基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統的制作方法
【專利摘要】一種基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統，包括加熱和測溫兩個部分，其中加熱部分包括Z軸升降臺、電極平臺、電極組、被測試件和電源；溫度場測量部分包括配有獨立鏡頭的比色高溫計、鏡頭架、步進電機側置安裝的數控直線滑臺、步進控制驅動器、位移傳感器、數據采集卡、底板和計算機。本發明對于通電加熱達到超高溫度的超高溫陶瓷試件，能夠實時動態測量被測試件沿長度方向的溫度分布，對于不均勻的溫度場有較好的表征能力，測量結果表征信息量豐富，系統成本低，工作效率高，便于應用。本發明可獨立使用以研究超高溫陶瓷材料的高溫氧化燒蝕特性，也可作為關鍵組成部分應用于其它超高溫測試設備中。
【專利說明】基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于陶瓷材料性能測試【技術領域】，特別涉及一種基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統。
【背景技術】
[0002]超高溫陶瓷是一類以ZrB2、HfB2, TaC等高熔點過渡金屬硼化物、碳化物及其復合材料為主的陶瓷體系，因具有高熔點、高硬度、高熱導率和優異的化學穩定性等綜合性質，被認為是極端高溫環境下最具應用前景的熱防護材料。然而，目前對于該類材料在超高溫度環境下的物理化學性能的研究還很不充分，這主要是受到實驗條件的限制，國內對于1800°C以上的超高溫材料性能測試系統還比較欠缺，已開發的設備仍存在著很多不足。對被測材料進行加熱及相應的溫度測量是開展材料超高溫性能測試最基本的條件。現有高溫設備所采用的加熱方法主要有傳統的高溫爐加熱法、噴火加熱法和等離子電弧加熱法等，這些加熱方法各具優點，但普遍代價較高、資源消耗較大。針對超高溫度的測量主要有兩種方法:一種是利用配有保護套的熱電偶(B型或C型)，通過與被測試件表面接觸來對試件的溫度進行測量，這種方法測量精度較高，但具備較大的局限性，最高測量溫度只能達到1600°C左右，這可能無法滿足超高溫度的測量需求；另一種方法是利用基于光學原理的非接觸式紅外測溫儀，該方法需要已知被測材料的光學參數(如發射率等)，其可以克服熱電偶最高溫度的限制，測量溫度范圍廣，可達到3500°C左右，是目前高溫測試設備1600°C以上溫度測量的主要手段。
[0003]CN 101936854B中授權了一種在1500°C以上氧化環境下測試陶瓷材料及其復合材料力學性能的實驗方法及其實驗裝置，該高溫裝置采用噴火加熱和紅外測溫儀定點測溫的方法，測溫點靠近樣品表面噴火加熱區的中心位置，但對于此類局部加熱方法，試件產生的溫度場是不均勻的，只測量一點的溫度無法表征試件整體的溫度分布。CN 102944466A中公開了一種常溫到1800°C溫度范圍的超高溫氧化氣氛下材料高溫力學性能測試裝置，該裝置采用爐體加熱方法，理論上可以得到均勻的溫度場，但由于加熱元件的限制，最高溫度只能加熱到1800°C，而且在氧化環境下，試件表面可能會發生劇烈的氧化反應而使表面成分發生巨大的改變，會對紅外測溫儀溫度的測量造成很大的影響，因此該設備只通過利用紅外測溫儀測量試件中心點的溫度而表征整體試件和爐內的溫度也是不準確的，例如，由于氧化反應可能恰好在測溫點或附近產生氣泡而使得溫度測量值受到很大的影響。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為了克服現有超高溫材料測試設備溫度測量方法的不足，提供一種基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統。
[0005]本發明所述的超高溫極端環境是指1000°C -3300°C的高溫及超高溫有氧環境。本發明對于通電加熱達到超高溫度的超高溫陶瓷試件，實現了溫度測量點沿試件長度方向循環往復掃描測溫，對于不均勻的溫度場有較好的表征能力且有助于避免由于氧化等因素導致的測量誤差。
