材料成型装备控制技术2.ppt

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1、材料成型装备控制技术,凌宏江、熊晓红、吴丰顺 华中科技大学材料学院 ,材料学院13级研究生用电子教案 2013-2014学年第一学期,材料学院 材料成型装备及控制技术,2,目 录,第一章 绪论 第二章 材料成型过程中的检测技术 第三章 材料成型装备常用的执行装置 第四章 PID控制技术 第五章 材料成型装备计算机控制系统 第六章 材料成型过程中的电加热装置及控制 第七章 材料连接成型设备及控制技术 第八章 铸造成型装备及控制技术 第九章 塑性成型设备及控制技术,材料学院 材料成型装备及控制技术,3,第二章 材料成型过程中的检测技术,材料成形过程装备的控制、成形质量的控制涉及一些过程参数的检测和

2、控制，如焊接电流、电弧电压等电量的检测和控制，温度、位移、速度、压力、焊缝熔深、焊缝宽度等非电量的检测与控制。本章主要针对材料成形装备及材料成形过程控制参数，介绍这些参数的检测技术。,材料学院 材料成型装备及控制技术,4,2.1 概述,温度控制：温度的检测。 位置控制：位移、角度、高度等的检测。 速度控制：位移量检测 流量控制：流量和流速检测。 恒流控制：电流检测。 恒压控制：电压检测。 力的控制：应力和应变的检测、变形的检测。 称重控制：质量的检测。,材料学院 材料成型装备及控制技术,5,一、 测量,测量是以确定量值为目的的一系列操作。 所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较, 确

3、定被测量对标准量的倍数。 它可由下式表示： 式中： x被测量值; u标准量, 即测量单位; n比值（纯数）, 含有测量误差。,或,材料学院 材料成型装备及控制技术,6,由测量所获得的被测的量值叫测量结果。测量结果可用一定的数值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分：比值和测量单位。确切地讲，测量结果还应包括误差部分。 实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。 测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量的量值。

4、,材料学院 材料成型装备及控制技术,7,二、传感器,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,物 理 量,电 量,传感器,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电量信号转换成电信号的装置。,材料学院 材料成型装备及控制技术,8,三、传感器的组成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,材料学院 材料成型装备及控制技术,9,2.2 温度的测量,材料加工离不开温度的测量和控制： 塑性变形：温挤、锻压、成型，金属加热降低变

5、形抗力，有利于成型及质量控制。 铸造：金属的熔化等。 焊接：金属的熔化、焊接结构变形控制、扩散焊接等。焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，一切焊接的物理化学过程都是在热过程中发生和发展的。温度的准确测量是焊接冶金分析、焊接应力应变分析和对焊接过程进行控制的前提。,材料学院 材料成型装备及控制技术,10,一、温度及温度测量的基本知识,温标：表示物体温度高低的尺度，是温度量值的表示法。只有确定了温标，温度测量才有实际意义。用来衡量物体温度的标尺称为“温度标尺”，简称“温标”。 温标的确定：首先应规定一系列恒定的温度作为固定点。通常用纯物质的三相点（沸点、凝固点和超导转变点）作为温度计量的固定点，并赋

6、予固定点一个确定的温度。由固定点、测温仪器以及内插公式构成了温标的主要内容。 目前，在国际上广泛应用的有三种温标，即摄氏温标、华氏温标和国际温标。,材料学院 材料成型装备及控制技术,11,1. 常用温标,华氏温标：1706年Danil Fahrenheit提出以水和氯化銨融体为“32”。正常人体温为“96”，后改为冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以表示。 摄氏温标：1742年Anders Celsius提出采用水银温度计。在标准大气压下，以水纯的冰点为“0”，水的沸点为“100”，中间等分为100份，每份为1度，以表示。 热力学温标：Kelvin提根据

7、卡诺原理提出了热力学温标，以K表示。 国际温标：国际实用温标有两种温度，国际实用开尔文温度和国际实用摄氏温度。国际温标是以水的三相点为基准点，以11个固定的平衡状态温度为基准而设立的。各温域的分度均有相应的数学公式。,材料学院 材料成型装备及控制技术,12,2. 温度的检测元件,热电偶 热电阻及热敏电阻 红外辐射测温等,材料学院 材料成型装备及控制技术,13,3. 温度的测量方法,温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分成接触式与非接触式两大类。前者测温传感元件直接放在被测温度场中，后者测温传感元件完全不与被测温度场接触。两者的比较如下：,材料学院 材料成型装备及控制技术,14,材料

8、学院 材料成型装备及控制技术,15,二、热电偶（Thermocouples）,热电偶测温是目前温度测量中应用极为广泛的一种温度测量系统。其工作原理是源于物体的热电效应（Seebeck Effect）。,材料学院 材料成型装备及控制技术,16,1. 热电效应,1821年德国物理学家T.J. Seebeck发现将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。 热电势的大小由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。,材料学院 材料成型装备及控制技术,17,a. 接触电势,K - 玻耳兹曼常数； e - 电子电荷量； T -

9、 接触处的温度； NA，NB - 分别为导体A和B的自由电子密度。,材料学院 材料成型装备及控制技术,18,b. 温差电势（汤姆逊电势）,- 汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生 的电动势值，它与材料的性质有关。,材料学院 材料成型装备及控制技术,19,c. 热电偶回路的总热电势,材料学院 材料成型装备及控制技术,20,d. 结论,热电极A和B为同一种材料时，即 NA = NB，A=B，则有，EAB(T, T0)=0。 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0，则有，EAB(T, T0)=0 。 热电势存在必须具备两个条件： 两种不同的金属材料组成热电偶； 它的两端存在温差。,材料学院 材料成型装

