紅外熱成像方法對(duì)機(jī)加過程溫度的監(jiān)測(cè)

宗和厚，張偉斌，唐 興

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，綿陽 621900）

隨著紅外測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外熱成像儀作為一種先進(jìn)的測(cè)溫設(shè)備被越來越多的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域［1］。相對(duì)于熱電偶等傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)，紅外測(cè)溫具有非接觸全程測(cè)量，不破壞原有溫度場(chǎng)；反應(yīng)快，可實(shí)時(shí)測(cè)量；精度高，在一定條件下可分辨0.01℃的溫度差等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得其正逐漸被應(yīng)用于對(duì)測(cè)溫技術(shù)要求很高的傳熱科研實(shí)驗(yàn)中［2－3］。已經(jīng)有人采用紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行了探索［4－5］。但采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)有機(jī)材料機(jī)加過程中影響溫度變化的因素的研究還未見報(bào)道。在彈藥的精密加工過程中，工件和刀具的溫度變化往往會(huì)影響加工的精度，因此有必要了解機(jī)加過程中的溫度變化及受到的影響因素，筆者以炸藥代用料藥柱為機(jī)加對(duì)象，以高精度的SC3000型紅外熱像儀為檢測(cè)工具，探討炸藥機(jī)加過程溫度變化規(guī)律及其影響因素。

1 紅外熱成像測(cè)試原理

紅外熱成像無損檢測(cè)是根據(jù)熱輻射理論發(fā)展起來的技術(shù)。熱輻射理論是指：任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)從表面發(fā)出與溫度有關(guān)的熱輻射能。而根據(jù)斯蒂芬－玻爾茲曼定律，物體的紅外輻射能量值E與物體表面絕對(duì)溫度的4 次方和物體表面的輻射系數(shù)成正比：

式中：E為紅外輻射能量；ε為輻射系數(shù)；δ為斯蒂芬－玻爾茲曼定律；T為物體的絕對(duì)溫度。

所以，根據(jù)物體的紅外輻射，表面溫度與材料特性三者之間的內(nèi)在關(guān)系，借助紅外熱像儀將來自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，通過熱圖像特征和專用的Research軟件，可以直觀地了解物體表面溫度分布和分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)等。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)樣品：炸藥代用料DK46。試驗(yàn)設(shè)備：SC3000型紅外熱像儀。其成像類型為制冷型長(zhǎng)波量子阱紅外光電探測(cè)器，波長(zhǎng)范圍8～9μm，F(xiàn)PA 像素為320×240。

試驗(yàn)方法：樣品加工過程中，繞軸線以一定的速率旋轉(zhuǎn)，圓柱面在旋轉(zhuǎn)過程中保持相對(duì)靜止，將紅外熱像儀放置在正對(duì)樣品軸面約50cm 的距離，并仔細(xì)調(diào)節(jié)樣品與鏡頭的距離和角度，使成像盡可能清晰；觀察樣品在不同切削速率、切削進(jìn)深以及有孔洞缺陷等條件下紅外輻射溫度的變化情況。熱像儀在測(cè)量前調(diào)準(zhǔn)后，不再調(diào)節(jié)，以保持同一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)射率的確定采用對(duì)比法測(cè)定材料的輻射系數(shù)，即在樣品上貼上輻射系數(shù)（0.95）已知的黑膠帶，對(duì)樣品均勻加熱到高于環(huán)境溫度20℃以上并保持平衡，調(diào)節(jié)樣品的輻射系數(shù)直至樣品在該輻射系數(shù)下顯示的溫度與黑膠帶在輻射系數(shù)為0.95時(shí)所顯示的溫度相同為止。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)樣品進(jìn)行了切削進(jìn)深為2mm 和4mm 下不同轉(zhuǎn)速加工，分析不同轉(zhuǎn)速，進(jìn)深以及缺陷對(duì)工件溫度的影響。圖1 是樣品在進(jìn)深為2 mm，加工轉(zhuǎn)速分別為160，350，460，600，770，1 000r／min下拍攝的加工過程某一瞬間的紅外熱圖像；圖2是樣品進(jìn)深2mm，柱面軸線位置不同轉(zhuǎn)速下的溫度分布曲線；圖3是加工深度分別為2，4mm 時(shí)，不同持速下的溫度曲線；圖4是樣品進(jìn)深2mm，工件柱面有一個(gè)孔洞和沒有孔洞下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的溫度對(duì)比曲線。

