材料成型中传感器的应用.docx

Last updated on the afternoon of January 3, 2021材料成型中传感器的应用材料成型中传感器的应用摘要：在材料生产过程中，材料成型技术直接决定了材料成品的生产规模和产品质量。而传感器在材料成型技术的运用过程中也起到了非常关键的作用。首先介绍了材料成型的概念和意义，其次介绍了传感器的概念、分类及传感器的工作原理，最后详细地介绍了传感器在材料成型中的应用以及这方面最新的技术并对传感器在材料成型方面的应用进行展望。关键词：材料成型；传感器；应用；展望Abstract:引言从远古时代，人类便开始了对材料的使用与加工。随着社会的进步与技术的不断革新，人们对先进材料的认知与加工成型能力在很大程度上影响着综合国力的竞争。在当今这个工业化的时代，工业材料的需求量在各个领域都不断扩大，与此同时，材料成型等工业技术也正在扮演着越来越重要的角色1。现代工业产品质量的好坏已经不仅仅取决于材料自身的属性，更取决于能否利用合适的材料成型技术来充分发挥材料的特点。材料成型技术影响着材料产品的质量、性能、用途等各个方面，也影响着现代工业发展。作为现代科学和工业技术发展的基础，材料科学与工程学科从20世纪80年代便被看作是推动经济进入21世纪的三大工业支柱之一2。材料成型及控制工程作为其中的一项重要专业技术，在近年来有着突飞猛进的发展，从而有效地推动了材料科学的学科进所谓材料成型，显而易见成型工艺便是此项科学技术的精髓所在。工业产品的好与坏不仅仅需要考虑材料自身是否具备优良的力学性能，更重要的是能否充分利用材料的特点采取最适合的加工成型方法。因此，工艺的发展从根本上决定了材料成型的质量。材料成型及控制工程通过分析材料的宏观形状、微观结构及力学性能等研究热加工过程中相关生产工艺，从而进行成型工艺与设备的选择及优化。然而，传统的材料成型技术有精度不够高、控制功能单一、对操作人员的劳动保护做得不够等缺点。为了克服和解决这些缺点和不足，传感器技术被科研人员引入到了材料成型领域。传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一，它与计算机技术、通讯技术共同构成本世纪信息产业的三大支柱技术，备受世界各发达国家的高度重视，作为本世纪重点技术加以发展3。1. 材料成型一般材料成型技术可以分为以下三个方面。铸造工艺铸造通俗地说是液态金属凝固的过程，这是一种使用范围极广的成型工艺，不受铸件尺寸、形状及合金材料的限制。其技术关键就在于凝固组织的形成于控制、铸造缺陷的防止与控制及铸件尺寸精度与表面粗糙度的控制4。现阶段，随着铸造工艺在凝固理论、凝固技术及计算机的应用等方面的迅猛发展，低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等技术已日渐成熟，精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模拟技术等得到了迅速发展，铸造技术正朝着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展，对传统工业的技术进步有着极大的推动作用。在汽车工业出现了可控压力铸造、消失模铸造以及压力铸造等新一代汽车发动机薄铝合金钢体铸件的新方法；在航空工业中，则出现了用定向凝固熔模铸造生产高温合金单晶体燃气轮叶片的方法。这些技术同时也为高新技术产业的发展奠定了基础。锻造工艺锻造实质是材料的塑性成型过程，这与材料自身的塑性变形能力与外部应力等有着密切联系。它可以应用于大批量的生产，显然其发展趋势着重于高速自动化生产，以达到高效规模化生产5。在信息化高速发展的现今，计算机辅助系统逐步彰显出其重要作用。利用计算机辅助设计与制造模具及实现生产的模拟化，极大地缩短了工业产品的设计、生产周期，从而减少了大量的人工投入，提高了产品的生产效率和质量。焊接工艺焊接作为现代工程技术的重要组成部分，是材料成型中必不可少的工艺手段，主要可分为熔焊、固相焊和钎焊。焊接工艺可谓是真正意义上的在生产实践中为满足工业需求而不断完善和发展起来的6。比如，汽车工业推动了电阻焊和二氧化碳气体保护焊的工艺发展，船舶制造业推动了埋弧焊的发展等。随着焊接工艺的日益进步，它已不再是单一的金属材料连接技术，而延伸向陶瓷材料、生物组织、高分子材料等多个领域。为适应高质、高效的生产趋势，近年来焊接机械化、自动化、智能化正以惊人的速度迅猛崛起，成为今后焊接工艺的重点发展趋势。2. 传感器概念传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）对传感器的定义是：“传感器将输入变量转换成可供测量的信号，它是测量系统中的一种前置部件。”按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。国家标准GB766587对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节7。分类传感器种类繁多，不胜枚举，其分类方法也有很多。从能量关系角度分类有：热电偶传感器、电容式传感器、压电式传感器、应变式传感器；从工作机理分类有：物理型传感器、结构型传感器；从输出信号分类有：模拟型传感器、数字型传感器；从被测量分类有：浓度传感器、位移传感器、转速传感器、力矩传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器。下面主要介绍热电偶传感器、电容式传感器、压电式传感器、应变式传感器这四类。