CN104458013A - 一种发动机热防护结构温度场多模测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机热防护结构温度场多模测量系统，系统包括标准辐射源、辐射测温传感系统、三维转台、现场控制系统和远程综合控制系统；被测目标和标准辐射源发出的光线被辐射测温传感系统探测，形成测量数据，经由现场控制系统传输至远程综合控制系统中，三维转台用于调节辐射测温传感系统的俯仰角和方位角；标准辐射源作为实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。辐射测温传感系统包括一个红外宽波段温度场测量装置和可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置，根据上述两个测量装置获取的测量值，确定被测目标的温度。

Description

一种发动机热防护结构温度场多模测量系统

技术领域

本发明涉及温度测量系统，尤其涉及一种发动机热防护结构温度场多模测量系统。

背景技术

对于发动机热防护结构的温度场测量，现有技术主要采用是接触式测量方法和光学非接触测量方法。其中，接触式测量方法采用热电偶等接触式温度传感器，由于其测温上限低、动态响应特性较差、干扰被测目标等缺点，无法很好满足发动机热防护结构的温度测量需求。因此，光学非接触温度测量(也称为辐射测温法)在发动机试验中的应用日益广泛，其测量方案主要有：波段积分与单色测量方案、比色测量方案、多波长测量方案等。

辐射测温法测量真实温度的最大障碍是受到被测对象发射率的影响。波段积分与单色测量方案模型简单，但受到被测对象发射率影响较大，只有对黑体进行测量时才能得到准确温度场，且容易受到测量环境影响，因此在实际温度测量时难以得到理想的结果，应用较少。为消除目标发射率以及温度场测量中杂质、水汽等的吸收和被测物所处环境的反射对温度场测量的影响，可采用发射率变化缓慢区域距离较近的两个波长，利用两个探测器分别接收两个窄波段通道的辐射信号，通过比色法来精确测量出物体的温度场。比色测量方案中，利用了在一定的波段范围内，被测目标光谱发射率相等与波长无关的假设。实际应用中，由于某些目标光谱发射率不相等，与波长的关系为一阶或更高阶的关系，因此需要采用多波长测量方案。理论上，只要目标光谱发射率与波长关系精确，就可以根据多波长温度测量原理同时得出被测物体的真温和光谱发射率，其测温的理论模型最为先进。但多波长温度测量方法耗时较长，不适合对高速变化的温度场进行直接测量。

发明内容

为了解决上述发动机热防护结构的温度场测量方法存在的问题，本发明提供了一种发动机热防护结构温度场多模测量系统。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种发动机热防护结构温度场多模测量系统，系统包括标准辐射源、辐射测温传感系统、三维转台、现场控制系统和远程综合控制系统；被测目标和标准辐射源发出的光线被辐射测温传感系统探测，形成测量数据，经由现场控制系统传输至远程综合控制系统中，三维转台用于调节辐射测温传感系统的俯仰角和方位角；标准辐射源作为实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。

所述标准辐射源可以是红外与可见光复合标准辐射源，所述红外与可见光复合标准辐射源能够更好的克服被测目标到测量系统之间路径上的气体吸收和现场杂散光的干扰，提高校正准确率。

所述辐射测温传感系统可以设置成为包括红外宽波段温度场测量装置以及可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置，根据两个测量装置获得的测量数据，确定被测对象的温度。

可以设置分光及光路折转系统以将输入光线分别传送至所述红外宽波段温度场测量装置和所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置。

所述红外宽波段温度场测量装置优选包括一次成像光学系统、温度实时校准黑体、量程切换机构、二次成像光学系统、非制冷红外焦平面探测器及第一后处理电路；温度实时校准黑体设置于一次成像光学系统的像面上，从所述温度实时校准黑体输出的光线经过量程切换机构从而实现不同量程的切换，此后，光线经过二次成像光学系统成像在非制冷红外焦平面探测器上，探测器输出的电压值经第一后处理电路后，输出第一测量数据。

所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置优选包括前端光学系统、滤光系统、后端光学系统、CCD探测器和第二后处理电路；所述前端光学系统将光线会聚到所述滤光系统平面上，所述滤光系统将所述光线分离成单色光，后端光学系统将所述单色光成像在CCD探测器上，CCD探测器输出的电压值经过第二后处理电路后，输出第二测量数据。

所述红外宽波段温度场测量装置还可以包括调焦机构，所述调焦机构用于根据被测目标的距离，调节光学系统焦距，使被测目标通过光学系统后在所述非制冷红外焦平面探测器焦平面上成清晰图像。

所述辐射测温传感系统还可以包括防护结构，所述分光及光路折转系统、所述红外宽波段温度场测量装置和所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置设置于所述防护结构内，入射光线经过设置在防护结构上的宽波段窗口入射至所述分光及光路折转系统。

