（材料学专业论文）合金凝固温度场光纤传感测试系统研究.pdf

中文摘要 合金凝固过程的温度场很大程度上反映了合金的结晶行为，通过测试温度 场认识材料的凝固过程，对材料的组织和性能进行预测是人们所普遍关注的问 题。目i 猗广泛采用的热电偶测试方法具有抗氧化、还原能力差，易受电磁干扰， 热惯性大等弊病。采用光纤测温技术是解决这些问题的有效途径，本文针对合 金凝固温度场的测试问题设计了一套光纤传感测试系统。 对光纤辐射测温原理进行了叙述，比较了全辐射测温、单色测温和比色测 温的方法，指出比色法具有不受发射率和环境影响的独特优点，并以此为理论 基础进行测试系统的设计。整个系统由光纤传感探头、传输光路和电测系统三 个主要部分组成。 设计并制造了用于消耗型测试的光纤测温探头，用部分稳定氧化锆陶瓷制 造光纤高温保护管，解决了光纤在高温金属液中的保护问题。可将多根光纤做 成集成组件，具有结构紧凑、价格便宜、容易更换、可操作性强等优点，实际 使用效果良好。 比色法测温需要得到两路单波长光，由传输光路完成。系统借助光纤通信 中的波分复用技术，光的分路和滤波由一个元件波分复用器就可以完成， 替代了由分光棱镜和干涉滤波片共同组成的光路系统，结构更小巧、性能更稳 定。 电测系统完成光电转换以及电信号的采集与数据存储功能。选用b p w 7 7 型 光电三极管和a d 6 2 0 仪表放大器组成光电转换和信号放大电路。信号采集电路 选用a d 公司的a d p _ c 8 1 2 芯片作为中央处理器，其内部集成有1 2 位的刖d 转 换器，可以减少外围器件并保证测试精度；以r s 2 3 2 串行通讯接口实现数据采 集系统与上位机的通讯，方便用户程序的调试和下载；数据存储有两种模式： 可移动存储模式和在线传输模式。选用c f 卡为存储介质实现可移动存储，其工 作模式设置在与p c 机兼容的t r u e l d e 模式，文件管理上采用了f a t l 6 的文件格 式与地址预分配技术相结合的方式，满足高速、大容量存储的要求。选用 p d i u s b d l 2 接口芯片，遵循u s b l 1 协议与p c 机通信，实现了数据的在线实时 传输，并自编用户软件进行数据处理和温度显示。 以牌号为z l l 0 2 和z l l 0 8 的铸造铝合金为试验合金，选取四个点进行温度 场的测量，得到的温度曲线能够在一定程度上反应合金的初始结晶行为。将本 套光纤测试系统与热电偶进行比较实验，证明设计的系统在精度上满足要求， 在响应速度、抗干扰能力、成本等方面具有优势，是替代热电偶用于合舍凝固 温度场测试的理想选择。 关键词：凝固过程，温度场，热辐射，光纤传感器 a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ef i e l do fa l l o y ss o l i d i f i c a t i o np r o c e s sc a ni n s o m es e n s er e v e a l t h ee s s e n c eo fa l l o y ss o l i d i f i c a t i o n t op r e d i c t a l l o y s s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt oi t ss o l i d i f i c a t i o nt h r o u g ht e s t i n gi t st e m p e r a t u r ef i e l dh a sc a u g h tm u c ho f a t t e n t i o n u s i n gt h e r m o c o u p l e i st h em o s tp o p u l a rm e t h o d ，w h i c hh a sm a n y d i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o wr e s i s t a n c et oo x i d a t i o na n dd e o x i d i z a t i o n , l i a b i l i t yt ob e d i s t u r b e db ye l e c t r o m a g n e t i s m ，o b v i o u st h e r m a ll a g ，e t c t h ei n s t e a dm e t h o du s i n g o p t i c a lf i b e rc a ns o l v eh a st h o s ep r o b l e m s b u tn o n eo fe x i s t i n gf i b e rp y r o m e t e r s w h i c ha r ed e s i g n e df o rl i q u i dm e t a l sc a nb eu s e dt ot e s tt h et e m p e r a t u r ed u r i n g t r a n s f o r m a t i o nf r o ml i q u i dt os o l i d ，i no t h e rw o r