微波烧结计算机自动控制系统

1．绪 论

1.1 材料微波处理技术发展概况

微波是波长在1mm～1m之间的电磁波，其对应的频率范围是：300MHz～300GHz,介于红外线与无线电波之间。微波技术是近代科学的重大成就之一，微波的应用范围，除了人们十分熟悉的微波通信之外，还涉及到医药卫生，公路建设、航空航天、环境保护、能量传送和人们的日常生活等各个方面。在工业领域，微波能已开始用于材料合成、材料烧结、有机物处理、废物利用、杀菌消毒等。微波能在这些领域都有其独特的优点。几十年来，微波已发展成为一门比较成熟的学科，在雷达、通讯、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用。

微波烧结技术起源于欧美等发达国家，美国宾州州立大学材料研究院是世界上最早从事微波烧结技术研究的单位之一，从80 年代中期开始，该研究院一直在进行微波烧结电子陶瓷的研究工作。而日本则比较注重微波的工业应用，日本的核融合科学研究所和高砂窑业等单位主要研究微波煤处理、粉末冶金、磁性材料烧结等,目前主要进行微波在建筑陶瓷等领域的工业化应用。

1.2 电子陶瓷材料微波烧结的特点

1.2.1电子陶瓷的烧结工艺

信息功能陶瓷材料主要包括半导体敏感陶瓷（正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）、ZnO 压敏电阻等）、BaTiO3 电容器瓷、铁电压电陶瓷等。信息功能陶瓷元器件在电子、通讯、计算机等领域得到广泛应用。信息功能陶瓷材料的制造工艺的主要过程有：原料检验、称量、混合、脱铁、脱水、干燥、成型、预烧、粉碎、造粒、成型、烧结、上电极、测量、装配和成品检验等16 个步骤。其中，烧结也称为烧成，是制造电子陶瓷材料的关键工序。功能陶瓷元件的烧结温度较高、烧结时间较长，如PTC 元件一般要烧结10 多个小时，高温区的时间约1-2 小时。在高温下，陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。半导体陶瓷对烧结工艺十分敏感，烧结温度、保温时间、升降温速率对产品性能影响极大。

1.2.2微波烧结与传统烧结的对比

微波加热法与传统的加热法有许多不同的地方，比如：两者的加热机制不同，传统的加热方法是通过热量的辐射来达到加热的目的，属于直接接触法加热，微波加热法是通过能量转换来使物体加热的，属于非接触法加热；加热的对象也不同，微波加热具有选择性，只有损耗高的物质才能够被微波加热；热量传导曲线不同，由于微波加热时体加热，物质自身成为发热体，由于物体的外部可以与外界环境进行热传递，而物体内部的热量散发不出去，因此，物体的内部温度比外部温度高，热量由内向外传递，所以微波加热法的温度场与传统加热法的温度场正好相反。

1.3 微波烧结计算机自动控制系统的功能和要求

根据电子陶瓷烧结工艺的具体要求，微波烧结计算机自动控制系统的主要功能有：
（1） 配置嵌入式微机控制系统，可在手动和自动两种模式之间自由切换
（2） 计算机显示与控制，并且记录每次运行的温度数据。
（3） 能够对温度进行分段控制，升温曲线最多可以设置 30 段。
（4） 微波输出功率连续可调
（5） 采用红外测温仪作为测温装置，精度高，且抗微波干扰。
（6） 采用碳化硅作为辅助加热材料，可加工处理对微波耦合程度不同的材料，
具有通用性。
（7） 烧结时间比传统工艺较大幅度减少。
（8） 烧结过程耗电量大大降低。
（9） 微波磁控管采用强迫水冷，确保设备安全、延长磁控管的使用寿命。
（10）具有安全可靠的防微波泄露措施，微波泄露参数符合国家标准
（11）安全、洁净、舒适、人性化

