鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)

王萌萌，郝曉劍，周漢昌

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)

王萌萌，郝曉劍，周漢昌

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

該文介紹一種基于比色測(cè)溫法的鎂及鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)，提出以鎂燃燒時(shí)輻射量突變點(diǎn)為鎂及鎂合金燃點(diǎn)的測(cè)試方法并以之設(shè)計(jì)燃點(diǎn)定位程序，該系統(tǒng)由物鏡、場(chǎng)鏡、濾光片、四象限探測(cè)器、單片機(jī)以及液晶屏組成，系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地定位并計(jì)算鎂及鎂合金起燃時(shí)的溫度，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試程序，可以為鎂合金阻燃技術(shù)提供可靠數(shù)據(jù)。用該系統(tǒng)對(duì)純鎂、AZ80、AZ80+Nd 3種鎂合金進(jìn)行燃點(diǎn)測(cè)試并與紅外測(cè)溫儀(OS4000)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，并計(jì)算其比對(duì)試驗(yàn)差異值，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)燃點(diǎn)定位精度達(dá)到0.01℃，3種鎂合金比對(duì)試驗(yàn)差異值分別為0.75，0.99，0.95，測(cè)試結(jié)果與紅外測(cè)溫儀測(cè)試結(jié)果無(wú)顯著差異，系統(tǒng)多次測(cè)試不確定度優(yōu)于紅外測(cè)溫儀。

燃點(diǎn)定位;鎂合金;比色測(cè)溫法;四象限探測(cè)器;單片機(jī)

0 引言

鎂合金材料因其低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、易加工、易回收等特點(diǎn)，在汽車(chē)制造，電子通信，航空航天等領(lǐng)域被廣泛使用，然而鎂合金活潑的化學(xué)性質(zhì)卻嚴(yán)重制約著其應(yīng)用潛力［1－3］。為了最大限度開(kāi)發(fā)鎂合金的潛力，鎂合金阻燃技術(shù)［4－5］應(yīng)運(yùn)而生，判定阻燃技術(shù)的優(yōu)劣，鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試方法也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

傳統(tǒng)鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試方法包括熱電偶測(cè)試［6］和紅外測(cè)試［7］，其共同的弊端在于燃點(diǎn)定位不準(zhǔn)確，均靠人眼判斷鎂合金何時(shí)起燃，燃點(diǎn)測(cè)試相對(duì)準(zhǔn)確的恒溫爐測(cè)試［8］法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，恒溫爐的溫度上升梯度及其恒溫性能優(yōu)劣也會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)很大的不確定性。鑒于鎂合金燃燒時(shí)輻射量突變這一事實(shí)，利用比色測(cè)溫法［9］定位并計(jì)算鎂合金燃點(diǎn)，不僅理論上直觀可行，而且實(shí)驗(yàn)中也取得了良好的結(jié)果。

1 比色測(cè)溫原理

光電探測(cè)器將接收到的兩個(gè)不同波段范圍內(nèi)的輻射能量轉(zhuǎn)化為光電流輸出，因此兩波段的輻射能量可以輕易測(cè)得，并且可以計(jì)算其比值(Planck定律)［10－12］:

式中:R(T)——物體在不同兩波段的輻射能量比值;

I1(T)、I2(T)——光電探測(cè)器兩路光電流;

Δλ——濾光片的帶寬;

S(λ)、Ψ(λ)、τ(λ)——波長(zhǎng)為λ時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)光譜透過(guò)率、窄帶干涉濾光片光譜透過(guò)率、二象限探測(cè)器響應(yīng)函數(shù);

C1，C2——第一第二普朗克常數(shù)。

因兩個(gè)濾光片所選擇的波段相近，顧不考慮發(fā)射率的影響，則

是一個(gè)常數(shù)，設(shè)

并對(duì)式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化取對(duì)數(shù)處理得到:

其中A，B是與所選用濾光片透過(guò)波長(zhǎng)以及半峰值全寬相關(guān)的常量，K是與光譜發(fā)射率相關(guān)的常量，可根據(jù)公式(5)對(duì)比色溫度T進(jìn)行修正，以求得真實(shí)溫度Tt:

