王 攀，郝曉劍，周漢昌，閆 白

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

引 言

鎂元素在地球上分布廣泛且儲量巨大，制成的鎂合金材料密度小、強(qiáng)度高，在航空航天、電子等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景［1-3］。但在實(shí)際應(yīng)用中，鎂元素活潑的化學(xué)特性導(dǎo)致在高溫、劇烈摩擦?xí)r易于燃燒，阻燃鎂合金技術(shù)［4-6］能較好地解決這一缺點(diǎn)。其中，燃點(diǎn)測試是表征鎂合金阻燃效果的一個(gè)重要參量，因此燃點(diǎn)測試研究具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外普遍采用熱電偶接觸式測量［7］的方法，將純鎂或鎂合金直接放入管式電阻爐內(nèi)或放入坩堝隨爐加熱，測溫?zé)犭娕家话氵x用鎳鉻-鎳硅熱電偶，實(shí)驗(yàn)裝置龐大且實(shí)驗(yàn)用料較多，電阻爐升溫很慢以致實(shí)驗(yàn)效率低，以肉眼觀察法或切線法［8-12］建立燃燒點(diǎn)，該方法存在響應(yīng)慢、結(jié)果重復(fù)性差、測量精度低等不足。本文中設(shè)計(jì)了一種小型的比色測溫裝置，利用鎂合金燃燒點(diǎn)前后光譜輻射強(qiáng)度的變化來確定燃點(diǎn)，具有體積小、實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng)、大大削弱發(fā)射率變化的干擾等優(yōu)點(diǎn)，該裝置可用于鎂合金冶煉和加工生產(chǎn)線的在線溫度監(jiān)測。

1 比色測溫裝置設(shè)計(jì)

比色測溫裝置由藍(lán)寶石窗、物鏡、場鏡、兩個(gè)不同的窄帶干涉濾光片、二象限探測器、放大濾波電路構(gòu)成，用金屬外殼封裝保護(hù)各部分。其原理框圖如圖1所示。各部分結(jié)構(gòu)及功能是:藍(lán)寶石窗保護(hù)裝置內(nèi)部元件不受外界高溫、粉塵等干擾及破壞;物鏡匯聚所接收的熱輻射能;場鏡是工作在物鏡焦面附近，可以減小輻射光束范圍，增大通量，使光敏面接收光照更均勻化;二象限探測器實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，它由4個(gè)光敏二極管和覆銅板構(gòu)成，其中左右兩側(cè)的上下兩個(gè)PIN管相連，并在左右側(cè)各自膠合覆蓋不同波長的窄帶干涉濾光片，濾光片與二象限探測器的一體化結(jié)構(gòu)使得整個(gè)裝置得以小型化，且制作工藝簡單、工作可靠;放大濾波電路將兩路電壓信號作放大濾波處理;最后借助數(shù)據(jù)采集卡完成與主機(jī)通信讀出數(shù)據(jù)。

Fig.1 Functional block diagram of colorimetric temperature test device

2 比色測溫原理

比色測溫是由接收到的被測溫度場在兩個(gè)波段上的光譜輻射出射度的比值與溫度的函數(shù)來測量溫度。理論基礎(chǔ)是普朗克黑體輻射公式。二象限探測器接收的兩個(gè)波段范圍內(nèi)的輻射能量，轉(zhuǎn)化成了兩路光電流［11］，兩波段的輻射能量的比值R(T)則有:

式中，M1(λ，T)和 M2(λ，T)分別是熱力學(xué)溫度為 T時(shí)非黑體在波長為λ1，λ2下的單色輻射出射度公式;I1(T)，I2(T)是二象限探測器兩路光電流;S(λ)，ψ(λ)，τ(λ)分別是波長為 λ 時(shí)光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率、窄帶干涉濾光片光譜透過率、兩象限探測器響應(yīng)函數(shù);Δλ是選取的系統(tǒng)帶寬。其中:

式中，C1是第一輻射常數(shù)，C2是第二幅射常數(shù)。

設(shè):

則有:

在兩個(gè)濾光片波長相近時(shí)，先不考慮發(fā)射率，則K是裝置常數(shù)，可由靜態(tài)標(biāo)定得到。

3 靜態(tài)標(biāo)定

Fig.2 Block diagram of static calibration of colorimetric temperature test device

用SR20-32型中溫黑體爐對比色測溫裝置進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，打開電源，設(shè)置溫度從873K起每隔20K使用數(shù)據(jù)采集卡采集一次兩路輸出電壓，到1073K采集結(jié)束。裝置的靜態(tài)標(biāo)定框圖如圖2所示，設(shè)中溫黑體爐的顯示溫度為T，由(5)式求出R1(T);同時(shí)由比色測溫裝置的兩路輸出電壓，計(jì)算對應(yīng)的光電流，獲得R(T)值，根據(jù)(6)式求出K。求取K的平均值，繪出K修正后的R(T)-T曲線，根據(jù)R(T)值查表得到溫度。

4 鎂合金燃點(diǎn)測試

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中采用的鎂合金是含 Nd(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0075)的AZ80，其主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:Al(0.0741)，Zn(0.00522)，其余大部分為鎂元素。將鎂合金加工成6mm×6mm×0.25mm的薄片，便于引燃。

