鎂合金燃點測試系統(tǒng)

王萌萌，郝曉劍，周漢昌

(中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051)

鎂合金燃點測試系統(tǒng)

王萌萌，郝曉劍，周漢昌

(中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051)

該文介紹一種基于比色測溫法的鎂及鎂合金燃點測試系統(tǒng)，提出以鎂燃燒時輻射量突變點為鎂及鎂合金燃點的測試方法并以之設(shè)計燃點定位程序，該系統(tǒng)由物鏡、場鏡、濾光片、四象限探測器、單片機以及液晶屏組成，系統(tǒng)能夠快速準確地定位并計算鎂及鎂合金起燃時的溫度，簡化傳統(tǒng)鎂合金燃點測試程序，可以為鎂合金阻燃技術(shù)提供可靠數(shù)據(jù)。用該系統(tǒng)對純鎂、AZ80、AZ80+Nd 3種鎂合金進行燃點測試并與紅外測溫儀(OS4000)的測試結(jié)果進行比對，并計算其比對試驗差異值，經(jīng)測試該系統(tǒng)燃點定位精度達到0.01℃，3種鎂合金比對試驗差異值分別為0.75，0.99，0.95，測試結(jié)果與紅外測溫儀測試結(jié)果無顯著差異，系統(tǒng)多次測試不確定度優(yōu)于紅外測溫儀。

燃點定位;鎂合金;比色測溫法;四象限探測器;單片機

0 引言

鎂合金材料因其低密度、高比強度、高比剛度、易加工、易回收等特點，在汽車制造，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性質(zhì)卻嚴重制約著其應用潛力［1－3］。為了最大限度開發(fā)鎂合金的潛力，鎂合金阻燃技術(shù)［4－5］應運而生，判定阻燃技術(shù)的優(yōu)劣，鎂合金燃點測試方法也得到了進一步的發(fā)展。

傳統(tǒng)鎂合金燃點測試方法包括熱電偶測試［6］和紅外測試［7］，其共同的弊端在于燃點定位不準確，均靠人眼判斷鎂合金何時起燃，燃點測試相對準確的恒溫爐測試［8］法不僅費時費力，恒溫爐的溫度上升梯度及其恒溫性能優(yōu)劣也會給測試結(jié)果帶來很大的不確定性。鑒于鎂合金燃燒時輻射量突變這一事實，利用比色測溫法［9］定位并計算鎂合金燃點，不僅理論上直觀可行，而且實驗中也取得了良好的結(jié)果。

1 比色測溫原理

光電探測器將接收到的兩個不同波段范圍內(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得，并且可以計算其比值(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)——光電探測器兩路光電流;

Δλ——濾光片的帶寬;

S(λ)、Ψ(λ)、τ(λ)——波長為λ時的光學系統(tǒng)光譜透過率、窄帶干涉濾光片光譜透過率、二象限探測器響應函數(shù);

C1，C2——第一第二普朗克常數(shù)。

因兩個濾光片所選擇的波段相近，顧不考慮發(fā)射率的影響，則

是一個常數(shù)，設(shè)

并對式(1)進行簡化取對數(shù)處理得到:

其中A，B是與所選用濾光片透過波長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)對比色溫度T進行修正，以求得真實溫度Tt:

2 鎂合金燃點測試系統(tǒng)構(gòu)成

鎂合金燃點測試系統(tǒng)由物鏡，場鏡，濾光片，四象限探測器，信號調(diào)理電路，K60單片機及3.2英寸(1英寸=0.025 m)TFT觸摸顯示屏組成(如圖1所示)。物鏡場鏡組成的光學系統(tǒng)可以有效提高測試系統(tǒng)探測范圍以及探測到的信號強度。為了滿足測試系統(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，降低噪聲，加快探測器響應速度，由USB4000微型光纖光譜儀對鎂燃燒產(chǎn)生的光譜分析可知鎂燃燒輻射強度最大的光譜在600 nm附近，結(jié)合光電探測器的光譜響應特性，選擇濾光片峰值波長為572 nm和615 nm［13］，并由此確定式(4)中A=1.437，B=1759。利用K60單片機對放大電路輸出電壓實時采樣，進行燃點定位和溫度計算，并且驅(qū)動觸摸顯示屏顯示燃點溫度。

圖1 鎂合金燃點測試系統(tǒng)構(gòu)成

3 燃點定位

鎂合金在起燃瞬間會產(chǎn)生光輻射的突變，反應在測試系統(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)會呈現(xiàn)約±50mV抖動，雖然對于溫度測試精度影響可以忽略不計，但是這類抖動會對燃點定位算法產(chǎn)生不利影響，因此需要對數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波，取濾波參數(shù)N=10，效果如圖3所示。

圖3 濾波處理后光強數(shù)據(jù)

從鎂合金燃燒時光強數(shù)據(jù)曲線的角度分析，可以將鎂合金的燃點定義為曲線斜率第一次超過某一特定值時鎂合金的溫度，運用這一特征，設(shè)計鎂合金燃點定位算法如下:設(shè)光強數(shù)據(jù)為a［0］～a［n］，以N為步長(N過小則找不到燃點，過大會造成燃點精度降低)，依次尋找每個步長內(nèi)數(shù)據(jù)最大最小值a［X］min，a［X］max(X表示第X個步長)，設(shè)臨界值A(chǔ)，當首次出現(xiàn)a［X］max－a［X］min＞A時，則判定燃點存在于第X個步長內(nèi)。

