材料热处理表面温度实时监测系统.pdf

本发明公开一种材料表面温度实时监测系统，其包括：传感器触发装置(10、100)，机械连接和传动机构(20)，以及热电偶探头装置(30)。这种材料热处理表面温度实时监测系统是通过利用传感器触发装置以及随被处理材料表面加热区一起移动的机械连接和传动机构(20)，并结合热电偶测温技术实现材料热处理工艺中表面温度场的特定部位的实时监测。该监测系统结构简单、制造成本低、测试精度高、响应时间短、可重复使用，并且适用于多种形状工件场合。该监测系统还可实现表面温度的多次或连续测试实验。

1、  一种材料热处理表面温度实时监测系统，包括热电偶，其特征在于，还包括：
传感器触发装置；
机械连接和传动机构(20)，其包括一底盘(200)，在底盘(200)上固定有两个平行支杆(201)，而两个支杆(201)上分别安装了一悬臂梁(202、203)、横梁(204)，在所述底盘(200)底部上还设有行走机构，所述悬臂梁(202、203)通过轴承(206、207)支撑一转轴(208)，所述横梁(204)也通过轴承(209、209’)支撑一转轴(210)，两个连杆(211、212)分别固定在所述转轴(208)上，一连杆(213)的一端固定在悬臂梁(203)上，而其另一端通过销钉(217)与一曲柄(218)连接，位于所述连杆(211)上的滑块(214)与又一连杆(215)的一端连接，而所述连杆(215)的另一端紧固在所述转轴(210)上，所述连杆(212)上固定有一悬臂梁(216)，其悬臂端上接有两个弹簧(219、220)，其中一个弹簧(219)的另一端水平地连接在所述支杆(201)上，而另一弹簧(220)的另一端则接在所述悬臂梁(202)的端头，热电偶探头支架(221)紧固在所述转轴(210)上；以及，
热电偶探头装置(30)，其包括陶瓷空心管(301)、聚四氟包皮(302)、热电偶探头(303)、热电偶丝(304)以及引线(305)，其中所述热电偶丝(304)位于所述热电偶探头(303)中心，而所述聚四氟包皮(302)包在所述热电偶探头(303)外圆周上，并且与所述热电偶探头(303)一起设置在所述陶瓷空心管(301)中。

2、  如权利要求1所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，所述传感器触发装置为机械传感器触发装置(10)，其包括一机械触发探针(11)。

3、  如权利要求1所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，所述传感器触发装置为电子传感器触发装置(100)，其由继电器(101)、触发电路(102)以及线位开关(103)组成，其中限位开关(103)经由触发电路(102)与继电器(101)相联接，并且限位开关(103)和触发电路(102)相对于被处理样品静止不动，而继电器(101)随被处理样品一起运动。

4、  如权利要求3所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，所述触发电路(102)包括：电源(1021)、放大器(1022)、定时器(1023)和显示器(1024)等元件，其中，各部分之间通过导线相联。

5、  如权利要求1所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，可任意调节所述热电偶探头支架(221)在所述转轴(210)轴线方向上的位置，并可任意调节所述转轴(210)与所述连杆(215)之间的夹角。

6、  如权利要求1所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，所述转轴(210)上可固定多个热电偶探头支架(221)。