d ，t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h i s a r t i c l ep u tf o r w a r das e l f - d e s i g n e do p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r et e s t i n gs y s t e mr i g h t s u i t a b l ef o rt e s to f a l l o y ss o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d t h et h e o r yo fr a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sr e l a t e d ，o nt h eb a s i so f w h i c ht h e r ea r ea l l - s p e c t r u mm o d e s i n g l ew a v e l e n g t hm o d ea n dc o l o r i m e t r i cm o d e c o m p a r et h et h r e em o d e sa n dt h e na d o p tc o l o d m e t r yf o ri t si n s e n s i t i v et oe m i s s i v i t y a n de n v i r o n m e n t t h et e m p e r a t u r et e s t i n gs y s t e md e s i g n e di nc o l o r i m e t r yc o n s i s t so f o p t i c a lf i b e rd e t e c t o r , l i g h tt r a n s m i t t i n gr o u t ea n de l e c t r i c a lt e s t i n gp a r t an e wk i n do fc o n s u m p t i v eo p t i c a lf i b e rd e t e c t o ri sd e s i g n e dw h i c hu s e sc e r a m i c t u b e sm a d eo fp a r t i a l l ys t a b i l i z e dz i r c o n i at op r o t e c tt h ef i b e ri nm o l t e nm e t a l t h r e a d so fo p t i c a lf i b e rc a nb ea s s e m b l e dt of o r ma i li n t e g r a t e dd e t e c t o ra c c o r d i n gt o t h et e s tr e q u k e p r a c t i c ec o n v i n c e dt h a tt h ed e t e c t o ri ss m a r t ，c h e a pa n do p e r a b l e t h el i g h tt r a n s m i t t i n gr o u t eo u t p u tt w or a y si nd i f f e r e n tw a v e l e n g t ha sr e q u i s i t e o fc o l o r i m e t r y p r o f i tf r o mt h et e c h n i q u eo fw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e xw i d e l y u s e di nf i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n s ，t h es y s t e mr e a l i z e sd i v i s i o na n df i l t e ro fr a d i a t e l i g h tb yo n ec o m p o n e n tc a l l e dd e m u l t i p l e x e r t h u si ti ss m a l l e ri nf o r ma n dm o r e s t a b l ei np e r f o r m a n c et h e no l ds t r u c t u r ec o n s i s t so f p r i s m sa n di n t e r v e n i e n tf i l t e r s t h ef u n c t i o no fe l e c t r i c a lt e s t i n gp a r ti sc o n v e r ts i g n a lf r o mp h o t i ct oe l e c t r i c a l a n dt h e nc o l l e c