竺啟斌，陳書錦，戚順順，朱文琪

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003；2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

一種高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)

竺啟斌1，陳書錦2，戚順順2，朱文琪2

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003；2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

提出了一種高溫高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度檢測(cè)技術(shù)，為了克服摩擦頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)帶來熱電偶信號(hào)線的連接問題，整個(gè)測(cè)溫裝置與焊接工件同步旋轉(zhuǎn)，該裝置包括熱電偶、溫度檢測(cè)處理模塊和無線傳輸模塊；為了提高采樣速率，對(duì)熱電偶芯片組合采用了鏈?zhǔn)窖h(huán)溫度數(shù)據(jù)采集法，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，各熱電偶芯片依次傳輸數(shù)據(jù)，這種方式能實(shí)現(xiàn)高溫高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度的檢測(cè)，提高了溫度信號(hào)的采集速率。實(shí)驗(yàn)證明了這種技術(shù)的有效性。

溫度檢測(cè)；攪拌摩擦焊；無線傳輸

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度檢測(cè)技術(shù)也不斷更新，各種測(cè)溫方法如熱脹冷縮原理溫度檢測(cè)、熱阻效應(yīng)溫度檢測(cè)、熱電效應(yīng)溫度檢測(cè)[1]、聲學(xué)測(cè)溫[2]、熱輻射溫度檢測(cè)[3]、紅外測(cè)溫[4]等技術(shù)不斷涌現(xiàn)；對(duì)于溫度信息采集、傳輸、處理水平越來越高，先后出現(xiàn)了模擬溫度儀表、數(shù)字溫度儀表等技術(shù)，當(dāng)前數(shù)字儀表正朝向高精度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展[5]。

攪拌摩擦焊或慣性摩擦焊接溫度場(chǎng)分布是焊接研究的重要內(nèi)容，對(duì)這些焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行研究時(shí)，一般采用有限元模擬[6]或紅外輻射測(cè)溫或熱電偶有線測(cè)溫方式，然而這些方法難以實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的工件內(nèi)部不同部位的實(shí)際溫度檢測(cè)。由于紅外輻射屬于非接觸測(cè)量，只能測(cè)量工件的表面溫度場(chǎng)，無法測(cè)量焊接工件內(nèi)部不同部位的實(shí)際溫度；熱電偶測(cè)溫方法基于溫差效應(yīng)，可以測(cè)量固定工件內(nèi)部溫度，測(cè)溫效果較為精確，但摩擦頭是高速旋轉(zhuǎn)的，熱電偶測(cè)溫法存在著信號(hào)線的連接問題，難以直接應(yīng)用熱電偶方法檢測(cè)摩擦頭內(nèi)部溫度。

為此本研究提出一種針對(duì)旋轉(zhuǎn)焊件的溫度無線傳輸方案，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)PIC16F877A為核心的溫度檢測(cè)、傳輸和處理電路，通過同步旋轉(zhuǎn)的溫度采樣電路獲取溫度信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過無線信號(hào)發(fā)送信號(hào)，由外部接收電路接收顯示，最后進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

1 測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)成適合攪拌摩擦焊接和慣性摩擦焊接現(xiàn)場(chǎng)安裝的圓環(huán)，如圖1所示。溫度信號(hào)處理電路、電池組安裝在圓環(huán)上，圓環(huán)在兩個(gè)固定機(jī)構(gòu)的作用下，安裝在工件夾持器外圍，工件夾持器具有兩個(gè)凹孔；為了保證整個(gè)裝置的重心在圓環(huán)的圓心，在圓環(huán)上配置了兩塊平衡塊；當(dāng)兩個(gè)固定機(jī)構(gòu)中的舌形卡塊沿著滑槽進(jìn)入工件夾持器中的凹孔，即可固定檢測(cè)裝置；相反，當(dāng)舌形卡塊退出凹孔后，即可拆卸檢測(cè)裝置。