2．微波烧结计算机自动控制系统的总体设计

与传统高温设备相比，微波高温设备与材料制备工艺的联系更为紧密。只有完全掌握了材料的微波吸收与反射特性并根据这些参数进行设计才有可能制造出专用微波能高温设备。微波烧结要求人们对微波烧结设备和对材料自身性能都有充分的理解，只有结合两者的特点，才能够充分发挥微波烧结的优势。计算机可以精确控制微波的发射功率，根据温度来控制烧结过程，因此计算机控制是微波烧结设备的发展趋势。

下图是烧结系统工艺流程图：

2.1 微波烧结电子陶瓷材料的原理

2.1.1微波加热原理

陶瓷材料在微波电磁场的作用下，会产生如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等介质极化。参与极化的微观粒子种类不同，建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高，使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化，极化强度矢量P 会滞后于电场强度矢量E 一个角度，导致与电场同相的电流产生，这就构成了材料内部的耗散。在微波波段，主要是偶极子转向极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散。

2.1.2微波效应

微波效应是指微波烧结过程中,除了微波热效应之外的效应，也就是微波非热效应。目前，微波效应是一个颇有争议性的问题。微波效应的表现为：烧结速度加快、烧结温度降低、反应方式与反应产物的差异。

2.2 微波烧结炉的组成、结构

微波烧结炉是由微波源、波导和微波反应腔组成。微波源是产生600W～100KW功率，频率可为2.45，0.915，28 GHz 微波的硬件部分。波导是连接微波源与微波反应腔的金属线性管状物体，其作用是传导微波，使其到达微波反应腔。微波反应腔就是一个微波谐振腔，通常是用金属制成的，通过特殊工艺制作成的隔热性能强的一个箱体。

2.3 系统的总体框架

微机化测控系统是以微机为核心的测控系统，微机化测试系统的设计部仅要求设计者熟悉该系统的工作原理、技术性能和工艺结构，而且要掌握微机硬件和软件设计原理。随着计算机技术的飞速发展，工业自动化技术曰新月异，计算机自动控制系统也呈现多样化。但是，总的来说，每种自动控制系统都是由两个部分组成：底层控制平台和上层控制。要想得到良好的控制效果，首先必须建立坚固的底层控制平台，坚固的底层平台必须具备这几个方面的特性：抗干扰性、高稳定性、高可靠性、开放性、独立性和智能化。

3．系统硬件设计

测控系统的硬件电路是由各种元件和器件按照设计的线路连接而成的，因此，计算机测控系统的硬件设计包括：元器件的选择和电路设计两方面，这两方面是紧密不可分割的。本系统的硬件组成包括：微波发生器、控制单元、温度测量装置，波导管和微波反应腔等五个部分。

3.1 微波发生器

微波能量是由微波发生器产生的，微波发生器包括微波管和微波管电源两个部分。其中微波管电源（简称电源或微波源）的作用是把常用的交流电能变成直流电能，为微波管工作创造条件。微波管是微波发生器的核心，它将直流电能转变成微波能。

3.1.1磁控管的结构及其特性

磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。

3.1.2磁控管驱动电源

图3-3 为磁控管的负载等效电路：

图3-4 为磁控管电压-电流特性曲线：

如图可知，磁控管的负载特性与二极管的负载特性非常类似，当阳极电压小于阈值电压时，负载特性就是一个Ro 的电阻，阻值很大，几乎没有电流流过。当阳极电压大于阈值电压时，负载特性就是图中的负载2 所示，电阻R1 很小，产生振荡，从磁控管的天线输出微波。

3.2 控制单元

目前，此类工业设备的控制单元多采用PLC 控制，PLC 适用于大多数工业现场，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣环境中与强电一起工作，PLC 运行的可靠性很高，稳定性好，在工业环境下抗强电的干扰能力很强[。但是其缺点也是很显而易见的，PLC 体系结构是封闭的，各PLC 厂家的硬件体系不兼容，编程、语言及指令系统也各异。当用户选择了一种PLC 产品后，必须选择与其相对应的控制规程。