ti ta n ds t o r a g ed a t a b p w 7 7p h o t o d y n a t r o na n da d 6 2 0m e t e r a m p l i f i e ra r ea d o p t e di nc o n v e r ta n da m p l i r yc i r c u i t t h ea d u c 8 1 2s c m ，p r o d u c e d b yt h ea n a l o gd e v i c ec o r p o r a t i o n , i nw h i c hi n t e g r a t e da1 2b i t sa dc o n v e r t e ri s u s e da sc p ut or e d u c ep e r i p h e r a lc o m p o n e n t sa n di m p r o v ep r e c i s i o n ；r s - 2 3 2 i n t e r f a c ei su s e db yt h es y s t e mt od o w n l o a da n dd e b u gp r o g r a m se a s i l yf r o m c o m p u t e r ；c fc a r d ，w o r k sa tt r u ei d em o d e ，i su s e da sd a t am e m o r i z e r w ea l s o a d o p tf a t l 6f i l ef o r m a ta n da d d r e s ss p a c ep r e d i s t r i b u t et e c h n o l o g yt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fd a t a sw r i t ea n d 陀e d b e s i d e s p d i u s b d l 2i s u s e dt oe n a b l ed a t a s r e a l - t i m eo u t p u tt op ca c c o r d i n gt ou s b l 1 w ea l s od e s i g n e dap r o g r a mt oc a l c u l a t e a n dd i s p l a yt e m p c r a t u r e f o u rp o i n t sh a v eb e e nt e s t e di nt e m p e r a t u r ef i e l do fc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y s z l l 0 2a n dz l l 0 8 t h er e s u l tc a l lr e v e a lt h ep r o c e s so fi n i t i a ls o l i d i f i c a t i o nj u s ta s e x c e p t e d a ne x p e r i m e n tt oc o m p a r eb e t w e e nt h eo p t i c a lf i b e rt e s t i n gs y s t e ma n d t h e r m o c o u p l ep r o v e dt h a tt h es y s t e mw ed e s i g n e dh a sb e t t e rr e s p o n s i b i l i t ya n d a n t i - j a m m i n ga b i l i t ya sw e l l a sl o w e rc o s ta n ds a m ep r e c i s i o n s oi ti sag o o d s u b s t i t u t eo f t h e r m o c o u p l et ot e s tt h et e m p e r a t u r ef i e l do f a l l o y ss o l i d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：s o l i d i f i c a t i o n ，t h e r m a lr a d i a n c e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，o p t i c a lf i b e rs e n s o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢牡喃业 关于论文使用授权说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稚论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名 导师签名：牡 日期：厶卫业 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究目的和现状 在金属零件的制造过程中，凝固往往是第一步，毫无疑问，铸件和铸锭的 最初凝固组织决定着材料的性能。