7、  如权利要求1所述的材料热处理表面温度实时监测系统，其特征在于，所述热电偶探头支架(221)上可安装多个热电偶探头(303)。

材料热处理表面温度实时监测系统
技术领域
本发明涉及一种材料表面热处理工艺中的材料表面温度实时监测系统，特别是一种利用激光、等离子体等高能束流对材料表面进行热处理时材料表面温度实时监测系统。
背景技术
高能束流材料表面热处理工艺是指利用激光、等离子体射流等高能量密度和高热流密度的能量束源对金属材料表面进行急速加热至被处理金属材料的相变点或熔点以上，再通过辐射、对流、热传导等现象使金属材料温度以急冷或缓冷等不同冷却速度降至常温，使材料相结构和硬度等性能发生变化的过程。目前，应用较广、技术发展较成熟的相关工艺有转移弧等离子体材料表面熔凝和堆焊热处理工艺、非转移弧等离子体热处理工艺、激光材料表面熔凝和熔敷热处理工艺以及近期刚刚起步的非转移弧层流等离子体射流熔凝和熔敷材料表面改性工艺等。
通常，在材料表面改性工艺过程中，材料表面加热温度随时间的变化和随空间的分布规律对材料表面改性效果的影响是至关重要的。因此，对材料热处理过程中温度变化规律的定性了解和定量认识对工艺过程及热处理后材料性能控制有着重要意义。
目前，材料热处理工艺中广泛采用的温度测试方法是红外测温和热电偶测温技术。但是，红外测温技术的缺点是红外线受光强度影响较大。因此，当应用在等离子态材料表面改性工艺中时，由于等离子体射流会产生高强度光，所以测试结果误差较大，尤其不适用于加热区域附近材料表面温度的实时监测。
而热电偶测温技术虽然不存在上述缺点，但常用热电偶测温技术通常采用的是间接测量方法，即测试距热源影响区有一定距离的区域的温度，再通过换算推导出热源邻近区域的温度。这样，不仅测试结果误差较大，而且无法直接测试热源邻近区域的材料表面温度。近期研发的热电偶测温技术是采用薄膜沉积方法将热电偶探头埋在材料表层的陶瓷薄膜下面并紧贴在材料表层上。当热源扫过材料表面时热电偶探头即可监测到热源邻近区域的温度。但是，不足之处是使用时不能够根据测温点的位置而灵活调整测温探头，实现温度的实时监测。另外，这种热电偶测温技术还存在制作成本高、操作工序烦琐和重复使用性差等缺点。
此外，在材料热处理过程中，尽管材料表面温度可以被急速加热至其熔点，但当受热材料离开热源影响区后，材料表面温度可能在几微秒至毫秒内迅速降低千度左右。对这一时段材料表面温度变化信息的了解和认识直接影响着处理后材料性能的改进和工艺过程的控制。但是，现有测温方法尚无法对这一时段和区域的温度进行精确监测。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种材料热处理表面温度实时监测系统，该监测系统能够实时监测热处理过程中材料表面温度，并且测试精度高、响应时间短，可适用于多种形状的工件。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种材料热处理表面温度实时监测系统，该监测系统包括：传感器触发装置；机械连接和传动机构，其包括一底盘，在底盘上固定有两个平行支杆，而两个支杆上分别安装了一悬臂梁、横梁，在所述底盘底部上还设有行走机构，所述悬臂梁通过轴承支撑一转轴，所述横梁也通过轴承支撑一转轴，两个连杆分别固定在所述转轴上，一连杆的一端固定在悬臂梁上，而其另一端通过销钉与一曲柄连接，位于所述连杆上的滑块与又一连杆的一端连接，而所述连杆的另一端紧固在所述转轴上，所述连杆上固定有一悬臂梁，其悬臂端上接有两个弹簧，其中一个弹簧的另一端水平地连接在所述支杆上，而另一弹簧的另一端则接在所述悬臂梁的端头，热电偶探头支架紧固在所述转轴上；以及热电偶探头装置，其包括陶瓷空心管、聚四氟包皮、热电偶探头、热电偶丝以及引线，其中所述热电偶丝位于所述热电偶探头中心，而所述聚四氟包皮包在所述热电偶探头外圆周上，并且与所述热电偶探头一起设置在所述陶瓷空心管中。
