基于蓝宝石光纤黑体法的焊头动态温度高速测量系统研制.pdfVIP

哈尔滨工业大学专业硕士学位论文

摘要

温度作为物理学中的基本物理量之一，在安全、工艺控制、节能、故障诊断和

科学研究等各个领域都具有十分重要的意义。准确的温度测量和监控可以提高生

产效率、保护人员设备安全、推动科学研究和工程技术的发展。随着技术的不断进

步，电子元器件的尺寸和集成度不断提高。在微小器件的生产和应用中，对焊接工

艺的要求也越来越高。

焊头的温度是焊接过程中的一个重要参数，对焊接质量和效率具有重要影响。

由于焊头工作过程温度变化快且焊头体积小，国内外对焊头工作温度的研究多停

留在理论方面，针对焊头温度实时测量的研究是工业生产中亟需解决的问题。本文

针对晶体管式焊接电源的焊头温度测量需求，研制了一套基于蓝宝石光纤黑体法

的焊头测温系统。

首先，本文介绍了基于蓝宝石光纤黑体法的焊头温度测量系统中的关键设计

要素——黑体腔探头的设计。讨论了黑体腔的形状、尺寸、材料和镀膜工艺等方面

的设计对温度测量性能的影响。设计了直径100μm、长度1mm的柱形腔结构，使

用金属铂作为蓝宝石光纤的黑体腔镀膜材料。并进行了有限元仿真分析验证设计

的黑体腔是否满足系统的响应时间要求。

其次，描述了基于蓝宝石光纤黑体法的焊头测温系统的系统搭建。介绍了光纤

传光系统的设计，通过多物理场仿真分析焊头工作过程和光纤传热过程，以此确定

了黑体腔探头埋入光纤的位置和蓝宝石光纤的长度，并讨论了硬件系统中关键模

块的设计，包括红外探测器的I/V转换电路、放大电路、系统供电模块以及高速数

据采集模块。设计了以STM32单片机为核心的离线测温系统，以及基于LabVIEW

的在线测温系统，实现温度数据的存储和显示。

最后，对本文测温系统的标定方法和误差分析进行了讨论。通过分析不同拟合

结果的决定系数和简化的卡方检验，评估拟合模型和观测数据的拟合程度，确定了

对测温区间分段进行幂函数拟合的方法。对焊头工作过程进行了实际测量实验，并

对焊头测温系统的测量误差和测量结果不确定度进行了分析。实验结果表明，该测

温系统的测量效果满足焊头温度测量的需求，在置信概率为95%的条件下，整体

的不确定度为2.88%。

关键词：焊头温度；蓝宝石光纤；黑体法；有限元仿真

-I-

哈尔滨工业大学专业硕士学位论文

Abstract

Asoneofthefundamentalphysicalquantitiesinphysics,temperatureisofgreat

importanceinvariousfieldssuchassafety,processcontrol,energysaving,

troubleshootingandscientificresearch.Accuratetemperaturemeasurementand

monitoringcanimproveproductionefficiency,protectpersonnelandequipmentsafety

andadvancescientificresearchandengineering.Astechnologycontinuestoadvance,the

sizeandintegrationofelectroniccomponentscontinuestoincrease.Intheproductionand

applicationoftinydevices,thedemandsonthesolderingprocessarealsoincreasing.

Thetemperatureofthesolderingheadisanimportantparameterinthesoldering

processandhasasignificantimpactonthequalitya