材料成型裝備控制技術(shù)

材料成型裝備控制技術(shù)第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

2目錄第一章緒論第二章材料成型過程中的檢測技術(shù)第三章

材料成型裝備常用的執(zhí)行裝置第四章PID控制技術(shù)第五章

材料成型裝備計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第六章材料成型過程中的電加熱裝置及控制第七章材料連接成型設(shè)備及控制技術(shù)第八章鑄造成型裝備及控制技術(shù)第九章塑性成型設(shè)備及控制技術(shù)第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

3第二章材料成型過程中的檢測技術(shù)

材料成形過程裝備的控制、成形質(zhì)量的控制涉及一些過程參數(shù)的檢測和控制，如焊接電流、電弧電壓等電量的檢測和控制，溫度、位移、速度、壓力、焊縫熔深、焊縫寬度等非電量的檢測與控制。本章主要針對材料成形裝備及材料成形過程控制參數(shù)，介紹這些參數(shù)的檢測技術(shù)。第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

42.1概述溫度控制：溫度的檢測。位置控制：位移、角度、高度等的檢測。速度控制：位移量檢測流量控制：流量和流速檢測。恒流控制：電流檢測。恒壓控制：電壓檢測。力的控制：應(yīng)力和應(yīng)變的檢測、變形的檢測。稱重控制：質(zhì)量的檢測。第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

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一、測量

測量是以確定量值為目的的一系列操作。所以測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較,確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。它可由下式表示：

式中： x—被測量值;

u—標(biāo)準(zhǔn)量,即測量單位;

n—比值（純數(shù)）,含有測量誤差?；虻谖屙?，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

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由測量所獲得的被測的量值叫測量結(jié)果。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：比值和測量單位。確切地講，測量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。 實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對不同測量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實(shí)可行的測量方法，對測量工作是十分重要的。 測量過程就是傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量的量值。第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

7二、傳感器

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。物理量電量傳感器

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

8三、傳感器的組成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。V第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

92.2溫度的測量材料加工離不開溫度的測量和控制：塑性變形：溫擠、鍛壓、成型，金屬加熱降低變形抗力，有利于成型及質(zhì)量控制。鑄造：金屬的熔化等。焊接：金屬的熔化、焊接結(jié)構(gòu)變形控制、擴(kuò)散焊接等。焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終，一切焊接的物理化學(xué)過程都是在熱過程中發(fā)生和發(fā)展的。溫度的準(zhǔn)確測量是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變分析和對焊接過程進(jìn)行控制的前提。第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

10一、溫度及溫度測量的基本知識溫標(biāo)：表示物體溫度高低的尺度，是溫度量值的表示法。只有確定了溫標(biāo)，溫度測量才有實(shí)際意義。用來衡量物體溫度的標(biāo)尺稱為“溫度標(biāo)尺”，簡稱“溫標(biāo)”。溫標(biāo)的確定：首先應(yīng)規(guī)定一系列恒定的溫度作為固定點(diǎn)。通常用純物質(zhì)的三相點(diǎn)（沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)）作為溫度計(jì)量的固定點(diǎn)，并賦予固定點(diǎn)一個確定的溫度。由固定點(diǎn)、測溫儀器以及內(nèi)插公式構(gòu)成了溫標(biāo)的主要內(nèi)容。目前，在國際上廣泛應(yīng)用的有三種溫標(biāo)，即攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和國際溫標(biāo)。第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

111.常用溫標(biāo)華氏溫標(biāo)：1706年DanilFahrenheit提出以水和氯化銨融體為“32”。正常人體溫為“96”，后改為冰水融體為“32”，水的沸點(diǎn)為“212”，中間等分為180份，每份為1度，以℉表示。攝氏溫標(biāo)：1742年AndersCelsius提出采用水銀溫度計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水純的冰點(diǎn)為“0”，水的沸點(diǎn)為“100”，中間等分為100份，每份為1度，以℃表示。熱力學(xué)溫標(biāo)：Kelvin提根據(jù)卡諾原理提出了熱力學(xué)溫標(biāo)，以K表示。國際溫標(biāo)：國際實(shí)用溫標(biāo)有兩種溫度，國際實(shí)用開爾文溫度和國際實(shí)用攝氏溫度。國際溫標(biāo)是以水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以11個固定的平衡狀態(tài)溫度為基準(zhǔn)而設(shè)立的。各溫域的分度均有相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式。第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