上述方案中，所述传感器触发装置可以是机械传感器触发装置，其包括一机械触发探针。
上述方案中，所述传感器触发装置可以是电子传感器触发装置，其由继电器、触发电路以及限位开关组成，其中限位开关经由触发电路与继电器相联接，并且限位开关和触发电路相对于被处理样品静止不动，而继电器随被处理样品一起运动。
上述方案中，所述触发电路包括：电源、放大器、定时器和显示器等元件，其中，各部分之间通过导线相联。
上述方案中，可任意调节所述热电偶探头支架在所述转轴轴线方向上的位置，并可任意调节所述转轴与所述连杆之间的夹角。
上述方案中，所述转轴上可固定多个热电偶探头支架。
上述方案中，所述热电偶探头支架上可安装多个热电偶探头。
综上所述，本发明材料热处理表面温度实时监测系统是通过利用传感器触发装置以及随被处理材料表面加热区一起移动的机械连接和传动机构，并结合热电偶测温技术实现材料热处理工艺中表面温度场的特定部位的实时监测。该监测系统结构简单、制造成本低、测试精度高、响应时间短、可重复使用，并且适用于多种形状工件场合，并可实现表面温度的多次或连续测试实验。
附图说明
图1是本发明的表面温度实时监测系统组成框图；
图2是本发明的表面温度实时监测系统的主视图；
图3是图2中表面温度实时监测系统的侧视图；
图4是本发明表面温度实时监测系统中的热电偶探头装置的结构示意图；
图5是本发明表面温度实时监测系统的热电偶探头支架变型的示意图；
图6是本发明表面温度实时监测系统的电子传感器触发装置的示意图；
图7是本发明表面温度实时监测系统中的触发电路的示意图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明材料热处理表面温度实时监测系统的优选实施例。
如图1所示，本发明提供的材料热处理表面温度实时监测系统包括：机械传感器触发装置10、机械连接和传动机构20、以及热电偶探头装置30。机械连接和传动机构20是连接机械传感器触发装置10和热电偶测温探头装置30的中间环节。在测温过程中，当机械传感器触发装置10被触发后，其响应通过机械连接和传动机构20传输给热电偶测温探头装置30，引起探头装置30与热处理材料表面迅速接触和分离，监测热处理过程中的材料的表面温度。
现在，参照图2和图3描述机械连接和传动机构20的结构，如图2所示，在底盘200上固定了两个平行支杆201，而两个支杆201上分别安装有悬臂梁202、203、横梁204以及被处理材料样品205，这里所述的固定或连接方式为螺栓连接，但本发明不仅限于此，还可以利用其他任何本领域技术人员所熟知的固定方式。另外，在底盘200底部上还设有行走机构，例如若干个车轮，这样整个材料热处理表面温度实时监测系统可沿图2中实心箭头222所示的方向运动。悬臂梁202、203通过轴承206和207支撑转轴208，横梁204通过轴承209和209’支撑转轴210；连杆211、212固定在转轴208上，并且连杆211、212与转轴208之间没有相对运动；连杆213的一端通过连接螺栓或者其他连接方式固定在悬臂梁203上，而其另一端通过销钉217与曲柄218连接，当实时监测系统沿上述方向运动时，固定在实时监测系统以外的适当位置处的机械触发探针11可将曲柄218推起，其中，机械触发探针11为一金属杆件或其他硬质材料制成的杆状物。另外，位于连杆211上的滑块214与连杆215的一端连接，而连杆215的另一端紧固在转轴210上，并且与转轴210之间没有相对运动；连杆212上通过连接螺栓固定一悬臂梁216，此悬臂梁216的悬臂端上接有弹簧219、220，弹簧219的另一端水平地连接在支杆201上，而弹簧220的另一端则接在悬臂梁202的端头(见图3)。用于承载热电偶探头303的热电偶探头支架221被紧固在转轴210上，当转轴210转动时，会带动支架221绕转轴210回转，从而使安装在支架221上的热电偶探头装置30接触被处理材料表面，以进一步实时监测被处理材料的表面温度。