[0006]本發明所涉及的基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統，由加熱部分和溫度場測量部分構成，其中加熱部分包括Z軸升降臺、電極平臺、電極組、被測試件和電源；溫度場測量部分包括配有獨立鏡頭的比色高溫計、鏡頭架、步進電機側置安裝的數控直線滑臺、步進控制驅動器、位移傳感器、數據采集卡、底板和計算機；
[0007]上述加熱部分中:
[0008]所述Z軸升降臺固定在底板的一端，結合比色高溫計主機的安裝位置以及比色高溫計鏡頭的測距范圍以確定Z軸升降臺合適的固定位置；
[0009]所述電極平臺中間部位開有四個通孔，通孔的相對位置與Z軸升降臺上表面的固定孔相匹配，以保證電極平臺能夠固定在Z軸升降臺上并隨Z軸升降臺一起升降，進而起到向電極平臺上的其它部件傳遞升降高度的作用，電極平臺兩側分布有密排的螺紋孔，起到固定其它零件和微調零件位置的作用；
[0010]所述電極組采用導電、耐高溫且強度較好的材料制成，電極組為一對，每對由上、下兩個電極組成，下電極較長以保證外端部連接的通電導線受被測試件超高溫度的影響較小，保證電極組與數控直線滑臺運動方向平行，下電極通過絕緣連接件固定在電極平臺上，通過微調固定位置保證比色高溫計鏡頭對焦在被測試件上，上下電極的試件夾持端分別開有對應的通孔和螺紋孔，通過耐高溫的緊固螺絲裝配以夾緊被測試件，兩個下電極的另一端分別通過導線連接到電源的正負極上；
[0011]所述電源輸出采用電流控制，電源、導線、電極和試件組成串聯電路，根據焦耳定律:
[0012]Q = I2Rt,其中，Q為被測試件產生的熱量，I為電流強度，R為被測試件電阻值，t為通電時間；
[0013]通電即可對被測試件進行加熱；
[0014]所述被測試件加工成特殊形狀，可起到充分利用電流和保護電極的效果，由電阻
定律:
[0015]R=P L/A，其中，P為被測材料的電阻率，L為試件長度，A為試件橫截面積；
[0016]試件中間段采用細長形，增加長度且減小截面積可使阻值大大增加，有助于營造超高溫度，兩端夾持部位適當增加寬度，減小電阻從而降低發熱程度，保護電極。
[0017]上述溫度場測量部分中:
[0018]所述配有步進電機的數控直線滑臺固定在底板的另一端，通過步進控制驅動器與計算機連接，通過計算機內相應的驅動程序，驅動固定在數控直線滑臺滑塊上的鏡頭架按照用戶自定義的運動規律運動，實現溫度測量點在被測試件長度方向上循環往復掃描，通過調節Z軸升降臺的升降高度，調整溫度測量點在被測試件厚度方向上的位置；
[0019]所述鏡頭架固定在數控直線滑臺的滑塊上，具備連接比色高溫計鏡頭和位移傳感器滑塊的功能，在步進電機的驅動下，同時帶動比色高溫計鏡頭以及位移傳感器滑塊一起運動，可保證任意時刻位移傳感器滑塊與比色高溫計鏡頭具有相同的位移，以實現通過位移傳感器實時記錄高溫計鏡頭的位移數據；
[0020]所述比色高溫計鏡頭通過光纖與高溫計主機相連，實時測量比色高溫計鏡頭所在位置處被測試件對應的溫度；[0021]所述數據采集卡的輸出端口連接至計算機，輸入端口同時接收位移傳感器和比色高溫計主機的輸出信號以保證某一時刻下的位移數據和溫度數據相匹配，并將匯總后的數據傳輸至計算機，在計算機中通過相應的程序對時間、位移和溫度的測量數據進行數據處理，得到溫度分布曲線。
[0022]本發明利用超高溫陶瓷材料，如ZrB2, HfB2等，具備優良的導電性這一性質，基于電阻加熱原理對超高溫陶瓷材料直接通電加熱得到超高溫度，鑒于被測試件溫度場具有一定的不均勻性以及被測試件表面氧化對于溫度測量的影響，提出了一種實時動態的溫度場測量方法，可表征任意時段下沿試件長度方向的溫度分布。本發明克服了現有高溫設備在溫度測量方面局限性大、表征信息量較少等缺點，所具有的優點及突出性的效果是:(I)本發明溫度測量全面，能夠實時動態記錄沿被測試件長度方向的溫度場分布，對于不均勻的溫度場有較好的表征能力且最大程度地避免由于氧化導致的局部溫度測量不準的影響；
(2)本發明測量結果表征信息量豐富，所測得的溫度曲線不僅能表征溫度值，同時根據曲線的變化規律還可以表征被測試件的氧化程度，有助于分析超高溫陶瓷材料在不同溫度下的氧化燒蝕特性。(3)本發明成本低，工作效率高，便于應用。本發明可獨立使用以研究超高溫陶瓷材料在不同溫度下的高溫氧化燒蝕特性，也可作為關鍵組成部分應用于其它超高溫材料性能測試設備中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明所述系統的整體結構示意圖；
