表层部分的性质及表层 缺陷所带来的负面影响。此外，还有相关试验研究表明铸件的表层强度及 表层残余应力对铸件的疲劳性能也有相当大的影响 9 - “】。鉴于此，许多学 者主张经过机械加工除去合金铸件的表层部分，而对浇注过程中合金液表 层部分初始温度场和初始温度场如何影响合金铸件表层部分的性质没有进 行深入的研究。随着工业的发展，在诸如薄壁材料等对选材要求非常严格 的合金材料的生产过程中，炉前检测的地位越来越受到重视，由于薄壁材 料的厚度本身就很小，受铸型内壁激冷作用的影响相当大，而且又不能依 靠简单的机械加工来去除表层部分，因此设法测试得到合金熔液和铸型内 壁瞬间接触时合金液表层部分温度场对于指导合金材料、特别是薄壁材料 的生产具有十分重要的意义。 在温度场的测试过程中，传感器的位置必须固定，不可能随合金液一 起移动。而采用传统的测试方案又无法测试这一瞬间过程，因此必须构造 新的试验模型并设计相应的试验方法。新构造的试验模型必须能够在传感 器位置固定的前提下实现合金熔液和铸型内壁瞬间接触的过程，在该过程 中传感器的铡量值始终反映合金液中的冷却行为。试验模型应设法接近或 达到如图2 3 所示的理想模型： 图2 - 3 理想试验模型 在该理想模型中，铸型与合金熔液由绝对不导热的绝热层分隔，测试开始 的一瞬间，绝热层被抽掉，合金液与铸型内壁瞬间接触，同时开始测试。 显然，在实际测试过程中不可能构造出图示的理想模型，只有设计相应的 试验方案来设法接近该理想模型。为了构造一个能够实现铸型内壁与合金 液面瞬间接触的试验模型，试验模型的设计采用了“设法使铸型移动而合 金液不移动”的思路，使用一个与铸型材料相同( 均为4 5 # 钢) 的柱形下压机 4 亟堡垄三盔堂堡主堂堡堡塞 一 构和内腔为柱形的金属铸型来实现这一短暂过程。柱形下压机构的外径和 的铸型内径相差0 5 m m ，两者能够保证很好地配合，铸型和下压机构的材 料均选用4 5 # 钢是由于该类材料的热物理参数比较齐全。为了测试合金液 和下压机构中的温度场，测试传感器分布在铸型腔内和下压机构中，测试 时首先将熔化的合金液与铸型加热到等温温度，并视它们为一整体；然后 用与铸型材料相同的下压机构的迅速下压来模拟实际浇注时合金液与铸型 内壁的瞬间接触，下压机构和铸型腔内传感器的测量值就分别模拟出该瞬 间过程中铸型中和合金液内的热行为。下压机构上的限位装置能够限定下 压的深度。该试验模型的三维立体图和尺寸分布如图2 - 4 所示： 图2 - 4 铸型和下压机构三维立体图 试验模型利用下压机构的下端表面作为强激冷面，因此必须尽量减少模型 在圆周方向上的散热。在试验测试中相应地采取了以下措施： ( 1 ) 在铸型内壁和下压机构外壁涂上一层很薄的均匀隔热层，隔热层 由s i 0 2 和水玻璃以1 ：1 的比例调制而成； ( 2 ) 铸型型腔和下压机构中的测试点均集中分布在轴心线附近； ( 3 ) 下压机构下压时要保证迅速而且下压方向与轴心线平行。 测试传感器以总成的方式分别伸入铸型型腔内和下压机构内部，由于 主要是针对表层部分合金液进行测试，因此合金液中的测试点集中分布在 合金液表面附近，下压机构中的测试点集中分布在下端表面附近。试验模 型中8 个测试点的分布如图2 5 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 测试点0 2 ( 由上至下) 溢流孔 测试点3 7 ( 由上至下) 传感器总成 下压机构 限位机构 铸型 溢流孔 隔热材料 传感器总成 图2 5 测试点分布示意图 测试点0 2 分布在下压机构中，测试点3 7 分布在铸型型腔内。从下 压机构的上端中心钻直径为8 m m 的孔直至最下端( 但不钻穿) ，以供测试 传感器总成伸入；从铸型的底部钻直径为2 0 m m 的孔直至铸型型腔内，以 供测试传感器总成及其保护装置伸入。