在本发明温度实时监测系统中，机械连接和传动机构20的各部分之间是通过铰链、万向节和弹簧等元件连接，并且各部分之间地相对位置可以针对被处理材料样品的不同形状具体安置，灵活调节。这样大大增加了本发明监测系统的应用范围和操作性。
其中，机械触发探针11与曲柄218构成了本实时监测系统的机械传感器触发装置10。
下面参照图4详细描述本实时检测系统的热电偶探头装置30的结构。如图所示，热电偶探头装置30由单孔或双孔陶瓷空心管301、聚四氟包皮302、热电偶探头303、热电偶丝304以及引线305组成。其中，热电偶丝304位于热电偶探头303中心，而聚四氟包皮302包在热电偶探头303外圆周上，并且与热电偶探头303一起设置在陶瓷空心管301中。热电偶探头303是收集材料表面温度信息的关键元件，实际测温时探头303与被测材料表面直接接触，而且接触后与被测温材料表面不再分离。聚四氟材料具有耐高温特性，实际测温中一旦热电偶探头303与材料表面接触上，聚四氟包皮302即在极短的时间内与材料表面接触紧密接触并形成一圆筒状屏障，从而隔绝沿被处理材料表面流动的来自激光和等离子态射流等热源的热量流向热电偶探头303，以免使热电偶探头303直接与热源接触，承受其可承受的最大温度值，使探头损坏。同时陶瓷管301和聚四氟包皮302起对热电偶丝304及引线305的热保护作用，防止测温过程中高温热源将其烧坏。此外，聚四氟包皮302还能够减缓热电偶探头303与材料样品表面接触时发生的冲击。
下面参照图2和图3详细描述本发明材料热处理表面温度实时监测系统的操作过程。如图2所示，首先对机械传感器触发装置10进行预先调节，使机械触发销钉11固定不动。当样品随本发明温度实时监测系统一起沿箭头222方向移动到预先位置时，触发销钉11启动触发装置10，即在预先设定位置处，机械触发探针11与曲柄218接触，并推起曲柄218，使曲柄218与连杆212分离。当曲柄218与连杆212分离后，弹簧219开始收缩，并拉动连杆212，如图3所示。连杆212进一步带动转轴208绕其轴线转动，使得与连杆212同轴固定的连杆211绕转轴208向下摆动，以致带动连杆215向下摆动，进而带动转轴210绕其轴线转动，转轴210又带动连杆215转动，从而使转轴210上固定的热电偶探头支架221也饶转轴210转动，并使支架221上的热电偶探头303与被处理材料表面接触，实现材料表面温度的实时监测。
在测温前弹簧219预先拉紧，而弹簧220基本处于自然状态。在测温过程中弹簧219和220均处于拉紧状态。两弹簧的长度、弹性和刚度需根据实际应用情况合理选取。弹簧219的弹力应大于弹簧220的弹力，这样才能确保热电偶探头303与被处理材料表面密切接触。弹簧219的作用是拉动连杆212运动，从而带动整个实时监测系统运动，而弹簧220的作用是在热电偶探头303接触被测表面时，对连杆212施加反向拉力，从而减缓热电偶探头303对材料表面的冲击力，使热电偶探头303与被处理材料表面平稳接触，实现温度监测。
其中，紧固在转轴210上的热电偶探头支架221的位置可沿该轴轴线方向任意调节，并且转轴210与连杆215之间的夹角也可任意调节，这样就能够确保热电偶探头303与被处理材料表面以任意角度接触，从而实现不同方位材料表面处理的温度监测。
对于小尺寸材料样品，处理时样品可以直接固定在底盘200或支杆201上，图2和3所示；对于大尺寸样品，可将该温度实时监测系统安装在被测样品上进行温度监测，例如通过磁性构件将整个监测系统吸附在样品表面上。
对于不同形状的热源，或不同形状的加热区域，可以选择具有相应形状的热电偶探头支架221进行温度监测，如图5所示，以便提高温度测试结果精度。