铸件凝固是热传导、金属结晶和液体流动的 综合过程，图1 1 简要说明了凝固过程中的传输现象与微观组织、性能之间的相 互关系。 囊绞，热爱，孔爿多、型兰二罨誊热释放、界面形貌，囊绞，热爱，孔爿形糟稿释放、界面形貌， 量度场壤度局，遗度场、i 是擘结构，徽属倔析 蒜器i 竺：竺兰面丽而槭性蕾k 芝：兰查：竺丝 战 材料的微观组织决定材料的性能，凝固材料近表面微观组织的形成过程与 内部微观组织的生长存在明显的不刚”，内部组织对表面组织存在依赖性，认识 近表面的凝固规律对材料整体形成过程的影响具有十分重大的意义。外界强烈 的冷冲击、内部能量的热惯性、结晶潜热的释放、生长机制等诸多因素交织在 一起，使表面组织的形成过程非常复杂。长期以来，由于测试方法的局限性， 国内外学者对近表面凝固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方面，对温度场的实测验证却很少【4 。5 】。因 此，有必要寻找新的测试方法并构造合理的测试系统来获取有效的实验数据， 这对研究材料微观组织的动态形成过程，并进一步建立起冷却条件与材料性能 之间的相互关系，指导生产实践中的质量控制以及材料改性将意义重大。 热电偶测温是应用最广泛也最成熟的液态金属测温技术，但裸露在高温金 属液中使用的热电偶还存在以下问题：抗氧化还原能力差，抗电磁干扰能力 武汉理工大学硕士学位论文 差；电极金属丝需用保护管进行保护，测温探头的体积较大，因此对被测温 度场的影响较大，在安放上也难以精确定位，为保证某一确定测试点的位置精 度，需要通过对数据进行合理处理才能还原数据；测量时需与被测物达到热 平衡，这一过程产生的滞后现象使它在测量快速变化的温度时存在困难，无法 捕捉到金属液与铸型接触瞬间的温度变化，而且也影响了测试精度；热电偶 种类很多，一般廉价的热电偶只能测较低温度，如镍铬镍硅热电偶的长时间工 作温度为9 0 0 ，短时间工作温度为1 2 0 0 ，更高温度的测量则要用到铂铑等 贵金属制作的热电偶，用做消耗型测量成本太高【9 。1 们。吴旭敏，胥军等人 6 - 8 】就 有关的测试问题进行了研究，测试了凝固材料内部的热分析曲线和薄壁件的平 面分布温度场，成功获取了有价值的实验数据，并编制了相应的数据处理与分 析软件。在实验中主要采用镍铬镍硅热电偶对铅锡合金和铝硅合金的凝固温度 场进行了测试，通过构建合理的测试模型，在测试开始前先将热电偶放入被测 金属液达到热平衡，再用激冷物与会属液面接触来模拟冷却过程的开始，避免 了热电偶的热惯性对测试初值的影响。但由于测试启动前热电偶与金属液的温 度值和保温时间不易控制，导致热电偶容易被烧损，消耗量偏大。实际生产中， 材料的凝固过程往往是不平衡凝固过程，其检测是接触式定点的测试方法，每 一次测试将消耗掉一个组件，因此测试组件的可靠性、可操作性、成本必须同 时兼顾。 各种非接触式测温技术得到广泛的研究及应用，晏敏等人】就非接触式测 温的原理和误差分析做了深入研究，指出被测物体的辐射发射率、距离系数和 环境因素是造成测量误差的主要原因，合金凝固过程中，金属表面的氧化膜和 蒸发无疑会带来较大的误差。非接触式测温只能测量表面的温度，合金凝固过 程温度场需要测量金属液内部不同位置的温度，显然无法使用这种方法。杜轩、 董喜奎1 1 2 j 设计的红外测温仪采用窥管结构，能伸入钢水进行测量，精度高、响 应快，不受环境影响，适用于8 0 0 以上的温度测量。但窥管结构体积较大，只 能用于被测金属液的量很多的场合，用于凝固过程特别是近表面部分的测试不 合适。 光纤传感器技术【1 3 - 1 6 1 是近年来发展起来的一种新型传感技术。国内已经研 制了由陶瓷管黑体腔、石英光纤高温传感器、传输光纤、光纤分路器、光电转 换器、二次仪表组成的测试仪表【1 7j ，成功解决了热风炉和制硫炉中的温度测量 问题；比色光纤快速测温系统 1 8 - 2 0 l 的测温范围为1 0 0 0 - 2 4 0 0 ，应用于飞机发动 2 武汉理工大学硕十学位论文 机燃烧室的火焰脉动温度的测量、热加工高温炉的温度测量，以及高频加热、 焊接，铸造等的温度测量；针对冶金行业设计的双处理器内调制光纤比色测温 仪1 2 1 1 ，对周围环境恶劣、环境温度变化大的高温物体进行高精度的温度测量， 具有响应快、测量数据准确、可靠性高的特点；沈永行等1 2 2 - 2 3 1 综合了光纤辐射 测温技术和光纤荧光测温技术的特点、对光纤传感器理论进行了有价值的分析， 从光纤的温度测试原理、光纤测温系统的组成、光纤测温的灵敏度以及快速测 试能力等几方面进行了研究、分析，为集成光纤组件的开发提供了重要的理论 支持及实验证实。结合光纤传感器技术的优点，用光纤制作集成组件，用于材 料不平衡凝固过程的检测，目前还没有相关报道。 工作在高温金属液中性能稳定的光纤传感器的制造技术是本课题的重点和 难点。资料l 对光纤的结构、特性及制备技术作了详细介绍，资料【2 5 】就光纤传 感器的研究及应用搜集了大量资料与实例，并进行了概述与评价。石英光纤被 广泛应用于高温测量，通常的做法是外加金属套筒进行保护，不能直接接触测 量的原因主要是光纤表面涂覆层为有机高分子材料，它在增强光纤机械性能的 同时削弱了其高温性能。