2 鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)由物鏡，場(chǎng)鏡，濾光片，四象限探測(cè)器，信號(hào)調(diào)理電路，K60單片機(jī)及3.2英寸(1英寸=0.025 m)TFT觸摸顯示屏組成(如圖1所示)。物鏡場(chǎng)鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)可以有效提高測(cè)試系統(tǒng)探測(cè)范圍以及探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度。為了滿足測(cè)試系統(tǒng)小型化的要求，本系統(tǒng)采用了4元光電二極管陣列，并將其一、四象限，二、三象限分別并聯(lián)輸出以增大輸出信號(hào)，降低噪聲，加快探測(cè)器響應(yīng)速度，由USB4000微型光纖光譜儀對(duì)鎂燃燒產(chǎn)生的光譜分析可知鎂燃燒輻射強(qiáng)度最大的光譜在600 nm附近，結(jié)合光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性，選擇濾光片峰值波長(zhǎng)為572 nm和615 nm［13］，并由此確定式(4)中A=1.437，B=1759。利用K60單片機(jī)對(duì)放大電路輸出電壓實(shí)時(shí)采樣，進(jìn)行燃點(diǎn)定位和溫度計(jì)算，并且驅(qū)動(dòng)觸摸顯示屏顯示燃點(diǎn)溫度。

圖1 鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

3 燃點(diǎn)定位

鎂合金在起燃瞬間會(huì)產(chǎn)生光輻射的突變，反應(yīng)在測(cè)試系統(tǒng)中即為電壓突變，如圖2所示，其主要特征是曲線斜率的突變。

圖2 未處理光強(qiáng)數(shù)據(jù)

由于受到雜散光以及放大電路噪聲影響，系統(tǒng)空采數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)約±50mV抖動(dòng)，雖然對(duì)于溫度測(cè)試精度影響可以忽略不計(jì)，但是這類(lèi)抖動(dòng)會(huì)對(duì)燃點(diǎn)定位算法產(chǎn)生不利影響，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，取濾波參數(shù)N=10，效果如圖3所示。

圖3 濾波處理后光強(qiáng)數(shù)據(jù)

從鎂合金燃燒時(shí)光強(qiáng)數(shù)據(jù)曲線的角度分析，可以將鎂合金的燃點(diǎn)定義為曲線斜率第一次超過(guò)某一特定值時(shí)鎂合金的溫度，運(yùn)用這一特征，設(shè)計(jì)鎂合金燃點(diǎn)定位算法如下:設(shè)光強(qiáng)數(shù)據(jù)為a［0］～a［n］，以N為步長(zhǎng)(N過(guò)小則找不到燃點(diǎn)，過(guò)大會(huì)造成燃點(diǎn)精度降低)，依次尋找每個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)最大最小值a［X］min，a［X］max(X表示第X個(gè)步長(zhǎng))，設(shè)臨界值A(chǔ)，當(dāng)首次出現(xiàn)a［X］max－a［X］min＞A時(shí)，則判定燃點(diǎn)存在于第X個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)。

本系統(tǒng)在加熱鎂合金時(shí)采用的是大功率直流電源加熱法，由于實(shí)驗(yàn)所用鎂合金材料被加工成薄片狀，達(dá)到熱平衡的時(shí)間很短，因此可以適當(dāng)增加材料加熱速率，即提高直流電源輸出功率，實(shí)驗(yàn)測(cè)定當(dāng)直流電源輸出功率達(dá)到600 W時(shí)加熱速率約為30℃/ s，而已知鎂合金燃點(diǎn)都在800℃以下，因此選擇600 W功率加熱鎂合金材料以滿足系統(tǒng)在30 s內(nèi)測(cè)定鎂合金燃點(diǎn)的要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度指標(biāo)為0.01℃，系統(tǒng)采樣頻率為100 kHz，因此要求一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)溫度變化不能超過(guò)0.01℃，即步長(zhǎng)N≤33，選定一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)中間值作為燃點(diǎn)位置，并用MATLAB軟件對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，選定步長(zhǎng)N=30，臨界值A(chǔ)=0.01，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。圖中紅色X處即為上述算法定位的燃點(diǎn)，利用該點(diǎn)電壓值進(jìn)行溫度計(jì)算，測(cè)得AZ80鎂合金燃點(diǎn)溫度為649.24℃，與紅外測(cè)溫儀測(cè)試結(jié)果有較好重合度。

