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材料成型装备控制技术你现在浏览的是第一页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术2目目 录录第一章第一章绪论绪论第二章第二章材料成型过程中的检测技术材料成型过程中的检测技术第三章第三章材料成型装备常用的执行装置材料成型装备常用的执行装置第四章第四章PID控制技术控制技术第五章第五章材料成型装备计算机控制系统材料成型装备计算机控制系统第六章第六章材料成型过程中的电加热装置及控制材料成型过程中的电加热装置及控制第七章第七章材料连接成型设备及控制技术材料连接成型设备及控制技术第八章第八章铸造成型装备及控制技术铸造成型装备及控制技术第九章第九章塑性成型设备及控制技术塑性成型设备及控制技术你现在浏览的是第二页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术3第二章第二章材料成型过程中的检测技术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。你现在浏览的是第三页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术42.1概述概述温度控制：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。你现在浏览的是第四页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术5 一、一、测量测量 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。或你现在浏览的是第五页，共47页材料学院 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。你现在浏览的是第六页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术7二、传感器二、传感器 传感器是借助检测元件将一种形式的信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。息转换成另一种信息的装置。物物 理理 量量电电 量量传感器传感器 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。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。信号转换成电信号的装置。你现在浏览的是第七页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术8三、传感器的组成三、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。匹配，以便于后续仪表接入。V你现在浏览的是第八页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术92.2温度的测量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。你现在浏览的是第九页，共47页材料学院 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一、温度及温度测量的基本知识温标：温标：表示物体温度高低的尺度，是温度量值的表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。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用来衡量物体温度的标尺称为“温度标尺温度标尺”，简称，简称“温标温标”。温标的确定温标的确定：首先应规定一系列恒定的温度作为：首先应规定一系列恒定的温度作为固固定点定点。通常用纯物质的三相点（沸点、凝固点和。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，并赋予固超导转变点）作为温度计量的固定点，并赋予固定点一个确定的温度。由固定点、测温仪器以及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。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，即目前，在国际上广泛应用的有三种温标，即摄氏温摄氏温标标、华氏温标华氏温标和和国际温标国际温标。你现在浏览的是第十页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术111.常用温标常用温标华氏温标：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：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：热力学温标：Kelvin提根据卡诺原理提出了热力学温标，以K表示。国际温标：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。你现在浏览的是第十一页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术122.温度的检测元件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你现在浏览的是第十二页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术133.温度的测量方法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：你现在浏览的是第十三页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术14必要条件接触式接触式感温元件必须与被测物体相接触，或感温元件与被测物体虽然接触，但后者的温度不变非接触式非接触式感温元件能接收到被测物体的辐射能特点不适宜热容量小的物体的温度测量，不适宜动态温度测量；便于多点、集中测量和自动控制被测物体温度不变；适宜于动态温度测量；适宜表面温度测量测量范围适宜于2000以下的温度测量适宜于高温测量测温精度测量范围1左右一般在10左右滞后较大较小你现在浏览的是第十四页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术15二、热电偶（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）。你现在浏览的是第十五页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术161.热电效应热电效应1821年德国物理学家T.J.Seebeck发现将将两种不同材料的导体两种不同材料的导体A和和B串接成一个闭合回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，此现象称为产生热电势，形成电流，此现象称为热电效热电效应应。热电势的大小由两种材料的热电势的大小由两种材料的接触电势接触电势和单和单一材料的一材料的温差电势温差电势决定。决定。你现在浏览的是第十六页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术17a.a.接触电势接触电势K-玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；e -电子电荷量；电子电荷量；T-接触处的温度；接触处的温度；NA，NB-分别为导体分别为导体A和和B的自由电子密度。的自由电子密度。B自由电子扩散EAB接触电势的形成过程NANBNBNA你现在浏览的是第十七页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术18b.b.温差电势温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）-汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。的电动势值，它与材料的性质有关。你现在浏览的是第十八页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术19c.c.热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势你现在浏览的是第十九页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术20d.结论结论1.热电极A和B为同一种材料时，即 NA=NB，A=B，则有，EAB(T,T0)=0。2.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。你现在浏览的是第二十页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术21d.结论（续）结论（续）3.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。4.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。你现在浏览的是第二十一页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术222.热电偶的基本定律热电偶的基本定律a.均质导体定律均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论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。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偶质量的以热电偶材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。重要技术指标之一。TT0你现在浏览的是第二十二页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术23b.中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，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。会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据。据。你现在浏览的是第二十三页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术24c.中间温度定律中间温度定律两种均质导体两种均质导体A,B组成热电组成热电偶，当其两接点处在温度偶，当其两接点处在温度T和和Tn时，时，产生的热电动势为产生的热电动势为EAB(T,Tn)而当而当两接点的温度处在两接点的温度处在Tn和和T0时产生时产生的热电动势为的热电动势为EAB(Tn,T0)，则此，则此热电偶处在温度热电偶处在温度T和和T0两接点的热两接点的热电动势电动势EAB(T,T0)应为：应为：你现在浏览的是第二十四页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术253.