3.3 温度测量装置

由于微波是频率很高的电磁波，其对设备的干扰不容忽视。因为微波是高频电磁波，会对热电偶产生干扰，使其信号紊乱。因此，传统的热电偶测温法已不适用于微波加热系统，红外测温用于微波烧结系统的温度测量是非常适用的[26]。本文的温度测量是用红外测温技术。

3.4 波导管及微波耦合器

前面已经讲过，材料对微波的作用有反射、吸收和穿透三种。块状金属物体对微波有反射作用，就像光线照到光滑的镜面上产生的反射一样，波导管就是利用这个作用设计的。微波自磁控管天线产生后，根据微波反应腔的形状与入口，需要一段微波波导管将微波导入反应腔内。

3.5 微波反应腔与辅助加热装置

微波反应腔是材料与微波反应的场所，是由金属制成的微薄谐振腔。它使微波在腔体内产生谐振，使微波在腔体内均匀分布，能够被材料所吸收。微波反应腔内需要配置一些保温材料，保温材料必须是能够让微波穿透，没有杂质，使微波能够达到被处理的材料体内。国内也有一些发明专利中，使用了某种特质保温材料，可以使微波的传播成折射状态，使微波能聚焦到所处理的材料所在的区域。

4．系统软件设计

本设计的系统软件是上位机控制软件，它负责人机接触，提供友好的界面，方便用户使用微波烧结系统。软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示灯功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境[36]。本系统的软件是基于VC++6.0开发，软件的基础是MFC 中的应用程序框架。其具体功能是：处理从智能控制仪表中发送的数据、显示系统运行的状态、发送用户的各项控制指令至控制仪表中、记录系统每次运行的温度曲线。

4.1 软件使用的关键技术：

4.1.1面向对象程序设计

面向对象程序设计是软件工程理论中结构化设计、数据抽象、信息隐藏、知识表示及并行处理等各种理论的积累和发展。面向对象思想的基础就是类，它是客观世界中事物的行为和特征的抽象概括。

4.1.2动态链接库技术

动态链接库是由用户自己开发的、可以被最终用户（包括用户本人和其他使用该模块的人）具有某一特定功能的函数和类的集合。

4.1.3多线程编程

线程（thread）是执行线程（thread of execution）的简称。进程是以一个线程（称为主线程）作为开始。根据需要，进程可以产生更多的线程（利用CreateThread），让CPU 在同一时间执行不同段落的程序代码。在只有一个CPU 内核的情况下，不可能真正有多任务的情况发生，"多线程同时工作"的幻觉主要是靠调度器来完成，它是以一个硬件定时器和一组复杂的线程调度规则，在不同的线程之间作快速切换操作。

4.1.4定时器技术

在软件的设计中，一些有关时间的确定，运用了两种定时方式：第一种是Sleep()函数，第二种是用Windows 平台的定时器。

4.2 软件总体结构

系统软件主要实现读取智能温控仪表数据、数据处理、系统状态显示、绘制实时温度曲线、发送控制命令和记录历史曲线等功能。

4.3 串口通信

串口通信的又分同步串口通信和异步串口通信，上位机通信一般采用异步串口通信。在Microsoft Windows 下开发串行通信程序通常有如下四种方法：
（1） 利用 Windows API 通信函数。
（2） 利用 Windows 的读写端口函数_inp、_inpw、 _inpd、 _outp、 _outpw、_outpd,或开发驱动程序（Windows NT 系列），直接对串口进行操作。
（3） 利用第三方提供，或自己编写的通信类。
（4） 使用串口通信组件，如 ActiveX 控件MSComm。

4.4 数据处理

本文的数据处理主要是针对于PC 机接收的控制仪表的数据和软件发送到控制仪表的数据处理。系统状态的显示、数据的存储和历史数据的调出等都是数据处理的内容。这些数据有格式的转换，数据结构的设计等等。都是通过各独立的函数来实现的。