本系統(tǒng)在加熱鎂合金時采用的是大功率直流電源加熱法，由于實驗所用鎂合金材料被加工成薄片狀，達到熱平衡的時間很短，因此可以適當增加材料加熱速率，即提高直流電源輸出功率，實驗測定當直流電源輸出功率達到600 W時加熱速率約為30℃/ s，而已知鎂合金燃點都在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)測定鎂合金燃點的要求。本系統(tǒng)設(shè)計精度指標為0.01℃，系統(tǒng)采樣頻率為100 kHz，因此要求一個步長內(nèi)溫度變化不能超過0.01℃，即步長N≤33，選定一個步長內(nèi)中間值作為燃點位置，并用MATLAB軟件對算法進行驗證，選定步長N=30，臨界值A(chǔ)=0.01，驗證結(jié)果如圖4所示。圖中紅色X處即為上述算法定位的燃點，利用該點電壓值進行溫度計算，測得AZ80鎂合金燃點溫度為649.24℃，與紅外測溫儀測試結(jié)果有較好重合度。

圖4 燃點定位

4 系統(tǒng)化設(shè)計

本系統(tǒng)首先對四象限探測器的兩通道進行同步采樣，然后對采集數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波處理，最后在定位的燃點處計算鎂合金起燃溫度。由于比色測溫算式(式(4))，含有取對數(shù)及乘除法運算，為了盡可能提高系統(tǒng)運算性能以及滿足人機操作的要求，選擇集成DSP模塊的MK60N512VMD100單片機并為之搭配上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算過程中乘除法以及取對數(shù)的運算效率，縮短計算比色溫度的時間。根據(jù)實際數(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AD0、AD1為硬件觸發(fā)模式，并使用PTB模塊中的定時器產(chǎn)生中斷，觸發(fā)AD0、AD1同時工作，通過DMA模塊將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中。總程序流程圖如圖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 實驗結(jié)果及分析

用本文設(shè)計的鎂合金燃點測試系統(tǒng)分別對純鎂、AZ80鎂合金以及AZ80+Nd鎂合金進行燃點測試，并與紅外測溫儀(OS4000)的測試結(jié)果進行比對。測試結(jié)果如下表1、表2、表3所示。

表1 5g純鎂燃點測試結(jié)果℃

表2 5g AZ80鎂合金燃點測試結(jié)果℃

表3 5g AZ80+Nd鎂合金燃點測試結(jié)果℃

實驗結(jié)果表明分別對5組同質(zhì)同量的純鎂，AZ80鎂合金和AZ80+Nd鎂合金進行燃點測試，本系統(tǒng)的測試結(jié)果A類不確定度為分別為0.55、0.58、0.42，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標，與OS4000的測試結(jié)果(A類不確定度分別為1.29、1.15、1.69)進行比對可知其比對試驗差異分別為0.75、0.99、0.95，其值均小于1，證明實驗結(jié)果無顯著差異，本文設(shè)計的燃點測試系統(tǒng)測試結(jié)果準確有效。

6 結(jié)束語

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

［1］楊媛，李加強，宋宏寶，等.鎂合金的應用及其成形技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.熱加工工藝，2013(08):24－27.

［2］曾小勤，王渠東，呂宜振，等.鎂合金應用新進展［J］.鑄造，1998(11):41－45.

［3］RAVI KUMAR N V，BLANDIN J J.Effect of alloying elements on the ignition resistance of magnesium alloys［J］.Scripta Materialia.2003:23－26.

［4］SWEIS F K.The effect of mixturesof particle sizes on the minimum ignition temperature of a dust cloud［J］.Journal of Hazadous Materials，1987(14):241－246.

［5］黃正華，張忠明，郭學鋒.鎂合金阻燃方法與機理［J］.兵器材料科學與工程，2004(01):63－67.

［6］陳萍，張茂勛.鎂及鎂合金燃點的測試［J］.特種鑄造及有色合金，2001(02):75－76.

［7］鄭忠，何臘梅.紅外測溫技術(shù)及在鋼鐵生產(chǎn)中的應用［J］.工業(yè)加熱，2005(03):25－29.

［8］鐘英鵬，徐冬，李剛，等.鎂粉塵云最低著火溫度的實驗測試［J］.爆炸與沖擊，2009(04):429－433.

［9］張培坤.基于比色原理的高溫測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］.西安:中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所)，2011.

［10］李云紅，馬蓉，張恒，等.雙波段比色精確測溫技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2015(01):27－35.

［11］蔡如華，盧文全，丁宣浩.熱輻射波長測溫法的理論研究［J］.宇航計測技術(shù)，2003(04):19－23.

［12］黃永義.普朗克黑體輻射定律的建立過程［J］.廣西物理，2011(03):32－36.

［13］吳海濱，陳軍，張杰，等.比色測溫雙波長的選擇及濾波片最小帶寬的計算［J］.量子電子學報，2006(04):569－572.

(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

國家自然科學基金資助項目(61473267)山西省回國留學人員科研資助項目(2012－068)太原市科技局明星專項資助項目(120247－20)

王萌萌(1989－)，男，河南登封市人，碩士研究生，專業(yè)方向為儀器科學與技術(shù)。