热电偶的分类热电偶的分类按热电偶材料难熔金属热电偶贵重金属热电偶廉金属热电偶钨铼5-钨铼26（WRe5-WRe26）铂铑10-铂，铱铑-铱镍铬-镍硅，镍铬-考铜按测温范围高温热电偶中温热电偶低温热电偶钨铼5-钨铼26，铂铑30-铂铑6镍铬-镍硅，镍铬-考铜铜-康铜，镍铬-铁金0.03按封装形式普通热电偶铠装热电偶薄膜热电偶表面热电偶按标准标准热电偶非标准热电偶K，S，B镍钼石墨-碳化硅你现在浏览的是第二十五页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术264.ITS-90标准热电偶标准热电偶热电偶热电偶名称名称分度号分度号新新热电极识别热电极识别E(100,0)(mV)测温范围（测温范围（）允许偏差允许偏差极性极性识别识别长期长期短期短期使用温度使用温度允差允差 铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%铂铑30-铂铑10B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960120013002.5负稍亲磁1.5%镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200120013002.5或0.75%负稍亲磁 镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%负亮黄 铜-康铜T正红色4.279-2003504001负银白色 铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502.5或0.75%负不亲磁你现在浏览的是第二十六页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术27a.铂铂铑铑-铂热电偶铂热电偶材料：材料：Pt90%(+),Pt(100%)(-),分度号：S使用范围：使用范围：1300,可长期使用，在良好的使用环境下可短期测量1600 高温。特点：特点：线性度一般；热电偶的复制精度和测量精度较高，可用于精密测量和作标准电偶；在氧化性和中性介质中物理化学稳定性好。缺点：缺点：灵敏度相对较低；热电势值较小。你现在浏览的是第二十七页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术28b.铂铑铂铑30-铂铑铂铑6（双铂铑）热电偶（双铂铑）热电偶材料：材料：Pt70Rh30(+),Pt94Rh6(-),分度号：B使用范围：使用范围：1600 以下 可长期使用，短期测量可达1800 高温。特点：特点：性能稳定，精度高，适用于氧化性和中性介质；热电势值小，由于低温度时电势值小，因此冷端在40 以下，对热电势值不必修正。缺点：缺点：价格贵你现在浏览的是第二十八页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术29c.镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶材料：NiCr(+),NiSi(-),分度号：K使用范围：可在氧化性和中性介质中长期测量900 以下温度。特点：化学热稳定性较高，可在氧化性或中性介质中长时间使用；还原性介质中很快地受到腐蚀；线性最好，且复制性能好，产生的电势值高，价格便宜；测温精度不高，但能够满足工业测量要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。缺点：测量精度相对较低。你现在浏览的是第二十九页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术30d.镍铬镍铬-康铜热电偶康铜热电偶材料：材料：镍铬(+),考铜(-),分度号：E使用范围：使用范围：长期使用600,短期测量不超过800。特点：特点：灵敏度高；价格便宜。缺点：缺点：考铜合金丝易受氧化而变质；材质硬，不易得到均匀的线径。你现在浏览的是第三十页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术315.热电偶结构型式热电偶结构型式 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。a.普通型装配式结构b.柔性安装型铠装结构你现在浏览的是第三十一页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术32a.普通型装配式结构a)1-接线柱；接线柱；2-接线座；接线座；3-绝缘套管；绝缘套管；4-热电极热电极b)1-测量端；测量端；2-热电极；热电极；3-绝缘套管；绝缘套管；4-保护管；保护管；5-接线盒接线盒你现在浏览的是第三十二页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术33b.柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性测量端的热容量小，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。的测量场合，耐压、耐振、耐冲击。你现在浏览的是第三十三页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术346.热电偶的冷端处理和补偿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冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。你现在浏览的是第三十四页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术35a.a.补偿导线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。你现在浏览的是第三十五页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术36常用补偿导线热电偶名称及分度号补偿导线正极负极代号材料代号材料铂铑-铂（S）SPCCuSNCNiCu镍铬-镍硅（K）KPCCuKNC康铜镍铬-考铜（XK）NiCr考铜铜-康铜（T）TPXCuTNX康铜你现在浏览的是第三十六页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术37使用补偿导线时注意问题u补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）；u热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；u不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；u补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连。你现在浏览的是第三十七页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术38b.b.常用的几种冷端处理方法常用的几种冷端处理方法1).热电偶冷端温度恒温法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。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。你现在浏览的是第三十八页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术392).计算修正法计算修正法 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是在实际应用中，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。符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出，从分度表中查出E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。你现在浏览的是第三十九页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术403).冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法 利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿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热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。化值。你现在浏览的是第四十页，共47页材料学院 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。热阻式传感器热电阻热敏电阻线绕式热电阻薄膜式热电阻负温度系数正温度系数线性温度系数你现在浏览的是第四十一页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术421.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。你现在浏览的是第四十二页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术432.热敏电阻热敏电阻-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：据电阻与温度的关系分为三类：1.负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻，电阻随温度上升）热敏电阻，电阻随温度上升而下降；而下降；2.正温度系数（正温度系数（PTC）热敏电阻，电阻随温度上升）热敏电阻，电阻随温度上升而增加；而增加；3.线性热敏电阻线性热敏电阻(LTN)，电阻与温度成线性关系。，电阻与温度成线性关系。你现在浏览的是第四十三页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术441)负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻）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。RT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。你现在浏览的是第四十四页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术452)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你现在浏览的是第四十五页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术463)热敏电阻的特点（与金属电阻比较）1.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；2.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；3.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；4.在-50-350温度范围内，具有较好的稳定性。5.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。你现在浏览的是第四十六页，共47页材料学院 材料成型装备及控制技术474)热敏电阻的结构形式你现在浏览的是第四十七页，共47页