122.溫度的檢測元件熱電偶熱電阻及熱敏電阻紅外輻射測溫等第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

133.溫度的測量方法溫度檢測方法根據(jù)敏感元件和被測介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式與非接觸式兩大類。前者測溫傳感元件直接放在被測溫度場中，后者測溫傳感元件完全不與被測溫度場接觸。兩者的比較如下：第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

14必要條件接觸式感溫元件必須與被測物體相接觸，或感溫元件與被測物體雖然接觸，但后者的溫度不變非接觸式感溫元件能接收到被測物體的輻射能特點(diǎn)不適宜熱容量小的物體的溫度測量，不適宜動態(tài)溫度測量；便于多點(diǎn)、集中測量和自動控制被測物體溫度不變；適宜于動態(tài)溫度測量；適宜表面溫度測量測量范圍適宜于2000℃以下的溫度測量適宜于高溫測量測溫精度測量范圍1％左右一般在10℃左右滯后較大較小第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

15二、熱電偶（Thermocouples）熱電偶測溫是目前溫度測量中應(yīng)用極為廣泛的一種溫度測量系統(tǒng)。其工作原理是源于物體的熱電效應(yīng)（SeebeckEffect）。第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

161.熱電效應(yīng)1821年德國物理學(xué)家T.J.Seebeck發(fā)現(xiàn)將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢的大小由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定。第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

17a.接觸電勢K-玻耳茲曼常數(shù)；e-電子電荷量；T-接觸處的溫度；NA，NB

-分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。B自由電子擴(kuò)散EAB接觸電勢的形成過程N(yùn)ANBNBNA第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

18b.溫差電勢（湯姆遜電勢）δ-湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生 的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

19c.熱電偶回路的總熱電勢第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

20d.結(jié)論熱電極A和B為同一種材料時，即NA=NB，δA=δB，則有，EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0，則有，EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個條件：兩種不同的金屬材料組成熱電偶；它的兩端存在溫差。第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

21d.結(jié)論（續(xù)）熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)冷端溫度T0恒定（如T0=0℃）時，E與T之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T。熱電偶熱電勢的大小，只與導(dǎo)體A和B的材料以及冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

222.熱電偶的基本定律a.均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何不均勻，產(chǎn)生的熱電動勢不變。

如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電偶材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。TT0第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

23b.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)。第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

24c.中間溫度定律

兩種均質(zhì)導(dǎo)體A,B組成熱電偶，當(dāng)其兩接點(diǎn)處在溫度T和Tn時，產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(T,Tn)而當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度處在Tn和T0時產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(Tn,T0)，則此熱電偶處在溫度T和T0兩接點(diǎn)的熱電動勢EAB(T,T0)應(yīng)為：第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

253.熱電偶的分類按熱電偶材料難熔金屬熱電偶貴重金屬熱電偶廉金屬熱電偶鎢錸5-鎢錸26（WRe5-WRe26）鉑銠10-鉑，銥銠-銥鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-考銅按測溫范圍高溫?zé)犭娕贾袦責(zé)犭娕嫉蜏責(zé)犭娕兼u錸5-鎢錸26，鉑銠30-鉑銠6鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-考銅銅-康銅，鎳鉻-鐵金0.03按封裝形式普通熱電偶鎧裝熱電偶薄膜熱電偶表面熱電偶按標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶K，S，B…鎳鉬石墨-碳化硅第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

264.ITS-90標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電偶名稱分度號新熱電極識別E(100,0)(mV)測溫范圍（℃）允許偏差極性識別長期短期使用溫度允差

鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%

鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%

鉑銠30-鉑銠10B正較硬0.0330~16001800600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%

鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300±2.5℃負(fù)稍親磁±1.5%

鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300±2.5℃或±0.75%負(fù)稍親磁

鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850-40~900±2.5℃或±0.75%負(fù)亮黃