如何解决这一矛盾，使光纤在具有一定机械强度的i ； 提下能伸入高温金属液体进行工作并保持良好的稳定性，还没有人做过类似的 研究。 1 2 本课题的研究内容 本课题构造了一套适用于合金凝固过程温度场测试的光纤测温系统，旨在 通过测试温度场为合金结晶行为的研究提供依据，特别是表面的结晶行为及其 影响。研究的内容主要有：材料近表面凝固过程的测试；光纤温度传感器的研 究与制造技术及其应用；光纤在金属液中使用的保护措施；高速数据采集系统 的电路设计与制造；微型海量存储介质的运用；数据在线传输的实现。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤测温原理 2 1 光纤传感技术概述 光纤传感技术是在光纤通信的基础上发展起来的。光纤通信技术已经进入 大规模实用化的阶段，传感器技术的发展滞后于光纤通信技术的发展，但某些 类型的传感器目前也已从实验室走出，进入市场。国内目前也有很多大学和研 究所，研制出各种各样的光纤传感器。 1 9 7 0 年，美国康宁公司【2 6 j 研制成功传输损耗为2 0 d b k m 的光导纤维，为光 纤技术从通信领域发展到传感器领域打开了大门。目前，光导纤维的损耗己降 至0 2 d b k m 以下，多种特殊光纤也层出不穷，如双折射光纤、掺稀土元素光纤 等，这些具有不同的性能的光纤极大的丰富了其在传感器领域的应用。 传感器的基本作用是将某种形式的输入能量( 被测对象) 的变化变为同种或 其他形式的能量( 信号) 的单值变化。而光纤传感技术，就是利用光纤进行光的传 输和调制，使光的某一参数随被测物理量的变化而被调制，通过检测这一参数， 从而测量被测物理量的变化。根据光纤所起的作用不同，光纤传感器分为功能 型和非功能型两类：功能型光纤传感器中，光纤不仅是导光的媒介，同时也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制，具有“传感”合一的特点：非功能型 光纤传感器中，光纤只起到传光的作用，必须在光纤端面或两根光纤中问加装 其他敏感元件。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤而非导线作为传输信息的媒 介，充分利用光纤体积小、重量轻、电绝缘性好、柔性可弯曲、耐腐蚀、损耗 低等优点，与普通机械、电子类传感器相比，具有以下的特点： ( 1 ) 抗电磁干扰。一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的 光信号不受电磁干扰的影响。这是光纤传感器极其独到的优点，因此特别适用 于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境的测量问题。 ( 2 ) 化学性能稳定、电绝缘性能好，耐高温。由于制作光纤的材料一石英具 有高的化学稳定性，电绝缘，而且无需电源驱动，因此在易燃易爆的油、气、 化工生产中使用安全可靠。 ( 3 ) 体积小，重量轻，几何形状可塑，可以做成任意形状的传感器和传感器 4 武汉理工大学硕士学位论文 阵列，适应性强。 ( 4 ) 传输损耗小。可以和光纤遥测技术相配合实现运距离测量和控制。 ( 5 ) 测量范围广，可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电 压、液位、液体浓度、成分等。 正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解 决的问题，从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化 工、民用建筑以及航空航天等各个领域。不少科研人员正致力于新型光纤传感 器的研制与开发，进一步扩展其应用范围。 2 - 2 黑体辐射与光纤测温原理 2 2 1 黑体辐射的基本理论 任何温度高于绝对零度( p ok ) 的物体都会不断向外界以电磁波的形式辐 射能量，这种由物体内部与温度有关的内能转化而来的辐射能称为热辐射【2 。 热辐射的实质是物体内部的带电粒子随着温度的升高而被激励放射出不同波长 的电磁波，温度越高，粒子被激励得越强烈，辐射的能量越大。不同的物质， 以及同一种物质在不同温度下，被激励的粒子的运动频率不同，从而发射出具 有不同波谱的电磁波。可见，辐射能力的大小与物体的温度r 密切相关，理论 上，物体辐射的电磁波波长可以从零到无穷大，而在工程上常见的温度范围内， o 1 l o o u n 波长范围的射线所占的份额最大，通常把这一范围的射线称为热射 线。温度很低时主要发射不可见的红外线，温度高于5 0 0 c 时开始发射部分近红 外的可见光，当温度高到约1 5 0 0 时开始发射白光以及一部分紫外线。辐射能 力的大小还与材料的辐射系数s 有关。所谓黑体，是人们假想的能够吸收全部入 射辐射，并具有最大发射率( = 1 ) 的物体。普郎克定律揭示了黑体辐射通量密 度m 。( 五，r ) 与辐射波长旯，辐射温度r 之间的关系： m b ( 2 ，r ) = c l 矿5 e x p ( c 2 旯r ) 一l 】- ( 2 1 ) 式中，五物体的辐射波长，t 一物体绝对温度，c 1 和c 2 分别称为第一与 第二辐射常数，它们的值为：q = 3 7 4 1 8 x 1 0 “w m 2 ，c 2 = 1 4 3 8 8 3 3 e m k 。 