为了保证下压机构的下端表面能够 与合金液厦可靠接触，在铸型上设计了两个溢流孔，溢流孔与水平方向成 3 0 度倾角，溢流孔的下端与铸型型腔中的测试点3 处于同一水平线。测试 时浇入合金液直至高于溢流孔下端的适当高度，下压机构下压后，多余的 合金液从溢流孔溢出，下压机构的下端表面与合金液表面可靠接触。 测试传感器采用总成的方式是为了保证多个测试点的定位精确并且更 换方便，提高测试效率。测试传感器总成如图2 - 6 所示： 图2 - 6 传感器总成图 6 武汉理工大学硕士学位论文 试验模型中测试点的纵向分布尺寸为如表2 1 所示 翊道序号 01234567 项目、 距离合金液面( m m ) 4 2 5- 2 2 50 2 5 0 2 5 1 4 52 6 55 6 58 6 5 表2 - 1 测试点尺寸分布 ( 以合金液面为基准，向上为负，向下为正) 测试点2 和下压机构的下端表面平齐，测试点3 和溢流孔的下端平齐。试 验模型中测试点的分布和测试传感器总成的伸入方式如图2 7 所示： 图2 - 7 测试点分布三维立体图 图2 - 8 浇入合金液后的示意图 测试开始前首先在铸型内壁和下压机构的外壁上均匀涂上隔热层，然 后将铸型置于电阻炉内加热到高于被测合金熔点2 0 + 3 0 ( 3 的温度，加热铸 型的同时将合金料置于石墨坩埚中熔化，并精炼除渣；铸型加热与合金料 熔炼完毕后，将铸型从电阻炉内取出，浇入合金液至高于溢流孔下端的适 当高度；然后将盛有合金液的铸型放在电阻炉口保温5 分钟，保温过程 中适当搅动合金液使其内部温度逐渐均匀，此时铸型和合金液的温度基本 上相同，如图2 8 所示。 准备启动测试装置时，首先必须清除合金液表面的氧化层，然后在下 压机构下压前5 8 秒时启动测试装置开始测试；下压机构下压时必须迅速 并且下压方向竖直向下，测试完成后将整个试验模型置于电阻炉内加热， 待合金液部分熔化后就可以取出下压机构，倒出合金液并清理溢流孔，以 7 武汉理工大学硕士学位论文 准备下一次测试。采用这样的试验模型和测试方法，实际上是相当于将铸 型与合金液视为一个整体，而将与铸型材料相同的下压机构来模拟实际浇 注过程中的铸型，下压机构迅速下压并与合金液表面接触时，就相当于实 际浇注过程中铸型内壁与合金液表面的瞬间接触，这时测试传感器测试得 到数据就反映出了这一瞬间过程中合金液和铸型中的热行为。 采用该试验模型和试验方法实际上是将合金凝固过程中的三维传热问 题简化为了一维问题。由于在试验测试中将铸型与合金液加热到相同的温 度并视它们为一整体，因此就合金液整体的散热来说，只有下压机构的下 端表面是一个强散热源；在铸型壁的两侧，虽然也会有部分散热，但由于 下压机构的下压是在一瞬间，测试点集中分布在轴心线附近，并且采取了 隔热措施，因此可以近似认为在该短暂时间内下压机构侧面对铸型内壁的 影响不足以影响我们所测试的区域。在测试的区域一热电偶分布的范围 内，我们可以认为在垂直于轴向的径向方向上是一个个的等温面，并且可 以用相应高度上一个点的温度变化规律来代替合金液在相应层面上的温度 变化规律。 2 2 试验合金的选择 铸造合金的种类有很多，为了检验该试验测试系统的通用性，试验合 金选取了低熔点的铅锡合金和中高熔点的铝硅合金。铅锡合金的熔点较低， 测试和回收都很方便，可以经过多次测试来校验试验测试系统，因此先取 铅锡合金进行测试，选用的铅锡合金有四种成分( 铅锡配比分别为：3 ：7 、 4 ：6 、1 ：l 和7 ：3 ) ，涵盖了亚共晶成分、共晶成分和过共晶成分；铝合金的 种类十分丰富，其中铝硅系合金不仅铸造性能优良，而且还具有良好的机 械性能、物理性能和切削加工性能，在工业生产中的应用十分广泛f l2 】，因 此测试中选用了牌号为z l l 0 8 和z l l 0 2 的铝硅合金，这两种铝硅合金均为 共晶型合金，z l l 0 8 与z l l 0 2 相比只是多含一些m g 、m n 等合金元素。 