【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】NiCrNiSi 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定【PDF英文6頁(yè)word中文翻譯3718字9頁(yè)】【有出處】

【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】NiCrNiSi 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定【PDF英文6頁(yè)word中文翻譯3718字9頁(yè)】【有出處】,機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯,PDF英文6頁(yè),word中文翻譯3718字9頁(yè),有出處,【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】NiCrNiSi,薄膜熱電偶測(cè)溫刀具傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定【PDF英文6頁(yè),word中文翻譯3718字9頁(yè)】【有出處】,機(jī)械類 第 9 頁(yè) NiCr/NiSi 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定 摘要：目前高速切削加工中的溫度測(cè)量方法主要采用自然熱電偶、人工熱電偶和紅外輻射測(cè)溫等方法，這些測(cè)量方法受到響應(yīng)速度、切削條件的限制，很難對(duì)切削區(qū)的瞬態(tài)變化溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。為解決上述問(wèn)題，針對(duì)高速加工中切削區(qū)溫度的特點(diǎn)，采用雙放電控微波等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法，制NiCr/NiSi薄膜熱電偶以測(cè)定瞬態(tài)切削溫度。構(gòu)建以Ultra-CFR 短脈沖激光器作為激勵(lì)熱源的動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，測(cè)試在4種采樣頻率下，不同熱接點(diǎn)寬度時(shí)薄膜熱電偶的時(shí)間常數(shù)，并建立一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，對(duì)薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行理論分析。分析結(jié)果表明，所研制的NiCr/NiSi薄膜熱電偶能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量瞬態(tài)變化的切削溫度，減小鍍膜層的厚度可明顯提高薄膜熱電偶的響應(yīng)速度，熱接點(diǎn)面積對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響很小。采用所建動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采樣頻率大于50 kHz可獲得穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間最小為0.042 ms。所作研究發(fā)展和完善了切削加工中切削熱和切削溫度的測(cè)量方法與裝置，為高速加工科研和生產(chǎn)中監(jiān)控切削熱源和切削溫度提供了切實(shí)可行的方法和手段。 關(guān)鍵詞：薄膜熱電偶，切削溫度傳感器，動(dòng)態(tài)標(biāo)定，一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)響應(yīng)時(shí)間 1簡(jiǎn)介 在高速切削，95％的切削熱將發(fā)送到芯片，這將會(huì)使接口融化與前刀面接觸，并會(huì)形成一層極薄的液膜。工件上的芯片將會(huì)瞬間切斷，這不是傳統(tǒng)的塑性變形，所以它非常重要并且很準(zhǔn)確測(cè)量的測(cè)量出切削區(qū)的溫度。薄膜熱電偶（TFTCs）是瞬態(tài)測(cè)量溫度的先進(jìn)的傳感器和常規(guī)的熱電偶的測(cè)量原理相同。由于熱容量小，響應(yīng)速度快，TFTCs可以的準(zhǔn)確測(cè)量出瞬態(tài)溫度。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的TFTCs是用來(lái)測(cè)量溫度信號(hào)與溫度傳感器的響應(yīng)過(guò)程。