4.5 系统安全

为了使本软件在运行状态下不被误操作或者不被非工作人员设置。本软件设置了一个登录系统，只有输入用户名和密码才能进入系统，进行相关操作。

5．系统的调试及微波烧结PTC 工艺实验

系统的硬件电路设计和软件开发完成之后，接下来的工作就是对系统的调试及运行，只有各项指标都达到要求之后，才能对电子陶瓷材料的微波烧结进行试验。

5.1 系统的调试与运行

5.1.1串口通信调试

串口通信的调试是检查通信的准确性及可靠性。

5.1.2曲线绘制的调试

曲线的绘制是通过创建一个派生类来完成的。

5.1.3温度测量调试

对于不同颜色的材料，红外测温仪在同一发射系数下测量的温度值是不一样的，这是因为不同颜色发射的红外线波长不一样。

5.1.4微波馈入调试

对微波馈入的调试是调节微波耦合器使微波的反射功率达到最小，微波能量尽量被材料所吸收。

5.1.5系统的运行

在调试工作完成之后，就可以正常运行微波烧结系统了，此时的系统是不会也不允许出现任何错误的。

5.2 运行结果、控制精度及误差分析

影响系统精度的因素主要是红外测温仪的精度、温度控制仪的精度、微波源的输出稳定度及PID 参数是否满足材料的微波吸收性能等。

6．总结

论文得出的主要结论如下：
(1) 红外测温为非接触式测量测温，精确度高。热电偶测温为接触式测温，虽然热电偶测温的精度较高，热电偶必需放置在测试环境中。在微波烧结系统中，微波电磁场对热电偶信号有较大干扰，论文采用红外测温仪，系统的温度测量精度高，系统工作稳定可靠。系统的测温精度为： 350-1500°C，±0.3%。
(2) 论文利用智能温度控制仪通过通讯接口与计算机相连，可以方便、灵活地用上位机控制软件设定升温曲线。仪表通过PID 算法输出的控制量可以精确控制微波源产生微波的功率大小，系统具有较高的控温精度高，控制精度达到±2℃。此外采取合适的屏蔽措施有效防止了强电对仪表的干扰。
(3) 论文根据材料吸收微波的特性，设计了结构合理的保温装置和辅助加热装置。本文用氧化铝作为炉膛，高铝纤维为保温材料，碳化硅为辅助加热材料设计出的保温装置，使样品可以得到均匀烧结。
(4) 系统软件采用了面向对象程序编程技术，迅速方便地设计了上位机控制程序，Visual C++编写的基于MFC 的应用程序功能强大、界面友好；多线程技术提高了CPU 运行的效率；动态链接库使得程序更模块化；串口通信控件保证了上位机与智能温控仪表的通信正确、有序地进行。
(5) 利用所设计的微波烧结系统烧结出了高性能的PTC 陶瓷片。与传统烧结工艺烧结样品相比，微波烧结PTCR 的致密性较高，均匀性较好，相对密度为91.6%，冲击电流达到5A以上。烧结时间缩短为传统烧结的1/4，耗能为传统烧结的1/5，烧结温度与传统烧结相比降低了60℃，达到了研究的预定要求。
(6) 通过对保温系统和升温曲线的改变，本微波烧结系统可以用于多种电子陶瓷材料的烧结。

【参考文献】
[1] 易健宏,唐新文, 罗述东等。微波烧结技术的进展及展望. 粉末冶金技术, 2003.21(6):351～354
[2] 马金龙,童学锋，彭虎. 烧结技术的革命——微波烧结技术的发展及现状.新材料产业, 2001.11(6)：30～32
[3] 周东祥，龚树萍.PTC 材料及应用.第一版.武汉: 华中理工大学出版社, 1989

作者：电子与信息工程学院自动化096   王筱淳