2 檢測(cè)電路模塊的組成

如圖2所示，溫度檢測(cè)裝置包括溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)發(fā)送三大部分，并且與被測(cè)工件高速同步旋轉(zhuǎn)，使得檢測(cè)裝置上的熱電偶能夠相對(duì)固定在攪拌頭上。熱電偶采集攪拌摩擦頭內(nèi)部特征點(diǎn)溫度，熱電偶的輸出信號(hào)進(jìn)入溫度信號(hào)處理電路，溫度信號(hào)處理電路內(nèi)部經(jīng)熱電偶芯片組合進(jìn)行處理，由單片機(jī)控制電路讀取溫度信息，通過無線發(fā)送模塊在線發(fā)送溫度信號(hào)，由外置的無線信號(hào)接收裝置接收無線溫度信號(hào)。

3 檢測(cè)電路

如圖3所示，熱電偶信號(hào)處理電路主要由芯片MAX6675、PIC16F877A、CC1100構(gòu)成，MAX6675是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的溫度分辨能力為0.25℃，冷端補(bǔ)償范圍為-20℃～+80℃，工作電壓3.0～5.5 V。該芯片采用SPI接口向微處理器PIC16F877A傳輸熱電偶數(shù)據(jù)，其溫度分辨率為0.25℃，內(nèi)置一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，來自熱電偶的熱電勢(shì)與引腳連接，信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大器放大和濾波處理后，成為與芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號(hào)。利用MAX667輸出數(shù)據(jù)中的D2進(jìn)行斷偶檢測(cè)時(shí)，熱電偶的輸入負(fù)極T-必須接地，且應(yīng)盡可能地靠近MAX6675的引腳地（即PIN1）。冷端溫度是由MAX6675本身檢測(cè)的，為了提高測(cè)量的精確度，電路板的地線盡可能的大。熱電偶信號(hào)為微弱信號(hào)，要盡可能地采取措施防止噪聲干擾?？稍贛AX6675電源與地線之間接一個(gè)0.1 μF的陶瓷電容。

CC1100是一款低于1 GHz高性能射頻收發(fā)器，CC1100可提供對(duì)數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、空閑信道評(píng)估（CCA）、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒（WOR）的廣泛硬件支持，具有387.0～464.0 MHz工作頻段，通過四線SPI接口與PIC16F877A連接，同時(shí)提供兩個(gè)可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳，其工作電壓1.9～3.6V，待機(jī)模式下電流僅為200 nA，大大降低了裝置的供電要求。

焊接現(xiàn)場(chǎng)存在以下問題：熱電偶芯片MAX6675每進(jìn)行一次溫度采樣都需要一定的處理時(shí)間，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.17～0.22 s，以待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)速度1200r/min為例，當(dāng)需要測(cè)出每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的溫度變化情況時(shí)，該測(cè)溫芯片的響應(yīng)速度較慢，單個(gè)芯片無法對(duì)采樣點(diǎn)及時(shí)采樣；此外如不采用成熟的熱電偶芯片，則相應(yīng)處理電路繁雜，所用電路板質(zhì)量和占用的空間較大，不適合與工件同步高速旋轉(zhuǎn)，且易帶來干擾。因此采用多個(gè)熱電偶芯片鏈?zhǔn)焦ぷ鞯姆绞絹硖岣卟蓸宇l率，以滿足溫度數(shù)據(jù)采集要求。

4 熱電偶芯片工作方式

設(shè)裝置工作時(shí)轉(zhuǎn)速1200r/min，要求檢測(cè)每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期溫度變換情況，則對(duì)裝置的采樣頻率要求為20 Hz。采用五個(gè)MAX6675芯片并接在熱電偶的輸出端，這五個(gè)芯片按照鏈?zhǔn)窖h(huán)工作，由于單個(gè)芯片的轉(zhuǎn)換最大耗時(shí)為0.22s，每個(gè)芯片從開始讀數(shù)到下一個(gè)芯片開始讀數(shù)時(shí)間設(shè)定為0.05s；當(dāng)需要對(duì)其中一個(gè)熱電偶芯片進(jìn)行溫度采樣后，立即將其設(shè)置為轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)第五個(gè)采樣循環(huán)時(shí)，該熱電偶芯片再次輸出處理好的溫度數(shù)據(jù)后，再次進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，開啟下一個(gè)采樣循環(huán)；按照這樣的鏈?zhǔn)窖h(huán)測(cè)溫法，依次發(fā)送處理后的溫度數(shù)據(jù)。