從圖2～4可以看出：加工進(jìn)行時(shí)，與刀具接觸部位溫度升高均超過10 ℃以上，轉(zhuǎn)速越高溫升越高；加工結(jié)束刀具移開后，藥柱的溫度迅速降低直至常溫；在相同轉(zhuǎn)速條件下，加工深度越深，溫升越高；但轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)深的影響越來越小，在350r／min時(shí)最高溫度相差4.7℃，在1 000r／min時(shí)最高溫度差降低到3.9 ℃?？锥吹拇嬖趯?duì)工件的溫度有影響，首先是孔洞及其周圍的溫度相對(duì)其它等同位置溫度有所降低，其次是在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)深條件下，有孔洞的溫升幅度低于無孔洞的溫升幅度，這是由于孔洞位置沒有摩擦從而使溫度升高較慢。第三是加工過程中，刀具與炸藥接觸部位溫度最高，被加工過的位置的溫度隨著時(shí)間基本呈線性下降，而在離刀具越近的位置即使未被加工的位置的溫度也有所升高。

圖1 樣品在2mm 加工進(jìn)深，不同轉(zhuǎn)速下的紅外熱圖像

圖2 樣品在2mm 加工進(jìn)深，不同轉(zhuǎn)速下軸線對(duì)應(yīng)的溫度曲線

圖3 樣品在不同進(jìn)深，不同轉(zhuǎn)速下軸線對(duì)應(yīng)的溫度曲線

圖4 樣品2mm 加工進(jìn)深，藥柱有無孔洞缺陷時(shí)軸線對(duì)應(yīng)的溫度曲線

4 誤差分析

以上對(duì)炸藥待用料加工過程的溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以一定程度上用于分析過程中的溫度變化及其影響因素的規(guī)律，但紅外熱成像測(cè)量技術(shù)本身的測(cè)溫原理會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的誤差。物體的熱輻射通量取決于目標(biāo)的溫度及其表面發(fā)射率，而物體的發(fā)射系數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，與輻射體的材料性質(zhì)、表面狀況、溫度、波長(zhǎng)等因素有關(guān)。為了取得溫度分布的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，需要對(duì)物體的發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。事實(shí)上，由于物體的發(fā)射率是物體溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)物體存在著溫度分布時(shí)，其發(fā)射率也同樣存在著分布，但熱像儀卻只能根據(jù)給定的某一個(gè)發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，其準(zhǔn)確性受到限制。另外，輻射測(cè)溫的感受元件有其自身的光譜響應(yīng)，以及熱輻射經(jīng)大氣傳輸時(shí)的吸收、散射等因素都會(huì)對(duì)輻射測(cè)溫的精度有影響。

從上面的討論中，可以得出測(cè)量的誤差來源于三個(gè)方面：①發(fā)射率不能精確確定。筆者采用對(duì)比法測(cè)試工件的發(fā)生率，使溫度檢測(cè)結(jié)果更接近真實(shí)值。②目標(biāo)輻射經(jīng)過大氣時(shí)的吸收、散射。當(dāng)測(cè)試距離較大或環(huán)境空氣的濕度較大時(shí)，應(yīng)作一定的補(bǔ)償。③物體所反射的環(huán)境輻射。當(dāng)物體本身輻射較小而環(huán)境輻射較大時(shí)，可能產(chǎn)生較大的誤差，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量避開或消除環(huán)境輻射的影響。

5 結(jié)論

采用紅外熱成像方法對(duì)炸藥代用料的機(jī)加過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了不同切削速率切削進(jìn)深以及有無孔洞缺陷等因素對(duì)工件溫升的影響規(guī)律：轉(zhuǎn)速增大，溫度最高值越高；相同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)深越大溫度越高，但轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)深的影響越來越小；孔洞缺陷的存在使摩擦減小，工件溫度有所降低。試驗(yàn)表明：紅外熱成像技術(shù)可以用于炸藥材料機(jī)加過程的在線檢測(cè)，并能定性和定量提供樣品的溫度變化信息，可為加工過程的安全性提供支撐。

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