選用電加熱薄片電阻材料時(shí)，要選電阻率大一些，線膨脹系數(shù)不能過大，熔點(diǎn)要高一些(由于鎂合金的燃點(diǎn)基本都在1273K以下，故要選熔點(diǎn)高于1273K的材料)，從而保證該材料導(dǎo)熱快又不會在鎂合金燃燒前變形過大和熔化，最終選用304不銹鋼片，剪成80mm×15mm×0.03mm的薄片，以便加快導(dǎo)熱速度和均勻受熱。

所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:(1)美國安捷倫(Agilent)N8737A直流電源(direct-current，DC)，額定輸出為60V/55A，為電加熱薄片電阻提供電流，從而使其升溫;(2)美國IRCON公司Modline5系列的5R-1410型紅外測溫儀(以下簡稱M5)，測溫范圍為873K～1673K，作為標(biāo)準(zhǔn)測溫儀器，即以紅外測溫儀測溫結(jié)果作為真實(shí)溫度;(3)四川拓普測控科技有限公司PCI-20612數(shù)據(jù)采集卡及提供支持的TopView2000軟件，用于兩路電壓數(shù)據(jù)的采集、讀取及處理分析。

根據(jù)已有的純鎂及鎂合金燃點(diǎn)測試文獻(xiàn)，判斷所需測試的溫度范圍在673K～1273K。實(shí)驗(yàn)前，利用Ocean Optics公司的USB4000微型光纖光譜儀對點(diǎn)燃的純鎂和實(shí)驗(yàn)鎂合金進(jìn)行了光譜測試。發(fā)現(xiàn)純鎂燃燒光譜集中在480nm～900nm之間，其中590nm和767nm處輻射強(qiáng)度最大。而實(shí)驗(yàn)所用鎂合金燃燒光譜集中在400nm～950nm之間，其中在588nm，669nm和766nm附近出現(xiàn)峰值。選擇光譜強(qiáng)度峰值對應(yīng)的波長作為兩個(gè)濾光片的波長的參照，則測試時(shí)會在純鎂和鎂合金起燃前后輻射能量會出現(xiàn)爆發(fā)性增長，而在輸出電壓曲線上就是一個(gè)拐點(diǎn)。最終選定波長為650nm和850nm的濾光片，其帶寬為±30nm。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

鎂合金燃點(diǎn)測試的原理框圖如圖3所示，將DC與不銹鋼片通過導(dǎo)線連成通路，將待測薄片放在不銹鋼片的中間位置，然后緩慢增大DC的電流I，使得不銹鋼片的溫度不斷升高，一旦點(diǎn)燃就停止調(diào)節(jié)DC。整個(gè)過程中，將M5和比色測溫裝置對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)鎂片，并借助數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)通信，使用Topview軟件采集數(shù)據(jù)。

Fig.3 Functionalblock diagram of ignition point testof magnesium alloy

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

M5和比色測溫裝置的輸出電壓曲線如圖4所示，其中CH1和CH2分別對應(yīng)濾光片波長為650nm和850nm的電壓輸出，CH3對應(yīng)M5的輸出。

Fig.4 Output curve of data acquisition card

圖4 中，CH3曲線兩峰值之間存在平直段，因?yàn)殒V合金燃燒時(shí)的輻射能量在500nm～850nm區(qū)間很大，在大于1000nm區(qū)間卻很小，造成M5紅外測溫儀在750nm～1050nm波段接收的能量很大而在高于1000nm～1100nm波段則很小，兩路信號的比值超出M5設(shè)置的范圍，電路輸出幾乎為0。因此M5可以反映鎂合金式樣起燃之前的溫度變化，但燃燒變得劇烈的時(shí)候信號輸出反而為0。當(dāng)鎂合金被點(diǎn)燃的一瞬間，比色測溫裝置接收的輻射能量會出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，可以由該點(diǎn)確定起燃時(shí)間。對CH1通道的曲線進(jìn)行光標(biāo)讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)在3.235s時(shí)曲線的變化率開始增大(如圖5所示)，故鎂合金在該時(shí)間起燃，對M5和比色測溫裝置在該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行光標(biāo)讀數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，M5和比色測溫裝置的測溫結(jié)果相對誤差e=1.4%，證明了該比色測溫裝置用來鎂及鎂合金燃點(diǎn)溫度測試的可行性和合理性。

Fig.5 Oscilloscope of CH1 curve after filtering

Table1 Measurement results of M5 and colorimetirc temperature measurement device

5 結(jié)論

通過鎂合金燃燒點(diǎn)建立前后光譜輻射強(qiáng)度的變化準(zhǔn)確判定起燃時(shí)間點(diǎn)，具有精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。二象限探測器與濾光片的一體化結(jié)構(gòu)，制備工藝簡單、工作可靠。提出電流加熱法作為點(diǎn)燃鎂片的熱源，沒有外界強(qiáng)光干擾，測量更準(zhǔn)確，克服了傳統(tǒng)熱電偶接觸式測溫法響應(yīng)速度慢、精確度不高、誤差相對大、可重復(fù)性差等缺點(diǎn)，同時(shí)又節(jié)省了時(shí)間和實(shí)驗(yàn)材料。含Nd(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0075)的AZ80鎂合金燃點(diǎn)測試結(jié)果表明，其相對誤差為1.4%。該方法對阻燃鎂合金的相關(guān)研究及鎂合金冶煉的在線監(jiān)測具有很重要的參考價(jià)值。

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