[0024]圖2為本發明所述的被測試件示意圖；
[0025]圖3為本發明所述的數控直線滑臺、鏡頭架和位移傳感器三者之間連接方式的俯視圖；
[0026]圖4為本發明所述系統所測得的時間一溫度一位置測量曲線；
[0027]上述圖中:Z軸升降臺1、底板2、比色高溫計主機3、比色高溫計鏡頭4、電極平臺
5、電極組6、數控直線滑臺7、被測試件8、電源9、步進控制驅動器10、計算機11、鏡頭架12、位移傳感器13、數據采集卡14。
【具體實施方式】
[0028]下面通過附圖與實施例對本發明進一步說明。
[0029]實施例
[0030]本實施例所涉及的一種基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統，基于電阻加熱原理，對導電的超高溫陶瓷試件直接通電加熱得到超高溫度，并針對超高溫的被測試件進行實時動態溫度場測量，該系統整體裝配關系如圖1所示:
[0031]Z軸升降臺I固定在底板2的一端，其固定位置需結合比色高溫計主機3的安裝位置以及比色高溫計鏡頭4的測距范圍來確定；
[0032]電極平臺5中間部位開有四個通孔，通孔相對位置與Z軸升降臺I上表面的固定孔相匹配，通過螺絲將電極平臺5固定在Z軸升降臺I上并保證隨Z軸升降臺一起升降；
[0033]電極組6采用導電、耐高溫且強度較好的鎢銅材料制成，電極組為一對，每對由上、下兩個電極組成，兩個下電極分別通過絕緣連接件對稱固定在電極平臺5兩側的螺紋孔上，安裝方向與數控直線滑臺7的運動方向一致，并根據被測試件8的夾持位置平行微調兩個下電極的固定位置以保證比色高溫計鏡頭4聚焦在被測試件8上，兩個上電極通過耐高溫的緊固螺絲與對應的下電極裝配，通過調節緊固螺絲以調節電極對被測試件8的夾緊程度，兩個下電極的另一端分別通過導線連接到直流電源9的正負極上；
[0034]電極組6、被測試件8、電源9以及導線組成串聯電路，電源9的輸出采用電流控制，根據焦耳定律:
[0035]Q = I2Rt,其中，Q為試件產生的熱量，I為電流強度，R為試件電阻值，t為通電時間；
[0036]可知，通電即可對被測試件8進行加熱；
[0037]被測試件8通過線切割加工成特殊形狀，如圖2所示，可起到充分利用電流以及保護電極的效果，由電阻定律:
[0038]R=P L/A，其中，P為被測材料的電阻率，L為試件長度，A為試件橫截面積；
[0039]由上述公式可知，被測試件8中間段采用細長形，增加長度且減小截面積可使阻值大大增加，有助于營造超高溫度，兩端夾持部位寬度適當增加，減小電阻從而降低發熱程度，保護電極，本實施例中兩端夾持部位寬度為中間段寬度的5倍；
[0040]本實施例中的配有步進電機的數控直線滑臺7采用日本SUS公司生產的產品XAM-411，數控直線滑臺7固定在底板2的另一端，通過步進控制驅動器10與計算機11連接，通過計算機11內相應的驅動程序，驅動固定在數控直線滑臺7滑塊上的鏡頭架12按照用戶自定義的運動規律而運動，實現溫度測量點沿被測試件8長度方向循環往復掃描，通過調節Z軸升降臺的高度，調整溫度測量點在被測試件8厚度方向的位置；
[0041]如圖3所示，鏡頭架12固定在數控直線滑臺7的滑塊上且同時連接比色高溫計鏡頭4和位移傳感器13的滑塊，在步進電機的驅動下，鏡頭架12帶動比色高溫計鏡頭4以及位移傳感器13的滑塊一起運動，保證任意時刻位移傳感器13的滑塊與比色高溫計鏡頭4具有相同的位移，實現通過位移傳感器13實時記錄高溫計鏡頭4的位移數據；
[0042]本實施例中，比色高溫計采用LumaSense科技公司的測溫儀產品MPAC-1SR-12，比色高溫計鏡頭4通過光纖與比色高溫計主機3相連，以實時測量比色高溫計鏡頭4所在位置處被測試件8對應的溫度；
[0043]數據采集卡14的輸出端口連接至計算機11，輸入端口同時接收位移傳感器13和比色高溫計主機3的輸出信號以保證某一時刻下位移數據和溫度數據相匹配，并將匯總后的數據傳輸至計算機11，在計算機11中通過相應的程序對時間、位移和溫度的測量數據進行數據處理，得到任意時間段內被測試件8沿長度方向的溫度分布，如圖4所示，該圖曲線波動處明顯反應出表面氧化對于溫度測量產生的影響，此外溫度越高對應曲線波動越劇烈，對波動機理及程度進行分析可進一步反應出超高溫陶瓷材料的高溫氧化特性。