武汉理工大学硕士学位论文 3 电测系统规划与设计 3 1 电测系统整体规划 为了方便迅速她采集测试信号并提高测试精度，宜采用电测系统来完 成测试信号的采集。一个完整的电测系统应包括从被测物理量的变换直至 用数字或函数图形显示出结果的各部分组成【1 3 】。具体来说，系统中应该包 括传感器、中间交换器、记录显示器及数据分析处理器等部分： 非电量信号 图3 - 电测系统组成框图 传感器将非电量信号转变为电量信号，以便送入测试系统和计算机； 信号调节部分主要用来实现信号的再转换、放大或衰减、阻抗变换等项的 处理：显示记录部分的目的是要了解被测量的数值，常用的显示方式有模 拟显示、数字显示和图像显示三种方式。测试得到的信号数值有时需要专 门的仪器进行分析和数据处理，经常使用的有频谱分析仪、波形分析仪、 快速傅立叶变换仪等。在实时数据采集系统中，要求能够随时对测试对象 进行观测，因此课题设计中采用了计算机动态显示采样曲线的方式，采样 数据能够方便地存储在计算机内。 课题设计中的电测系统大体上可以分为两个部分：一次仪表和二次仪 表。一次仪表负责采集模拟电压量信号，二次仪表用来记录、运算和显示 测试结果。一次仪表由热电传感器及相应的保护装置组成，二次仪表包括 信号放大电路、单片机数据采集电路和通讯电路。测试传感器的选择要符 合测试对象时温度范围；信号放大电路应实现测试信号的放大并保证测试 精度；单片机数据采集电路用于实现数据的采集：通讯电路负责联系测试 电路和计算机。整个电路的控制由编制的软件来实现。根据以上分析，测 试系统的整体构成如图3 2 所示： 9 亟堡望三盔兰堡主兰垒笙兰一 试验模型 | 卜_ 二型墨水三鲨l 一 图3 - 2 电测系统组成框图 由于测试环境的温度很高，测试传感器的触点不能够直接连接到测试电路 上，因此测试点应先由补偿导线连接到转接板上，然后再由转接板连接到 测试电路。 3 2 电测系统硬件设计 3 2 1 温度补偿电路 测温的方法主要有接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是 依据热平衡原理，测温敏感元件与被测介质接触，使两者处于同一热平衡 状态，测温部分与被测目标保持同一温度。非接触式测温是利用辐射的能 量与被测目标温度间的一定关系来进行测温的一种方法，两者不必是同一 温度。非接触式测温不会干扰被测温度场、响应快、测温范围大，但是易 受外界干扰，定标困难，而且仪表价格昂贵。由于测试时处于高温恶劣环 境，为减少外界干扰和降低测试成本，在保证较高测试精度的前提下，宣 选用接触式测温方式。接触式测温所使用的热电传感器主要有热电偶传感 器和热电阻传感器。热电阻传感器精度及灵敏度高、响应快，但测温范围 较小；热电偶传感器具有种类多、适应性强、结构简单、测温范围广等诸 多优点，在测温场合应用十分广泛。 热电偶利用热电效应来测量温度，在如图3 - 3 所示的由两种不同金属 组成的闭合回路中，如果加热节点j l 至温度t ，回路中就会有电流通过； 由a 、b 两种不同金属组成的回路中，若保持节点j 2 的温度不变，而将节 点j - 置于被测温度场中，则当温度场的温度发生变化时，回路中的热电势 1 0 茎婆翌三盔堂堡主堂堡笙茎 就会相应地发生变化，用相应仪器来反映这一变化，就构成了热电偶测温 的基本回路14 1 ，如图3 - 4 所示： j 1 b j 2 图3 - 3 熟电效应图3 - 4 热电偶基本回路 热电偶的种类有很多，其中镍铬镍硅热电偶( k 型热电偶) 是一种廉 价的金属热电偶，性能稳定，抗氧化能力强，长时间工作温度为9 0 0 c ， 短时间工作温度为1 2 0 0 3 2 ，热电势较大，线性度好，测量范围宽，能够满 足绝大多数合金温度场测试的要求。