當(dāng)對(duì)裝置的采樣頻率要求為10Hz，由于單個(gè)芯片轉(zhuǎn)換速度最大耗時(shí)為0.22s，因此在程序中設(shè)置每個(gè)芯片從開始讀數(shù)到下一個(gè)芯片開始讀數(shù)時(shí)間設(shè)定為0.5s即可，讀數(shù)循環(huán)仍然按照如圖4所示流程進(jìn)行。

5 實(shí)驗(yàn)

測(cè)溫裝置的實(shí)體如圖5所示。

該裝置可以避開有線連接的困難，成功實(shí)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)焊件內(nèi)部溫度的檢測(cè)且使用方便，測(cè)溫裝置經(jīng)過長(zhǎng)期改進(jìn)和校正測(cè)試，可精確到0.1℃，既能針對(duì)指定部位進(jìn)行溫度探測(cè)，還將大幅縮短控制系統(tǒng)整合周期，與紅外輻射法測(cè)定攪拌摩擦頭溫度方法比較，測(cè)溫更全面、成本更低。

攪拌摩擦頭內(nèi)部特征點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度曲線如圖6所示，曲線1、曲線2、曲線3分別是被測(cè)點(diǎn)離摩擦頭距離由近至遠(yuǎn)處的溫度變化情況，由圖可見，離摩擦接觸面越近，溫度越高。

6 結(jié)論

（1）采用熱電偶傳感器芯片MAX6675成功地檢測(cè)了高速旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊件的內(nèi)部溫度，且電路簡(jiǎn)單、可靠性高。

（2）MAX6675芯片的鏈?zhǔn)焦ぷ鹘Y(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速率，改善了對(duì)焊件溫度進(jìn)行分析的條件。

（3）采用無線數(shù)字傳輸方式，克服了攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)帶來接線困難的缺點(diǎn)，改善了測(cè)溫裝置的環(huán)境適應(yīng)性。

（4）使用溫度無線檢測(cè)技術(shù)后，將有助于對(duì)攪拌摩擦焊或摩擦焊等旋轉(zhuǎn)焊件的內(nèi)部溫度檢測(cè)和分析，有利于進(jìn)一步分析溫度場(chǎng)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

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An internal temperature detection technology of high rotary speed welding workpiece

ZHU Qi-bin1，CHEN Shu-jin2，QI Shun-shun2，ZHU Wen-qi2
（1.Yangzhou Branch of the Jiangsu Province of Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Yangzhou 225003，China；2.Collegeof MaterialsScienceandEngineering，Jiangsu UniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang 212003，China）

This paper presents an internal temperature detection technology of high speed rotary welding workpiece.Due to the high rotary speed of friction stir tool，it is difficult to connect the thermocouple signal line to control board.In order to overcome this shortcoming，the temperature measurement device rotate synchronously with the welding workpiece，the device comprises thermocouples，temperature detection module and the wireless transmission module.In order to increase the sampling rate，the temperature data was collected by using the thermocouple combination chip.In a cycle，thermocouple chip turns to work like chain.this method can realize the internal temperature detection of high rotary speed welding workpiece，improves the temperature signal acquisition rate.Experiments show the effectiveness of this technique.

temperature detection；friction stir welding；wireless transmission

TG431

：A

：1001-2303（2014）02-0052-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.11

2013-01-19；

2013-11-18

竺啟斌（1965—），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事焊接檢驗(yàn)與檢測(cè)工作。