武汉理工大学硕士学位论文 利用普朗克公式可以得到黑体光谱辐射分布特性曲线( 普朗克曲线) ，如图 2 1 所示，可以看出以下特点： ( 1 ) 某一确定温度下，黑体的光谱辐射出射度肘( 五，r ) 随波长a 连续变化， 且对应一个峰值。 ( 2 ) 每条曲线的峰值所对应的波长叫做峰值波长记为厶。随着温度的升高， 峰值波长向短波方向移动。 ( 3 ) 对应同一个波长五，温度升高则光谱辐射出射度m 。( a ，丁) 增加。所有波 长范围内的辐射总量随温度的升高迅速增加。 02468 1 01 21 4 波长_ p m 图2 - 1 黑体光谱辐射分布特性 自然界中物体的辐射能力都比理想黑体小，光谱发射率o s ( 旯，t ) 1 ，其 辐射特性也与黑体基本相同，只是辐射能力弱一些，光谱辐射通量表达式需在 黑体的光谱辐射通量表达式中乘以占( 兄，t ) ： f ( a ，r ) = f ( 五，t ) c l a - 5 e x p ( c 2 a 丁) 一1 】一1 ( 2 2 ) 2 2 2 光纤测温常用方法的比较 光纤测温正是建立在黑体辐射理论的基础之上，通过测量辐射量来得到温 度值。由于实际物体的发射率很难得到准确值，往往只能参照黑体的辐射来近 6 武汉理工大学硕士学位论文 似确定物体的实际温度。具体说来，根据所检测的辐射量的波段特点有全辐射 测温、单波长测温以及双波长测温。 全辐射测温检测目标物体发出的全部波段的辐射量。将温度为的黑体在 全波长范围内的辐射出射度记为m 。( ) ，温度为r 的物体在全波长范围内的辐 射出射度记为肘( 丁) ，当m ( r ) = m 。( t ) 时，我们把c 称作物体的辐射温度。根 据斯蒂潘一玻尔兹曼( s t e f a n b o l t z m a n ) 定律有： m b q 、= o ，i ：| 牡 m ( t 1 = 6 t o f f 4 t r ( 2 3 ) ( 2 4 ) 以上两式中盯为斯蒂潘一玻尔兹曼常数( 盯= 5 6 6 7 9 x1 0 一w m 2 k 4 ) ，勺为 被测物体在温度丁下的全辐射率，且o s ，1 。根据辐射温度的定义，可以得 到辐射物体的真实温度与其辐射温度之间的关系为： = t e r i 用辐射温度近似表示物体实际温度时的相对误差为： ( 2 5 ) 等：掣：岛i 1 1 0 ( 2 - - 6 ) 丁r 单波长测温只检测某一特定波长下的辐射量。同一波长名下，若温度为瓦的 黑体与温度为r 的被测物体的辐射出射度相等，那么咒称为物体的亮度温度。 当丑7 1 c 2 时，可以对普朗克公式做如下近似： “( 旯，r ) = c 1 2 - e x p ( c 2 旯r ) ( 2 7 ) 根据亮度温度的定义进一步得到实际温度与亮度温度之间的关系： 7 武汉理工大学硕士学位论文 两者相对误差为： 瓦：芦l 鬲( 2 - - 8 )，= l 一 c 2 一；t t i n z ( 2 , ，d 等：罕：咒掣 兰逦 成功 设置设备参数i 发出上传数据包命令 遵堡竺整步 苎i 存储，分析、显示数据 延迟至下组数据包准备就绪 墅准岁 兰i 报告数据掉包卜一 图3 2 0 用户应用程序主流程图 在这里，我们用p i d u s b d l 2 的端点1 进行命令的传输和应答，端点2 用于 数据的传输。p i d u s b d l 2 端点1 的f i f o 为1 6 字节，端点2 的f i f o 为6 4 字节， 当缓冲区存满后自动将数据打包，由s i e 自动发送数据包。程序获得数据包后 延迟至下个数据包准备就绪，从而保证用户程序与数据采集同步。当系统启动 a d 转换后便会创建两个线程：采样线程和显示存盘线程。采样线程负责将采集 到的数据写到应用程序提交的内存，而显示存盘线程负责给应用程序发送显示 和存盘消息。当应用程序接收到此消息后，便从它提交的内存中读取数据并显 示、存盘。需要注意的是，采样线程和显示存盘线程在读取应用程序提交的内 存时应保持同步。用户应用程序的界面如图3 - 2 1 所示，在显示温度时，可以选 择显示一个( 图3 - 2 1 a ) 或多个( 图3 - 2 1 b ) 测试点，同时可以对图形进行缩放 和移动，以便于查看。若测试系统以存储模式进行工作，存入c f 卡中的数据拷 至p c 机后，同样可以调入该软件进行温度的计算与显示。 4 l 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图3 2 1 温度显示界面 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章测试方法与结果分析 4 1 测试方法与结果 选取铝硅合金为试验合金进行了温度场的测试，所选合金牌号为z l l 0 2 和 z l l 0 8 ，其化学成分见表4 1 。 表4 - 1a 1 s i 的化学成分 为了准确反映实际浇注过程中合金液与铸型内壁接触瞬间的热行为，我们 设计了如图4 - 1 所示的模型进行试验。在装置的设计及实验操作过程上具有以下 特点： 图4 - 1 测试模型示意图 构 容器 ( 1 ) 金属容器预热到浇注温度，注入金属液后先放在炉口保温并静置使容 器与金属液的温度达到均匀一致，再将下压机构迅速下压与舍属液面接触。