銅-康銅T正紅色4.279-200~350400±1℃負(fù)銀白色

鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750-40~750±2.5℃或±0.75%負(fù)不親磁第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

27a.鉑銠-鉑熱電偶材料：Pt90%(+),Pt(100%)(-),分度號：S使用范圍：<1300℃,可長期使用，在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600℃高溫。特點(diǎn)：線性度一般；熱電偶的復(fù)制精度和測量精度較高，可用于精密測量和作標(biāo)準(zhǔn)電偶；在氧化性和中性介質(zhì)中物理化學(xué)穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：靈敏度相對較低；熱電勢值較小。第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

28b.鉑銠30-鉑銠6（雙鉑銠）熱電偶材料：Pt70Rh30(+),Pt94Rh6(-),分度號：B使用范圍：1600℃以下可長期使用，短期測量可達(dá)1800℃高溫。特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，精度高，適用于氧化性和中性介質(zhì)；熱電勢值小，由于低溫度時電勢值小，因此冷端在40℃以下，對熱電勢值不必修正。缺點(diǎn)：價格貴第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

29c.鎳鉻-鎳硅熱電偶材料：NiCr(+),NiSi(-),分度號：K使用范圍：可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測量900℃以下溫度。特點(diǎn)：化學(xué)熱穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長時間使用；還原性介質(zhì)中很快地受到腐蝕；線性最好，且復(fù)制性能好，產(chǎn)生的電勢值高，價格便宜；測溫精度不高，但能夠滿足工業(yè)測量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。缺點(diǎn)：測量精度相對較低。第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

30d.鎳鉻-康銅熱電偶材料：鎳鉻(+),考銅(-),分度號：E使用范圍：長期使用<600℃,短期測量不超過800℃。特點(diǎn)：靈敏度高；價格便宜。缺點(diǎn)：考銅合金絲易受氧化而變質(zhì)；材質(zhì)硬，不易得到均勻的線徑。第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

315.

熱電偶結(jié)構(gòu)型式

為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護(hù)套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護(hù)套管也是必不可少的。普通型裝配式結(jié)構(gòu)柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

32a.普通型裝配式結(jié)構(gòu)1-接線柱；2-接線座；3-絕緣套管；4-熱電極1-測量端；2-熱電極；3-絕緣套管；4-保護(hù)管；5-接線盒第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

33b.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)

測量端的熱容量小，響應(yīng)速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊。第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

346.熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償

熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端的溫度有關(guān)，而且也與冷端的溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償:

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

35a.補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長型和補(bǔ)償型兩種延長形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同。補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同。第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

36常用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶名稱及分度號補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極代號材料代號材料鉑銠-鉑（S）SPCCuSNCNiCu鎳鉻-鎳硅（K）KPCCuKNC康銅鎳鉻-考銅（XK）NiCr考銅銅-康銅（T）TPXCuTNX康銅第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

37使用補(bǔ)償導(dǎo)線時注意問題補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0~100℃）；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個接點(diǎn)處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連。第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

38b.常用的幾種冷端處理方法1).熱電偶冷端溫度恒溫法

適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

392).計(jì)算修正法

在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計(jì)測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測溫度值。第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

403).冷端補(bǔ)償電橋法

利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

41三、熱阻式傳感器熱阻式傳感器的工作原理是利用了導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)。構(gòu)成熱敏式傳感器的測溫元件，有金屬熱電阻及半導(dǎo)體熱敏電阻。熱阻式傳感器熱電阻熱敏電阻線繞式熱電阻薄膜式熱電阻負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)線性溫度系數(shù)第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

421.熱電阻-RTD

從物理學(xué)可知，一般金屬導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)，電阻率隨著溫度的上升而增加，電阻與溫度的關(guān)系為

Rt=R0(1+At+Bt2+…)式中，R0和Rt分別為0°C和t°C時的電阻值；A和B為常數(shù)。常用的標(biāo)準(zhǔn)化測溫電阻有鉑電阻(Pt100)、銅電阻(Cu50)等。銅電阻的線性很好，但測量范圍不寬，一般為0-150℃。鉑電阻的線性稍差，但其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，測量溫度高，測溫范圍寬，因而應(yīng)用廣泛。