圖4 燃點(diǎn)定位

4 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首先對(duì)四象限探測(cè)器的兩通道進(jìn)行同步采樣，然后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，最后在定位的燃點(diǎn)處計(jì)算鎂合金起燃溫度。由于比色測(cè)溫算式(式(4))，含有取對(duì)數(shù)及乘除法運(yùn)算，為了盡可能提高系統(tǒng)運(yùn)算性能以及滿足人機(jī)操作的要求，選擇集成DSP模塊的MK60N512VMD100單片機(jī)并為之搭配上3.2英寸TFT液晶觸摸屏幕，DSP模塊的硬件乘法器可以提高計(jì)算過(guò)程中乘除法以及取對(duì)數(shù)的運(yùn)算效率，縮短計(jì)算比色溫度的時(shí)間。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)以及儀器精度(0.01℃)的要求，確定電壓采樣精度為0.001 V，系統(tǒng)所用單片機(jī)參考電壓為3.3 V，故選擇AD轉(zhuǎn)化模塊的12位工作模式即可。系統(tǒng)雙通道采樣要求同步，故需選擇K60單片機(jī)AD0、AD1為硬件觸發(fā)模式，并使用PTB模塊中的定時(shí)器產(chǎn)生中斷，觸發(fā)AD0、AD1同時(shí)工作，通過(guò)DMA模塊將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中?？偝绦蛄鞒虉D如圖5所示，中斷服務(wù)程序如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷服務(wù)程序

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用本文設(shè)計(jì)的鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)純鎂、AZ80鎂合金以及AZ80+Nd鎂合金進(jìn)行燃點(diǎn)測(cè)試，并與紅外測(cè)溫儀(OS4000)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試結(jié)果如下表1、表2、表3所示。

表1 5g純鎂燃點(diǎn)測(cè)試結(jié)果℃

表2 5g AZ80鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試結(jié)果℃

表3 5g AZ80+Nd鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試結(jié)果℃

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明分別對(duì)5組同質(zhì)同量的純鎂，AZ80鎂合金和AZ80+Nd鎂合金進(jìn)行燃點(diǎn)測(cè)試，本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果A類(lèi)不確定度為分別為0.55、0.58、0.42，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，與OS4000的測(cè)試結(jié)果(A類(lèi)不確定度分別為1.29、1.15、1.69)進(jìn)行比對(duì)可知其比對(duì)試驗(yàn)差異分別為0.75、0.99、0.95，其值均小于1，證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著差異，本文設(shè)計(jì)的燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效。

6 結(jié)束語(yǔ)

該文提出一種鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地定位并計(jì)算鎂及鎂合金起燃時(shí)的溫度，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)鎂合金測(cè)試程序。用該系統(tǒng)測(cè)試純鎂、AZ80、AZ80+Nd 3種鎂合金的燃點(diǎn)，并與OS4000比對(duì)，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)燃點(diǎn)定位精度為0.01℃，3種鎂合金差異值分別為0.75，0.99，0.95，多次測(cè)試均優(yōu)于OS4000。

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(編輯:徐柳)

System for testing ignition temperature of magnesium and magnesium alloy

WANG Mengmeng，HAO Xiaojian，ZHOU Hanchang
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A system for testing ignition temperature of magnesium and magnesium alloy based on colorimetric temperature measurement was introduced.The idea of using radiation sudden change point as the ignition temperature was proposed，a ignition temperature acquisition program was designed based on it as well.The system was constitute of objective lens，field lens，optical filter，four quadrant detector，singlechip and liquid crystal display，it can fix the position and calculate its temperature when magnesium and magnesium alloy light－off quickly and accurately.With this system，traditional method of magnesium and magnesium alloy test was simplified and reliable data can be provided to ignition－proof technology for magnesium alloys.Tested pure magnesium，AZ80 and AZ80+Nd magnesium alloy with this system and made a contrast with the test of infrared thermometer(OS4000)，it was proved that the precision of ignition temperature acquisition was 0.01℃，the difference value was 0.75，0.99 and 0.95，it had no significant difference with the result of OS4000，the uncertainty of this system is superior to OS4000.

ignition temperature acquisition;magnesium alloy;colorimetric temperature measurement;four quadrant detector;singlechip

A

1674－5124(2016)11－0071－04

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.015

2016－04－20;

2016－06－15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61473267)山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2012－068)太原市科技局明星專項(xiàng)資助項(xiàng)目(120247－20)

王萌萌(1989－)，男，河南登封市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)。