有三種動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法來(lái)校準(zhǔn)普通熱電偶: 階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)和斜坡響應(yīng)。這些方法都考慮作為一階慣性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的熱電偶循環(huán)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)曲線將出現(xiàn)較大的誤差而它是由普通的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)。目前，更先進(jìn)的方法基本上都是基于為動(dòng)態(tài)時(shí)間TFTCs的激光動(dòng)態(tài)校正。蔡等人，采用K型薄膜熱電偶分散各地的激光路徑來(lái)觀察這些轉(zhuǎn)換激光焊接能量，以監(jiān)測(cè)分布在激光焊接過(guò)程中的能量。楊?采用連續(xù)的二氧化碳激光器和摻釹玻璃脈沖激光的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的激勵(lì)熱源來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量瞬態(tài)高溫傳感器，借鑒他們的前輩，使用激光加熱TFTCs動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)整合。由于系統(tǒng)化熱輻射系數(shù)和位置運(yùn)動(dòng)的差異所產(chǎn)生的錯(cuò)誤而被淘汰。除了采用激光動(dòng)態(tài)來(lái)校正TFTCs的熱源，其他熱設(shè)備產(chǎn)生瞬態(tài)溫度上升也可用于系統(tǒng)中的激勵(lì)動(dòng)態(tài)熱。錢等人進(jìn)行一定量的研究工作，使用作為熱源加熱電路的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中，首先測(cè)量其成分和介紹了制造TFTCs電子探針。然后，動(dòng)態(tài)性能TFTCs的研究需要結(jié)合計(jì)算與測(cè)量。TFTCs的時(shí)間組合了不同的熱結(jié)片，在不同的采樣頻率下測(cè)量。最后，最短的響應(yīng)時(shí)間就得到了。 2 鎳鉻/鎳硅薄膜的制備 鎳鉻/鎳硅是一種廣泛使用的廉價(jià)金屬熱電偶材料。長(zhǎng)期使用，最高溫度可達(dá)到900℃，短期使用最高溫度可達(dá)到1200℃?？寡趸芰湍透g本熱電偶材料熱電的屬性，線性好，靈敏度高等。在此，被選為鎳鉻/鎳硅薄膜電極材料能滿足切割要求的溫度。 有幾種方法可用于制備鎳鉻/鎳硅薄膜材料，例如，真空蒸發(fā)，濺射沉積，離子鍍法。鎳鉻/鎳硅薄膜材料由更先進(jìn)的手段，從而微波電子回旋共振（MW-ECR）離子源增強(qiáng)射頻（RF）非平衡磁控濺射技術(shù)。不考慮合金成分的增加所造成的擴(kuò)散溫度和目標(biāo)上的再蒸發(fā)濺射薄膜基板，可以得到，其組件是相同的目標(biāo)。鎳鉻/鎳硅薄膜的組成電子探針測(cè)量顯示表1。 表1. 薄膜組成的比較和目標(biāo) 元件 鎳鉻 硅化鎳 鎳 鉻 鎳 硅 目標(biāo) 88.93% 9.50% 95.15% 2.50% 薄膜 88.95% 9.38% 95.29% 2.47% 圖1和圖2分別顯示掃描電子顯微鏡（SEM）照片和原子力顯微鏡（AFM）圖像鎳鉻/鎳硅薄膜。由圖1知，它可以是可見，鎳鉻/鎳硅薄膜的致密是均勻的和連續(xù)性是好的。 由圖2知可以看出，比鎳鉻薄膜的NiSi薄膜表面更光滑。鎳鉻薄膜的平均粗糙度是4.84納米，NiSi薄膜平均粗糙度為0.33納米。從上述結(jié)果可以看出，該合金復(fù)合材料的元素鎳鉻/鎳硅薄膜更接近于目標(biāo)。它們緊湊均勻，光滑，連續(xù)性好，符合制造要求。 圖1. 鎳鉻/鎳硅薄膜表面的SEM照片 圖2. 鎳鉻/鎳硅薄膜表面的照片 3 動(dòng)態(tài)的理論分析性能 TFTCs的表面上沉積的高速鋼基材涂上了二氧化硅絕緣膜。由于基質(zhì)的厚度很厚，故是非常大的薄膜，它在一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程可以被視為半無(wú)限。二氧化硅導(dǎo)熱系數(shù)低。因?yàn)槎鄬颖∧さ暮穸缺孺囥t/鎳硅小得多，所以二氧化硅的影響可以忽略不計(jì)。