另外，如果在每个热电偶探头支架221上安装多个热电偶探头303，就可以实现非均匀热源邻近区域沿材料表面分布的温度梯度的测试。如果在转轴210上多固定几个热电偶探头支架221，就可以实现大范围材料表面温度梯度和温度随时间变化率的测试。
热电偶探头303的一个突出优点的测温范围广，而且其仅与热电偶探头303本身的性能有关。目前常用热电偶探头的最高温度为1000-1100℃，本发明温度实时监测系统所使用的热电偶探头303的测温结果也接近该值。如果热电偶探头技术得到改进，测温最高值得到提高，则本发明系统的测温范围也可随之扩大，即在其他构成部分无须改进的情况下，只须更换新型热电偶探头就可实现整个系统的使用范围拓展。因此，本发明温度实时监测系统的一大优点在于具有进一步监测高温和拓展测温范围的开发潜力。
综上所述，本发明的材料热处理表面温度实时监测系统是通过利用机械传感器触发装置10以及随被处理材料表面加热区一起移动的机械连接和传动机构20，并结合热电偶测温技术实现材料热处理工艺中表面温度场的特定部位的实时监测。该监测系统结构简单、制造成本低、测试精度高、响应时间短、可重复使用，并且适用于多种形状工件场合。另外，该监测系统主要适用于单次或不连续温度测试，测试过程中需要通过预备实验预先人为选择开始或结束测温的时刻。
下面详细描述本发明上述实施例的一个变型。在本发明上述实施例中，机械传感器触发装置10可用电子传感器触发装置100代替，其余结构与上述实施例完全相同。即本发明材料热处理表面温度实时监测系统包括电子传感器触发装置100、机械连接和传动机构20、以及热电偶探头装置30。
电子传感器触发装置100由继电器101、触发电路102以及线位开关103组成，如图6所示，其中限位开关103与触发电路102相联接，触发电路102与继电器101相联接；而继电器101与连杆212相邻。并且限位开关103和触发电路102相对于被处理样品静止不动，而继电器101随被处理样品一起运动。
触发电路102包括：电源1021、放大器1022、定时器1023和显示器1024等元件，如图7所示，其中，各部分之间通过导线相联。定时器1023可在电源1021接通前根据需要设定继电器101的再启动时刻。放大器1022用来将电源1021的电压变成继电器101、定时器1023和显示器1024等元件工作时所需要的电压。
在本发明温度实时监测系统进行温度监测之前，预先接通电源使继电器101断电并与连杆212成为闭合状态。为了增强两者间的结合，连杆212与继电器101的直接接触部位可以制作成圆形或正方形等适宜形状以增大它们之间的结合面积。
在测温过程中，本发明温度实时监测系统在移动过程中与线位开关103接触，并切断电源，从而继电器101磁浮部分失去磁性，与连杆212分离。预紧弹簧219、220开始起作用，整个机械连接和传动机构20开始工作，使热电偶探头303与热处理材料表面密切接触，实现测温，其具体过程与上述采用机械传感器触发装置10类似，在此不再赘述。但是，采用电子传感器触发装置10可以进行材料表面温度的连续监测。即，当到达定时器1023预先设定的停止测温时刻时，触发电路102自动接通，继电器101磁流线圈中的电流在磁浮体上产生足够强的磁场，吸引机械连接和传动机构20的触发杆212，使热电偶探头与热处理材料表面分离停止测温。当到达定时器1023预先设定的开始测温时刻时，电路自动断开，又开始测温。这样就实现了连续测温。
与采用机械传感器触发装置不同，电子传感器触发装置采用的是电子开关，配有简单电路和磁浮机构(继电器)。操作简单快捷，自动化程度高，被测点定位准，系统响应快。相应地，采用电子传感器触发装置的表面温度实时监测系统不仅测试精度高，响应时间短，而且可实现多次或连续测试实验。