10、备及控制技术,21,d. 结论（续）,热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当冷端温度T0恒定（如T0=0）时，E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T。 热电偶热电势的大小，只与导体A和B的材料以及冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。,材料学院 材料成型装备及控制技术,22,2. 热电偶的基本定律,a. 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何不均匀，产生的热电动势不变。 如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电偶材料的均匀性是衡量热电

11、偶质量的重要技术指标之一。,材料学院 材料成型装备及控制技术,23,b. 中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据。,材料学院 材料成型装备及控制技术,24,c. 中间温度定律,两种均质导体A, B组成热电偶，当其两接点处在温度T和Tn时，产生的热电动势为EAB(T, Tn)而当两接点的温度处在Tn和T0时产生的热电动势为EAB(Tn, T0)，则此热电偶处在温度T和T0两接点的热电动势EAB(T, T0)应为：,材料学院 材料成型装备及控制技术,25,3. 热电偶的分类,

12、材料学院 材料成型装备及控制技术,26,4. ITS-90标准热电偶,材料学院 材料成型装备及控制技术,27,a. 铂铑-铂热电偶,材料学院 材料成型装备及控制技术,28,b. 铂铑30-铂铑6（双铂铑）热电偶,材料学院 材料成型装备及控制技术,29,c. 镍铬-镍硅热电偶,材料学院 材料成型装备及控制技术,30,d. 镍铬-康铜热电偶,材料学院 材料成型装备及控制技术,31,5. 热电偶结构型式,为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。 普通型装配式结构 柔性安装型铠装结构,材料学院 材料成型装备及控制

13、技术,32,a. 普通型装配式结构,1-接线柱；2-接线座；3-绝缘套管；4-热电极 1-测量端；2-热电极；3-绝缘套管；4-保护管；5-接线盒,材料学院 材料成型装备及控制技术,33,b. 柔性安装型铠装结构,测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击。,材料学院 材料成型装备及控制技术,34,6. 热电偶的冷端处理和补偿,热电偶的热电势大小不仅与热端的温度有关，而且也与冷端的温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将

14、冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。,材料学院 材料成型装备及控制技术,35,a. 补偿导线,热电偶补偿导线功能： 其一实现了冷端迁移； 其二是降低了电路成本。 组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。补偿导线又分为延长型和补偿型两种 延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同。,材料学院 材料成型装备及控制技术,36,常用补偿导线,材料学院 材料成型装备及控制技术,37,使用补偿导线时注意问题,补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）

15、； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同； 不同型号的热电偶配有不同的补偿导线； 补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连。,材料学院 材料成型装备及控制技术,38,b. 常用的几种冷端处理方法,1). 热电偶冷端温度恒温法 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。,材料学院 材料成型装备及控制技术,39,2). 计算修正法,在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0 ，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。,可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出E(T1, 0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,

16、 T1)，得到E(T, 0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。,材料学院 材料成型装备及控制技术,40,3). 冷端补偿电桥法,利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。,材料学院 材料成型装备及控制技术,41,三、热阻式传感器,热阻式传感器的工作原理是利用了导体或半导体电阻值随温度变化的性质。构成热敏式传感器的测温元件，有金属热电阻及半导体热敏电阻。,材料学院 材料成型装备及控制技术,42,1. 热电阻-RTD,从物理学可知，一般金属导体具有正的电阻温度系数，电阻率随着温度的上升而增加，电阻与温度的关系为 Rt=R0(1+At+Bt2+) 式中，R0和

17、Rt分别为0C和tC时的电阻值； A和B为常数。 常用的标准化测温电阻有铂电阻(Pt100)、铜电阻(Cu50)等。铜电阻的线性很好，但测量范围不宽，一般为0-150。铂电阻的线性稍差，但其物理化学性能稳定，复现性好，测量温度高，测温范围宽，因而应用广泛。,材料学院 材料成型装备及控制技术,43,2. 热敏电阻-Thermistor,热敏电阻是一类温度敏感的半导体电阻器件，根据电阻与温度的关系分为三类： 负温度系数（NTC）热敏电阻，电阻随温度上升而下降； 正温度系数（PTC）热敏电阻，电阻随温度上升而增加； 线性热敏电阻(LTN)，电阻与温度成线性关系。,材料学院 材料成型装备及控制技术,4

18、4,1) 负温度系数（NTC）热敏电阻,敏感元件主要由锰、钴、铜、镍等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的陶瓷半导体电阻和电极材料组成。使用温度范围-200C -+ 1000C。,式中，B为与材料有关的常数，一般取值为3400K；为电阻温度系数，其值约为铂电阻的10倍。,材料学院 材料成型装备及控制技术,45,2) 硅半导体PTC热敏电阻,利用半导体P-N结的电阻温度特性制作的热敏电阻。主要特点： 使用温度范围：-50150C 低成本 长期稳定性好 无极性 易于集成,材料学院 材料成型装备及控制技术,46,3)热敏电阻的特点（与金属电阻比较）,由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，目前可测到0.001-0.0005微小温度的变化； 热敏电阻元件可作成片状、柱状、珠状等，直径可达0.5mm，由于体积小，热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级； 热敏电阻的电阻值可达10-700K，当远距离测量时导线电阻的影响可不考虑； 在-50-350温度范围内，具有较好的稳定性。 热敏电阻的主要缺点是阻值分散性大。复现性差，其次是非线性大，老化较快。,材料学院 材料成型装备及控制技术,47,4) 热敏电阻的结构形式,