1）热电偶传感器热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。2）电容式传感器电容式传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。3）压电式传感器压电式传感器是基于压电效应的传感器。它是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。4）应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。3. 传感器在材料成型领域的应用在材料成型技术中，我们所遇到的大量待测参数，几乎都是非电物理量。如温度、压力、浓度、位移、速度、振动等等。非电量电测技术正是根据这一需求逐步建立和发展起来的一种新的检测技术。它和其它一些传统的检测技术相比，具有快速、动态、远距离测量，测试结果能及时显示和记录，必要时还可送入计算机进行数据处理等等。一个完整的非电量电测系统，主要由传感器、调节器、测量和记录仪表组成，需要时，可以将所得到的模拟信号经模数转换器转换成数字信号，从而进行数字的显示和记录，也可以送入计算机进行必要的数据处理。传感器作为非电量电测系统的重要组成部分，其主要作用是将被测的非电物理量的变化转换成相对应的电量（电信号）的变化。传感器在铸造领域的应用传感器在铸造领域的应用十分广泛，如热电偶传感器常用来测量金属液的温度；压电传感器常用来测量造型机、落砂机的振幅、振动效率、加速度等；光电传感器常用来对型砂水分的控制、冲天炉料位的控制等。激光传感器是二十世纪重大科技成果之一，它的问世虽然时间不长，但由于其所具有的重要特性，已广泛应用于工业生产、国防军事等各个方面8。如在造型生产线上运行的激光自动浇注系统。随着科学技术的进一步发展，将会研究出更多种类在铸造生产中应用的传感器，对我国工业化的进程定会起到积极的促进作用。传感器在锻造领域的应用锻造液压机在进行轴类锻件的生产过程中，需要反复测量锻件的直径尺寸，然后由控制系统来调整压机的压下量，进而获得所需要的锻件尺寸。当前轴类锻件在线测量设备主要应用于锻件的三维尺寸扫描和三维信息重构，设备制造成本较高、测量过程较复杂、测量实时性较差，在实际生产中难以使用。近年来国内外对锻件三维尺寸测量的研究总体上可以分为基于激光测距原理和基于CCD（Charge-coupledDevice）计算机视觉技术两大类。嵌入式轴类锻件直径尺寸在线测量系统结构简单，采用非接触测量方式，测量时间短，成本低，过程全自动化，具有较好的普适性。锻件直径测量采用位移传感器来完成，上下边缘的图像识别主要用于测量误差修正，同时该系统能够灵活移动从而选择最佳的图像采集位置，避免由环境、测量位置变化引起的图像边缘识别困难及标定等问题。通过提高CCD像素等措施，该系统能够满足目前自由锻造生产中直径在700mm以下的小型轴类锻件精度在±1mm的在线测量要求9。传感器在焊接领域的应用焊接生产时自动焊接装置或机器人焊接系统对焊缝的自动、实时跟踪已成为自动化焊接和智能化焊接的重要内容。焊缝自动跟踪系统研究中首要解决的问题是焊缝位置的实时传感，而这种位置信息的获得很大程度上取决于传感方式。因此，传感器是决定整个系统跟踪精度的首要因素。最近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了飞速的发展，尤其是焊缝传感技术己从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电传感等方式。随着传感器和信号处理技术的进步，多传感器信息融合将会与弧焊机器人技术相结合，在焊缝自动跟踪中得到广泛的应用10。4. 展望工业技术的迅速发展和国际竞争的日益激烈，要求材料成型产品性能高、成本低、周期短。为了生产高精度、高质量和高效率的产品，材料成型技术就需要从传统的单一型走向复合型、多功能型，变得综合化、多样化、多科学化。加快材料成型技术的发展进步，是适应国际市场，参与全球竞争的必然要求。传感器在未来将广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些数值（如温度、压力、流量等）。总的来说，传感器在材料成形领域中的应用，无疑会使得材料成形技术向着更加高效、节能的方向不断阔步前行。参考文献1王守仁,王慧,崔焕勇.材料成型技术基础中计算机辅助成型工艺的研究及进展J.设计艺术研究,2006(6):122-123.2ItoK,HamaJ.TETSUTOHAGANE-JOURNALOFTHEIRONANDSTEELINSTITUTEOFJAPAN,2014,100(12):1467-1480.3詹建徽,张代远.传感器应用,挑战与发展J.计算机技术与发展,2013,23(8):118-121.4吕志刚.我国熔模精密铸造的历史回顾与发展展望J.铸造,2012(2012年04):347-356.5田峰,贾琛.大型锻件的锻造工艺研究进展J.热加工工艺,2015,44(5):10-12.6胡乐峰.我国焊接生产现状与焊接技术的发展J.企业技术开发:中旬刊,2014,33(11):7-7.7黄进华.现代传感器发展方向J.数码世界,2017(2):110-110.8侯文生.铸造生产中常用传感器工作原理分析J.太原理工大学学报,2001,32(2):170-174.9陈希凯.等温锻造过程中温度软测量技术与推断控制D.西北工业大学,2006.10尹懿.光电传感器式焊缝自动跟踪系统的研究DD.湘潭大学,2004.