测试时，选用直径为o 5 m m 的镍铬镍 硅热电偶测温，偶丝的阳极( 镍硅丝) 由直径为l m m 的陶瓷细管保护， 所有热电偶的阴极连接在一起并与测试电路共地。镍铬镍硅热电偶的测温 精度为0 0 5 ，为了提高热电偶的响应速度，热电偶的热节点均裸露在 铸型型腔内。 热电偶热电势的大小与热电极材料和两节点的温度有关，以热电偶为 传感器来测量温度，参考依据是热电偶的分度表，但分度表是以热电偶参 考端的温度等于零为条件的，而热电偶参考端的温度受环境温度的影响不 可能自然地保持0 c ，因此，要测出实际温度值就须对热电偶参考端进行 温度补偿【”16 】。用e a b ( t ，0 ) 表示当测试温度为t 、参考端温度为0 c 时 热电偶回路中产生的热电势，而实际测试时参考端的温度t n 0 ，则热电 偶输出的电势e a b ( t ，t 。) 将比e b ( t ，0 ) 小，其值为： ， 、 e a s ( t ，毛j = e a b ( t ，o ) 一e a b ( ，0 ) ( 3 1 ) 由式( 3 1 ) 可见，实测温度值比标准值要小e a b ( t n ，o ) ，这个值就是应该 补偿的部分。热电偶的参考端补偿方法有多种：补偿热电偶法、电桥补偿 法、温敏元件自动补偿法等。补偿热电偶法是在热电偶的回路中串联一支 同型号的热电偶，将补偿热电偶的工作端置于恒定温度t o 来进行补偿；电 桥补偿法是利用电桥桥臂的不平衡电压输出来对热电偶的参考端进行温度 补偿；温敏元件自动补偿法是利用温敏元件产生的热电势对热电偶的参考 端进行温度补偿。由于温敏元件的精度很高、所需的元件少，非常适合于 对精密删、，。、。z - - 。；，因此补偿电路的设计采用了由温敏元件自动补 偿的方式。经以上分析，可以设计参考端温度的补偿电路如图3 - 5 所示： 图3 - 5 热电偶参考端温补电路 电路中使用的温敏元件的型号为a d 5 9 0 ，它是一种恒流源式的温度传感 器，工作范围为5 5 c 1 5 0 c ，在其两端加上一定的工作电压( + 4 v - + 3 0 v ) 后，其输出电流就会随温度的变化而变化，其线性电流输出为l u a 。它 以热力学温标零点作为零输出点，在t c 下，其输出电流为( 2 7 3 2 + t ) “a 。 由于它是一种电流型的温度传感器，因而具有较强的抗干扰能力，非常适 合于在复杂测试条件下对热电偶的参考端进行温度补偿。a d 5 9 0 的输出电 流由可调电阻r w 。转化为补偿热电势输出，另外，该输出热电势由线性运 放o p 0 7 、精密电压基准m c l 4 0 3 和四只精密电阻组成减法器电路来调整， 电压基准器件m c l 4 0 3 用于提供2 5 v 精密参考电压。 以室温2 5 c 为例对补偿电路进行计算与分析。当室温为2 5 c 时，a d 5 9 0 的线性电流输出为2 9 8 2 “a ，此时镍铬镍硅热电偶的热电势为i m v ，用电 阻r w l 来保持二者线性一致，以0 c 为参考，r w l 的值可以由下式计算得到： = 石z k e = 簧 ( 3 - 2 ) 由式( 3 1 ) 可知，在2 5 c 时，应该对镍铬镍硅热电偶参考端补偿的电压值 为e a b ( t ，t n ) ，而实际的补偿值为h s r w l ，要调整两者的差值并达到一 致，需要相应的电路来实现。电路设计中采用电阻r w 2 和风通过分压的方 式从电压基准器件的输出中取得需要减去的电压值，线性运放o p 0 7 和四 只同阻值的电阻组成的减法电路用来对补偿值进行修正。 为了保证测试精度，必须对热电偶和热电偶补偿电路进行校验。热电 舯节牟甑灯 j 呈 一 n p加til肥i 茎堡望三盔兰堡主兰垡堡茎 偶的校验经常使用相对比较法，即利用高一级的热电偶和被检验的热电偶 进行比较【1 7 】。操作时首先将被检热电偶和标准热电偶捆扎在一起后送入管 式电阻炉内，炉口用石棉堵严。