[0044]本發明的技術方案不僅局限于上述實施例，具體實施時，測溫系統中的位移傳感器可采用滑塊型，也可采用拉桿型，只需要對鏡頭架做以相應的改裝即可完成裝配，應屬于等同變換而歸入本發明保護范圍之內。
[0045]具體實施時，本發明可獨立使用以研究超高溫陶瓷材料在不同溫度下的高溫氧化燒蝕特性，也可作為關鍵組成部分應用于其它超高溫測試設備中。
【權利要求】
1.一種基于電加熱的超高溫陶瓷材料溫度場測量系統，其特征是，由加熱部分和溫度場測量部分構成，其中加熱部分包括Z軸升降臺、電極平臺、電極組、被測試件和電源；溫度場測量部分包括配有獨立鏡頭的比色高溫計、鏡頭架、步進電機側置安裝的數控直線滑臺、步進控制驅動器、位移傳感器、數據采集卡、底板和計算機； 上述加熱部分中: 所述Z軸升降臺固定在底板的一端，結合比色高溫計主機的安裝位置以及比色高溫計鏡頭的測距范圍以確定Z軸升降臺合適的固定位置； 所述電極平臺中間部位開有四個通孔，通孔的相對位置與Z軸升降臺上表面的固定孔相匹配，以保證電極平臺能夠固定在Z軸升降臺上并隨Z軸升降臺一起升降，進而起到向電極平臺上的其它部件傳遞升降高度的作用，電極平臺兩側分布有密排的螺紋孔，起到固定其它零件和微調零件位置的作用； 所述電極組采用導電、耐高溫且強度較好的材料制成，電極組為一對，每對由上、下兩個電極組成，下電極較長以保證外端部連接的通電導線受被測試件超高溫度的影響較小，保證電極組與數控直線滑臺運動方向平行，下電極通過絕緣連接件固定在電極平臺上，通過微調固定位置保證比色高溫計鏡頭對焦在被測試件上，上下電極的試件夾持端分別開有對應的通孔和螺紋孔，通過耐高溫的緊固螺絲裝配以夾緊被測試件，兩個下電極的另一端分別通過導線連接到電源的正負極上； 所述電源輸出采用 電流控制，電源、導線、電極和試件組成串聯電路，根據焦耳定律: Q = I2Rt，其中，Q為被測試件產生的熱量，I為電流強度，R為被測試件電阻值，t為通電時間； 通電即可對被測試件進行加熱； 所述被測試件加工成特殊形狀，可起到充分利用電流和保護電極的效果，由電阻定律: R=P L/A，其中，P為被測材料的電阻率，L為試件長度，A為試件橫截面積； 試件中間段采用細長形，增加長度且減小截面積可使阻值大大增加，有助于營造超高溫度，兩端夾持部位適當增加寬度，減小電阻從而降低發熱程度，保護電極。 上述溫度場測量部分中: 所述配有步進電機的數控直線滑臺固定在底板的另一端，通過步進控制驅動器與計算機連接，通過計算機內相應的驅動程序，驅動固定在數控直線滑臺滑塊上的鏡頭架按照用戶自定義的運動規律運動，實現溫度測量點在被測試件長度方向上循環往復掃描，通過調節Z軸升降臺的升降高度，調整溫度測量點在被測試件厚度方向上的位置； 所述鏡頭架固定在數控直線滑臺的滑塊上，具備連接比色高溫計鏡頭和位移傳感器滑塊的功能，在步進電機的驅動下，同時帶動比色高溫計鏡頭以及位移傳感器滑塊一起運動，可保證任意時刻位移傳感器滑塊與比色高溫計鏡頭具有相同的位移，以實現通過位移傳感器實時記錄高溫計鏡頭的位移數據； 所述比色高溫計鏡頭通過光纖與高溫計主機相連，實時測量比色高溫計鏡頭所在位置處被測試件對應的溫度； 所述數據采集卡的輸出端口連接至計算機，輸入端口同時接收位移傳感器和比色高溫計主機的輸出信號以保證某一時刻下的位移數據和溫度數據相匹配，并將匯總后的數據傳輸至計算機，在計算機中通過相應的程序對時間、位移和溫度的測量數據進行數據處理，得到溫度分布曲線。 本發明可獨立使用以研究超高溫陶瓷材料在不同溫度下的高溫氧化燒蝕特性，也可作為關鍵組成部分應用 于其它超高溫材料性能測試設備中。
【文檔編號】G01N25/20GK104019909SQ201410273373
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】周子源, 魏榛, 彭向和, 楊昌棋, 馬樹明, 王新筑 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
