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传感器在热处理中的应用一、传感器与金属热处理的关系目前热处理工艺并没有如人们想象的那样普遍可以得到控制，而热处理工艺的高可靠性对人们的生产生活是非常有用的。热处理过程中一些重要参数有：炉膛温度、工件温度、气氛的碳式、碳流量或氮流量、气流、炉压、油淬温度、淬火油搅拌和淬火激烈程度。如表1所示,其中许多参数可以用有效的传感器或分析仪进行测量和控制。然而,将近有一半的参数因为还没有传感器或测量仪器而进行测量。表1　重要热处理过程参数的控制重要的工艺参数可用的传感器或分析仪炉温热电偶、高温计工件温度无/高温计、热电偶气氛浓度(C,N,O)氧探头、气体分析仪碳流量,氮流量无气体流量流量计炉压压力表淬火油温度热敏电阻淬火油搅拌无淬火强度无(IVF-淬火测试仪)有时候热处理结果存在一些变化,主要是因为热处理过程中的一些重要参数测不到。为了解决这个问题,几年前已开始研究,一方面提高现有测量仪器的可靠性,另一方面开发测量热处理过程的新传感器。二、金属热处理介绍金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。加热是热处理的重要工序之一，加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外，转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。金属整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火共四种基本工艺。三、几种传感器在热处理中的应用（一）、氧探头传感器在热处理可控气氛中的应用与其他氧分析仪器相比，氧探头传感器具有响应速度快，可连续跟踪检测，灵敏度高，测量精度高，结构简单，以及安装使用方便等优点，因而越来越受到热处理要求高、自动化程度高的设备制造企业的重视。在热处理可控气氛炉中应用和推广碳势控制技术，标志着热处理行业的一大进步。而利用氧探头、碳势控制仪在可控气氛炉中进行碳势控制，是热处理领域的又一重大突破。由于氧探头响应速度快，测量精度高，能直接与被测气氛接触等特点。同时也逐步扩展至其他相关可控气氛设备的工艺控制和测量之中。氧探头在热处理行业的技术进步和起到的作用，越来越被热处理业内人士所认知。由于使用条件的不同，氧探头传感器的结构形式也各有区别，但是氧浓差电池的传感元件组成和工作原理是相同的。1、工作原理氧探头是利用固态电解质氧化错(球、柱、片或管状)陶瓷敏感元件测量炉内渗碳气氛中的氧分压，由于炉外氧分压P，和炉内氧分压Pz不同，在氧化错的两侧产生浓差电势E, E的大小符合能斯特方程:E=1/NF·RT·ln(P1/P2)式中 E-浓差电势(mV); N-电极反应中电子转移数; R-气体常数，8.314J/K·mol-; F-法拉第常数，96.487J/ mv·mol-; T-氧化错温度(K); P1-参比气(空气)中的氧分压; P2—炉内气氛中的氧分压。2、工件温度氧探头的工作温度一般为800~1100℃，其额定下限工作温度为800℃，必须在这个温度以上才能使用，此时反映的氧势值才是正确的，这是由氧化锆电解质特性所决定的。（二）、热电偶在金属热处理1、温度传感器的选择温度传感器是把非电量温度转换成电信号的传感器，按测温的方式，可分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器，包括热电偶、热电阻、PN结温度传感器、热敏晶体管、可控硅和集成温度传感器。非接触式温度传感器，包括利用塞贝克效应制成的红外吸收型温度传感器和MOSFET红外探测器。热电偶温度传感器相对于热敏电阻等其他温度传感器，具有温度控制精度高，温控点调节方便，本身结构简单等特点，适合工业电热装置。由于金属热处理需要的温度为