由于校验温度较高，因此应选用二等或三 等标准热电偶。校验装置如图3 - 6 所示： 图3 - 6 热电偶校验装置 校验时使用u j - 3 6 型手动电位差计，校验温度范围设定为2 0 0 c 至1 0 0 0 c ， 当炉温上升高到被校验温度点附近时，炉内温度变化每分钟不超过0 5 c ， 用电位差计分别读出标准热电偶和被校热电偶的热电势，通过校验比较， 可以得到最大误差量t n 。，而允许误差t 0 0 1 e t ( e t 为t c 时热电偶的 热电势) ，只要满足式t n 。 t ，该热电偶就可以用于温度测试。校验表如 表3 1 所示： 温度o c 项目、 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 标准热电偶( m v ) 1 6 3 9 72 4 9 0 53 3 2 7 54 1 2 7 6 被校热电偶( m v ) 1 6 1 0 52 3 8 7 53 2 1 2 54 0 8 7 5 表3 - i 热电偶校验比较表 校验结果表明，选用的镍铬镍硅热电偶测温最大误差量t n 。= 0 4 0 1 m v ，允 许误差t 0 0 l e t = 0 4 1 3 m v ，t r 。 o ， 0 ) ： 图3 - 8 三条折线构成的精密函数发生器原理图 在该电路中，由线性放大器呜决定基本折线斜率，放大器_ 2 和a 1 分别决 定另外两条折线斜率。当电压输入量为吼时，由, 4 3 、a 2 幕f l a l 的线性放大 输出分别为8 口0 2 和8 其值可以计算如下： 由以决定的基本折线： r 。 8 。3 。云q ( 3 - - 1 5 ) 1 6 茎望堡三查堂堡主堂焦笙塞 由a ：决定的折线： 由4 。决定的折线： 总的合成特性曲线： e d2 e o l + e 0 2 + e 0 3 三条折线的叠加合成原理如图3 - 9 所示： 图3 - 9 函数发生器折线叠加原理图 ( 3 一1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 置一 + 0 o 匙一飓 = = 时 时 生置一如 一 一 q q 当 当 生 + 0 o 毛一心 = f i 时 时 r一心蜀一心 一 一 p p 当 当 5 。i ji n 。 e 0 2 j j q 一 b 。i 飞 e 0 3 jl n b 口2 r e 。响1 0b mb 。2 杖 飞 亟堡里三盔堂堡主兰焦堕壅 此时得到的电压输出量为负值，再经过一级反相器以后，就可以达到设计 要求。反相器的设计如图3 - 1 0 ，总的输出特性如图3 - 1 1 所示： r e o j l 0 b p 2b p 2e j 图3 1 0 反相器图3 - 1 1 最终输出 由回归分析可以确定拐点彤i 、占。：和他们对应的温度t i c 和t z c ，相应的 热电势值分别为巳和e ：。若在测试区间内，镍铬镍硅热电偶的热电势变化 区间为a e 。，放大后的输出为e ：，则总体的放大倍数应设定为： n ：堕( 3 _ 2 1 ) p l 又由回归分析可以确定三段折线的斜率毛、屯和岛，由总体放大倍数可以 确定平均斜率| ： 女= i n( 3 _ 2 2 ) 各区间的放大倍数可以确定如下： 啊：争玎 ( 3 _ 2 3 ) 1 七 。 h 2 ：阜n ( 3 _ 2 4 ) h 25 言哺 t 3 _ 2 卅 驴争州( 3 - - 2 5 ) 取定电阻蜀、r ：和参考电压的值，就可以确定其他各电阻的值： 由七l = 鲁，可以确定b 的值为：见= 屯r ：( 3 - - 2 6 ) 由也= 如一鲁，可以确定玛的值为； 亟堡里三盔堂堡主堂垡丝壅 也= 再1 b = 再k i r ：( 3 - - 2 7 ) 由k 3 = k 2 - 鲁，可以确定r 的值为 弘去心= 忐心 ( 3 _ 2 8 ) 两个拐点屏。