容 器与金属液被视为整体，下压机构相当于实际浇注过程中的铸型，它与会属液 面接触的瞬间模拟实际铸造过程中金属液受铸型激冷作用的瞬间。 隔 槽 纤 流 光 溢 m 心弓。 厂； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 容器内壁与下压机构外壁均事先加有隔热层，尽量减少沿x 、y 方向 的散热，只有下压机构的下端面作为强冷面使温度梯度主要沿z 方向分布。这样 的测试模型一方面排除了实际充型过程中金属液的冲击与对流对温度测量的影 响，另一方面将三维传热问题简化为一维。 ( 3 ) 为了使每次压头下压前金属液的量保持一致，也就是热源在重复实验 中保持一个定值，试验装置中设计了溢流槽。金属液浇入容器时，超出的部分 自动从溢流槽中流出去。另外，下压机构压入后，多余的金属液也从此处流走， 可以保证激冷面与金属液的密切接触。溢流槽的设计保证了操作的便利性和实 验的重复性。 ( 4 ) 实验中选取靠近液面的四个测试点进行测量( 图中1 、2 、3 、4 ) ，四 个点等间距排列，距离液面的距离分别为o 5 m m 、1 5 m m 、2 5 m m 和3 5 m m 。为 了使光纤探头能够精确定位，事先将它们集成在一起形成组件，各个探头之间 按照要求的间距排列开，再以下压机构的下端面为基准面来控制探头深入会属 液的深度。由固定装置牢牢固定在下压机构上，随着压头与金属液相接触，测 温探头开始工作。 测试所得的温度曲线如图4 2 和4 3 所示，图中的温度平台为发生共晶反应 的实际温度，金属液体在与外界激冷源接触瞬间以很快的速度降至共晶温度以 下，然后有所回升，接着再缓慢冷却，靠激冷面越近的金属液受到的激冷作用 越强，初始的降温幅度也越大。吴旭敏1 7 j 在材料不平衡凝聚非线性行为的研究中 用热电偶测试系统做了相关测试，经过对测试结果的分析，提出合金在受到来 自铸型的激冷作用时，其温度时间曲线呈现出传统热分析方法无法观测和记录 的特殊变化规律，即存在激冷和正常冷却两个阶段。特殊之处在于激冷阶段金 属将经历一个温度迅速下降到共晶点以下然后又回升的过程，在最靠近铸型壁 的地方有时还会出现温度回升到液相线以上的现象。该测试结果为揭示不平衡 冷却凝固机制提供了重要的实验依据，是深入研究材料结晶理论、结晶过程对 机械性能影响的重要切入点。显然，本套光纤测试系统对合金凝固温度场进行 测试，也能够反映出同样的规律，证实了测试系统的可靠性。 武汉理工大学硕士学位论文 耋 o鼬 1 0 01 5 0 2 0 02 肋 时阿l 图4 - 2z l l 0 2 的温度时间曲线 7 0 0 6 5 0 6 0 0 型 疆 5 5 0 5 0 0 4 , 5 0 0 1 j 0 1 0 0 1 5 02 0 0 2 5 0 辑 , j s 图4 - 3z l l 0 8 的温度时间曲线 4 - 2 与热电偶的比较试验 为了更好地对光纤测温系统的实际测试效果进行评价，我们以牌号为z l l l 0 的铝合金为试验合金，用以上实验模型进行了光纤与热电偶测温的比较试验， 将本套测试系统与应用最广泛的镍铬镍硅热电偶测试系统的测温效果进行比 较。在传感器的安放上，为了保证光纤传感器与热电偶处于同一等温面，它们 在x y 平面内的排布位置如图4 4 所示；在z 方向位于同一高度且靠近液面。这 样，两者测试条件相同，测试结果的可比性强。 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 图4 _ 4 传感器的位置示意图 经过多次重复实验，比较两者测试所得温度曲线可以看出，两者反映出的 温度变化总体趋势一致，但局部存在差异，特别是在开始几秒钟内( 图4 5 ) 。在 光纤测试所得温度时间曲线上，可以明显看到冷却过程中初晶析出( 图中a 点) 和共晶组织形成时( 图中b 点) 温度回升的现象，而热电偶测试曲线却很难捕 捉到这两个重要特征点。另外，开始阶段的温度变化速率也略有不同，热电偶 比光纤快。 l二 4耳论韧矗沮庸 气。 珲出灶品温度 一 。b o o 一 时南i 1 52 图4 5 光纤与热电偶测试结果比较 热电偶测温以热电偶接点与被测物体达到热平衡为前提，建立热平衡所需 要的时间使得它测得的温度值必然滞后于真实温度，而且在测量快速变化的温 度时存在困难。光纤测温直接采集被测物的辐射光，实时性更好，因此能准确 反映a 、b 两处的温度变化。 接触式温度测量中，任何传感器或测温探头处于被测温度场中都将对其产 生影响，影响的大小直接决定了测试结果的准确性。在热电偶测温中，沿热电 偶导线的热传导引起的热量损失相当大，会导致测试结果偏低。应用最多的热 电偶材料镍铬合金在1 0 0 时的导热系数约为7 0 w ( m ) ，随着温度的升高这 武汉理工大学硕士学位论文 一值会有所下降，而石英光纤的导热系数不到0 3 w ( m ) ，相比之下，其引 起的热量损失就要小得多。 除了引起散热，测温接点裸露于金属液中形成的固液界面也将对结晶过程 产生影响，从而间接作用于被测温度场。对于测试点周围的表面微区，裸露的 测温接点可以看作固体杂质，金属液体可能依附其上形成晶核，形核功的大小 取决于两者的润湿性，若润湿性好，所需的形核功将减小，固相更易于在该处 形核。热电偶与被测金属液之间的润湿性比光纤好，更易促使金属液中的形核。 