我們認(rèn)為，物理材料性能不隨溫度變化，因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯纳舷逌囟缺缺∧ず突宓娜刍瘻囟鹊偷枚?。熱傳輸是沿x方向（由假設(shè)沿垂直方向即面向矩陣），如圖3所示。 圖3 熱傳導(dǎo)模型 假設(shè)薄膜表面生成溫度步驟，F(xiàn)（T）=θ小號(hào)?等于一個(gè)常數(shù)，鎳鉻/鎳硅薄膜的分布函數(shù)是θ1（X，T），我們可以獲取 (1) 其中θ1（δ，t）的溫度分布函數(shù)， θS-步驟的溫度信號(hào)， ?erfc（?）-互補(bǔ)誤差函數(shù)， δ-鎳鉻薄膜的厚度, T-熱傳輸時(shí)間， α1-鎳鉻薄膜熱擴(kuò)散系數(shù)， ?K -相關(guān)系數(shù)。 當(dāng)t =τ，θ1（δ，τ）=0.632θs我們代入式（1） 可以獲取以下信息： (2) 其中erfc（?） - 高斯誤差函數(shù)， τ時(shí)間常數(shù)。 當(dāng)x較小，互補(bǔ)誤差函數(shù)是接近 線性的，erfc（3）≈3 erfc（x），式（2）可以簡(jiǎn)化為 (3) (4) 其中 α2 —熱擴(kuò)散系數(shù)矩陣，λ1, λ2 —薄膜和基體的導(dǎo)熱系數(shù)，此外， (5) 當(dāng)把α1, α 2, λ1, λ4代入方程（4），K=0.912，K, α1, δ代入方程（3），我們可以得到膜傳感器的時(shí)間常數(shù)T等于是32.011ns，如圖表2。 表2. 不同厚度的薄膜材料的響應(yīng)時(shí)間 參數(shù) 樣例1 樣例2 厚度δ/μm 2.89 3.78 導(dǎo)熱系數(shù)λ1/(cal * cm * s * K) 0.04842 0.04842 反映時(shí)間τ/ns 32.011 152.606 它從上述結(jié)果可以得出結(jié)論，影響薄膜的時(shí)間常數(shù)τ的主要因素是熱擴(kuò)散系數(shù)，熱導(dǎo)率和薄膜厚度薄膜材料。此外，時(shí)間常數(shù)τ熱結(jié)的厚度δ成正比?！氨∧犭娕嫉捻憫?yīng)速度可以明顯改善并降低了薄膜的厚度。 4. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量及結(jié)果分析 為了研究磨損的TFTCs對(duì)時(shí)間常數(shù)的影響，一系列的熱結(jié)去被準(zhǔn)備。有些區(qū)域是1.0毫米×2.5毫米，0.8毫米×2.5毫米，0.5毫米×2.5毫米，0.3毫米×2.5毫米。一系列TFTCs如圖4。 圖4 一系列的TFTCs 4.1 TFTCs動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方案 在本文中，超CFR超短脈沖激光已經(jīng)用來(lái)作為激勵(lì)熱源。激光參數(shù)如下：重復(fù)頻率1-20千赫，脈沖持續(xù)時(shí)間為固定為8 ns，激光的能量為0.1-0.5兆焦耳，重復(fù)頻率設(shè)置為10千赫。為了更可能使溫度曲線更明顯，那么要選擇能量越高越好。據(jù)實(shí)驗(yàn)，0.3兆焦耳被選為參數(shù)激光獎(jiǎng)勵(lì)熱源。其測(cè)試原理是如圖5。 圖5 計(jì)劃的動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)測(cè)量的TFTCs 輸出的激光被薄膜熱電偶傳感器，用精密放大器電路使信號(hào)擴(kuò)增到1000倍，熱傳感器出口聚集的電勢(shì)信號(hào)被DT9800采集。為了確保動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確性測(cè)試，傳感器和測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)接地，以減少對(duì)信號(hào)調(diào)理電路和記錄儀器所造成的干擾，和對(duì)激光電源及其它電磁設(shè)備的干擾。 4.2 薄膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量熱電偶在不同的熱交界處的寬度。 已使用超CFR短脈沖激光，脈沖寬度為8 ns，重復(fù)頻率為1赫茲激光器能量為0.3兆焦耳。數(shù)據(jù)收集由DT9800采集卡，時(shí)間常數(shù)測(cè)量熱交界處的寬度分別為0.3，0.5，0.8，1.0毫米。在1赫茲重復(fù)頻率響應(yīng)曲線100 kHz的采樣頻率，如圖6。