、b p 2 处的电压分别为k 和砭已经由回归分析得到， 由巧= 五r 。i i , ：吲，可以确定r 一的值为： 由= r r 。i ：y 可，可以确定胄。：的值为： 其余电阻的阻值计算如下： r 6 = r l r n r 1 r 7 = r 2 r 5 r 8 = r l r ，2 r 1 ( 3 _ 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) 由热电偶采集的热电信号经由三段精密放大以后，就可以进入单片机数据 采集系统。采用该方法对热电势曲线进行分段放大，可以将电路的测试精 度大大提高，误差不超过0 5 ，而且电路成本也不高。 3 2 3 单片机数据采集电路 以往的数据采集系统大多由独立的单片微机、模数转换芯片和程序存 储芯片组成，采用这种方式构成的测试电路不仅体积较大而且接口复杂。 为简化电路结构、提高电路的稳定性，课题设计中选用了a d 公司的 a d t t c 8 1 2 芯片为中央处理器。a d t c 8 1 2 单片机是美国模拟器件公司最新 推出的全智能数据采集系统，片内含高性能的8 通道1 2 位模数转换器 ( a d c ) 、2 通道1 2 位数模转换器( d a c ) 、8 0 c 5 2 m c u 内核、8 k b 的闪 速电可擦除程序存储器、6 4 0 字节的闪速电可擦除数据存储器、与1 2 c 兼 容的s p i 和标准的u a r t 串行i 0 模块等资源，片内资源非常丰富，而且 抗干扰能力强，非常适合于在复杂恶劣条件下实现高精度数据采集【1 9 - 2 4 。 目前该芯片的售价仅百元左右，用它来开发数据采集系统是一种十分经济 1 9 r 墨 一k笪以 i l = r b 墓堡里三查兰堡主堂垡丝茎 的解决方案，该芯片采用5 2 脚扁平四方形塑封，封装图如图3 - 1 2 所示： 瓣铲掣l i 图3 - 1 2a d “c 8 1 2 芯片封装图 a d p c 8 1 2 芯片的内部功能框图如图3 1 3 所示，片内的模数转换模块主 要包括模拟多路开关、温度传感器、采样保持电路( t h ) 、1 2 位逐次逼近 模数转换器( a d c ) 、+ 2 5 v 参考电压和模数转换校正控制逻辑，框图中虚 线框内的部分为中央处理器部分。 图3 - 1 3a d p c 8 1 2 芯片内部功能框图 a d u c 8 1 2 模拟电压量输入端的有效输入范围取决于参考电压，当采用 内部参考电压时，其有效输入范围为0 - - + 2 5 v ；当采用外部参考电压时， 外部参考电压由v r e f 端引入，合适的范围为+ 2 3 v , - d - 5 v ，相应的模拟量输 入端的电压范围为o v r e f 。课题设计中前端放大电路将模拟电压量放大至 2 0 麓i i i11i一 雾黧巍 武汉理工大学硕士学位论文 0 + 5 v ，因此应该采用外接+ 5 v 参考电压的方式，该参考电压可以由精密 电压基准芯片l m 3 3 6 5 v 提供。 a d c 8 1 2 片内的模数转换模块( a d c ) 含8 通道1 2 位单电源模数转 换器( a d ) ，模数转换时间为5 1 t s 。a d 转换器是由基于电容d a c 的常规 逐次逼近转换器组成，可保证1 l s b 的差分非线性和i 2 l s b 的积分非 线性。在上电时由工厂编程的校准系数自动下载到a d c ，以确保最佳的 a d c 性能。课题中设定测试仪表的满量程为5 v ，测温范围为0 1 3 0 0 ( 2 ， 测试的最低精度要求控制在0 5 c 以内，由热电偶的分度表可以查得镍铬镍 硅热电偶在0 5 时对应的热电势& ，民，经放大以后，对应地有仪表精 度e = k - e 。仪表精度、模数转换器的位数和仪表满量程存在以下关系：