我们关心的是铸型的激冷作用对合金结晶行为的影响，光纤对金属结晶行为的 影响很小，在合金受激冷却温度场的测试中无疑具有优势。 温度场的测量为多点测量，需将多个传感器做成组件。在测试点数量相同 的情况下，热电偶组件的体积至少为光纤的三倍，在对温度场的影响上，两者 差别更大。 光纤传导温度测试系统充分利用光纤直径小、耐高温、抗环境干扰能力强 等优点，适用于合金受激冷却温度场的测试。经实验证明，其测试效果好，在 响应速度、抗干扰能力、成本等方面均优于热电偶测试系统，有较好的适用性 和可行性。 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章总结 1 对合金凝固过程温度场的测试问题进行了研究，比较现有的测试方法，提出 了利用光纤测温技术的测试方案。 2 通过比较以黑体辐射原理为基础理论的多种光纤测温方法，指出双波长比色 测温法具有不受被测物体发射率和周围环境影响、测试精度高的优点，适合 用于合金凝固温度场光纤测试系统。 3 对现有的用于高温金属液体温度测量的光纤测温仪的测温探头进行了介绍， 分析它们不适用于合金凝固温度场测试的原因。采用小孔径的氧化钻陶瓷管 对光纤进行保护，设计并制造了用于消耗性测试的光纤测温探头，具有结构 小巧、价格便宜、容易更换、可操作性强等优点，实际使用效果良好。 4 以高集成度的a d “c 8 1 2 芯片为中央处理器构造a d 转换和数据采集系统， 并用c f 卡和u s b 接口分别实现数据的可以移动存储和在线传输，使测试系 统结构紧凑而功能强大。 5 以铝硅合金为试验合金进行温度场的测试，测试结果反映出凝固过程中的激 冷阶段和正常冷却两个过程，与受到外界强冷冲击的金属表面具有独特结晶 规律的结论互为验证。 6 将设计的光纤测温系统与热电偶测温系统进行比较试验，证明所设计的系统 具有较高的测试精度，在响应速度、抗干扰能力、成本等方面均优于热电偶 测试系统，有较好的适用性和可行性。 武汉理工大学硕七学位论文 参考文献 【l 】吴旭敏，余小华爱激冷却温度场的描述新规则及应用【j 】铸造技术，2 0 0 5 2 ：1 2 1 1 2 6 【2 】d r e v e r m a n n , a n n ea n ds t u r z , l a s z l oa n dw a r n k e n , n i l s ，e t a l i n v e s t i g a t i o no ft h ei n i t i a l t r a n s i e n ti nd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o no fb i n a r ya i c ua l l o y s ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g 2 0 0 5 2 5 9 2 6 2 【3 】z h a o ，w e i m i na n dh o u ，s h u p i n ga n dl i ，h a i p e n g ，e t a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f m i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o na n df o r e c a s to f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rs p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n j o u r n a lo f m a t e r i a l ss c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ，( 1 9 ) ：1 3 1 6 1 4 】p e d e r s e n , k a r lm a r t i na n dt i e d j e ，n i e l s n u c l e a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o no f t h i nw a l l e dd u c t i l e i r o n e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n ga ， 2 0 0 5 3 5 8 3 6 2 【5 】o h n a k a ，i t s u o r e c e n td e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lm o d e l i n go fc a s t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o n m o d e l i n go f c a s t i n g ，w e l d i n ga n d a d v a n c e ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e s ，2 0 0 3 4 0 3 4 14 【6 】