不同寬度的熱時(shí)間常數(shù)曲線如圖交界處。從圖7，可以看出，當(dāng)熱接觸面積減少到3.3倍，響應(yīng)時(shí)間的差異很小。熱容量影響的主要因素是線薄膜熱電偶，這是熱電偶響應(yīng)時(shí)間通過(guò)乘以面積薄膜的厚度。 圖6 脈沖響應(yīng)曲線 熱容量是影響的線薄膜熱電偶響應(yīng)時(shí)間的最主要因素，這是響應(yīng)時(shí)間通過(guò)熱電偶的厚乘以薄膜的面積，TFTCs的厚度和面積影響響應(yīng)時(shí)間的主要因素。從傳熱模型的公式可以推斷：當(dāng)改變了3倍甚至30倍，宏觀上并沒有改變，因?yàn)楸∧さ暮穸缺绕湫K改變了10-5到10-3倍?？傊∧さ暮穸仁怯绊戫憫?yīng)時(shí)間的最重要因素。 圖7 時(shí)間常數(shù)曲線的四個(gè)TFTCs 4.3 在不同的采樣頻率熱電偶，薄膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量 當(dāng)采樣頻率為10千赫，50千赫，100千赫在相同的測(cè)試條件，熱結(jié)寬度為0.5毫米和時(shí)間常數(shù)分別0.224毫秒，0.126 ms和0.095毫秒。響應(yīng)時(shí)間和采樣頻率的關(guān)系如圖8。動(dòng)態(tài)重新響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在降低采樣頻率在10 kHz至50 kHz范圍內(nèi)。測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間采樣頻率應(yīng)大于50千赫，以獲得穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。 圖8 響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系和采樣頻率 4.4 偏差分析 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算值和測(cè)量值之間有很大的區(qū)別，主要的原因可能是總結(jié)如下。 （1）上的TFTCs表面激光是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，當(dāng)薄膜的動(dòng)態(tài)特性;熱電偶被視為一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間不斷的精度是由輸出曲線估算的。 （2）在本研究中，影響鎳鉻薄的溫度傳輸已展開調(diào)查，而二氧化硅的影響被忽略計(jì)算。導(dǎo)熱薄膜所取代了塊，從而影響計(jì)算值小于測(cè)量值。 （3）薄膜電極是合金材料，熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著物質(zhì)組成的變化，電極的組成是一個(gè)重要的影響因素常數(shù)。 （4）激光調(diào)制不把不斷減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的錯(cuò)誤考慮在內(nèi)。測(cè)試的準(zhǔn)確性能夠通過(guò)增加能量的碰撞和減少激光脈沖的寬度而提高。 5結(jié)論 （1）刀具的測(cè)量傳感器的時(shí)間常數(shù)通過(guò)更加先進(jìn)的MW-ECR 等離子體源增強(qiáng)非平衡磁控濺射反應(yīng)技術(shù)，可以達(dá)到微妙的精度，這是適合測(cè)量瞬態(tài)溫度迅速變化的。由此可以得出結(jié)論，這種傳感器的熱結(jié)面積對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間影響不大。 （2）可以學(xué)到的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)時(shí)常數(shù)τ是成正比的厚度δ熱交界處，薄膜熱電偶的響應(yīng)速度被減少的厚度明顯改善薄膜。 （3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)超CFR短脈沖激光的方式構(gòu)造和激光脈沖寬度為8 ns。采樣頻率達(dá)到100千赫。最短響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試0.042毫秒。 （4）抽樣頻率應(yīng)大于50千赫測(cè)量時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間需通過(guò)短脈沖測(cè)量。