在所述防护结构上还可以设置目视瞄准镜，用于人眼通过目视瞄准镜观察目标，可在现场迅速调节光学系统焦距。

本发明有益效果如下：

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)在被测目标附近，设计了标准辐射源，作为现场实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，由测量系统接收，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长下的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。特别的，红外与可见光复合标准辐射源,能够更好的克服被测目标和测量系统之间路径上的气体吸收及现场杂散光的干扰因素，提高测量准确性。

(2)在红外宽波段温度场测量装置光路中，设计了两个光学成像面，将温度实时校准黑体处于一次像面上，对红外测量系统进行实时温度校准，克服非制冷红外探测器温度漂移对测量的不利影响。

(3)将红外宽波段测量方案与比色测量方案及多波长测量方案相结合，实现了在宽温度范围的动态真温温度场测量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为发动机热防护结构温度多模温度测量系统的结构；

图2为辐射测温传感系统；

图3为红外宽波段温度场测量装置；

图4为可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

图1为发动机热防护结构温度场多模测量系统的结构。本发明的发动机热防护结构温度场多模测量系统，包括标准辐射源、辐射测温传感系统、三维转台、现场控制系统和远程综合控制系统。

被测目标一般包括发动机热防护结构、尾喷口内壁及外壁等。

被测目标和标准辐射源发出的光线进入辐射测温传感系统。

标准辐射源作为现场实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长下的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。通过对被测目标的研究以及实验测量，可以确定，被测目标和测量系统之间路径上的气体吸收及现场杂散光的干扰因素，是影响测量准确率的关键因素，而将标准辐射源设置为红外与可见光复合光源，能够更好的克服被测目标和测量系统之间路径上的气体吸收及现场杂散光的干扰因素，提高测量准确性。

辐射测温传感系统包括一个红外宽波段温度场测量装置和可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置。

远程综合控制系统位于中控室，对整个系统进行控制，其余部分均位于试验现场，其中，现场控制系统位于试验舱外，通过千兆以太网与远程综合控制系统进行数据交换，传输测量图像数据和控制命令数据。辐射测温传感系统安装在三维转台上，放置于试验舱内，对被测目标进行测量。

远程综合控制系统通过与现场控制系统通信，从辐射测温传感系统获取图像数据，进行分析、处理、存储及显示。在需要进行三维转台控制时，远程综合控制系统向现场控制系统发送命令，由其产生驱动信号，进而控制三维转台。此外，三维转台还有手动工作模式，可以在现场手动调节俯仰角和方位角，方便现场使用。

图2为辐射测温传感系统。辐射测温传感系统，包括：宽波段窗口、分光及光路折转系统、红外宽波段温度场测量装置、可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置、目视瞄准镜以及防护结构。被测目标和标准辐射源发出的光线进入宽波段窗口后，被分光及光路折转系统接收，分光及光路折转系统将光线分别传送至红外宽波段温度场测量装置和可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置进行同时测量。分光及光路折转系统、红外宽波段温度场测量装置和可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置外设置有防护结构，防护结构能够隔离和屏蔽冲击、震动、低气压、电磁干扰等现场不利因素，保证系统稳定可靠工作。所述宽波段窗口设置在防护结构上。在防护结构上还设置有目视瞄准镜。所述目视瞄准镜用于在系统现场测试用，用于人眼通过目视瞄准镜观察目标，可在现场迅速调节光学系统焦距。辐射测温传感系统中的红外宽波段温度场测量装置和可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置可以是现有的测量装置，也可以是本发明提出的，如图3，图4的装置，具体如下描述。

图3为本发明提出的红外宽波段温度场测量装置。所述红外宽波段温度场测量装置包括一次成像光学系统、温度实时校准黑体、量程切换机构、二次成像光学系统、调焦机构、非制冷红焦平面外探测器及后处理电路。被测目标发出的红外辐射光线以及标准辐射源发射的光线被分光与光路转折系统转发至红外宽波段温度场测量装置，上述光线首先经过一次成像光学系统形成像面，温度实时校准黑体处于该像面上，能够对红外测量系统进行实时温度校准，克服非制冷红外探测器温度漂移对测量的不利影响。量程切换机构将具有不同透射率的衰减片插入光路，从而实现不同量程的切换，从而避免非制冷红外焦平面探测器饱和。二次成像光学系统使被测目标最终成像在非制冷红外焦平面探测器上，实现光电转换，经后处理电路进行数字化处理后，形成红外图像数据，作为第一测量数据传输至远程综合控制系统中。红外焦平面探测器根据整个系统的温度测量范围、精度、图像分辨率以及帧频等技术指标来进行选择，同时也要兼顾环境适应性的要求，为了缩短开发周期，可选用带后处理电路的探测器模块。其光学系统的设计应使测量目标在探测器光敏面上成清晰的像，同时既要保证系统整体具有足够的灵敏度，也要保证探测器不会由于信号过强而产生饱和现象。为了支撑光学系统、红外探测器等各部件，并且实现红外成像测量系统的电动调焦功能，同时实现红外成像测量数据的传输，还应设计机械及电气系统。

图4为本发明提出的可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置。可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置包括前端光学系统、滤光系统、后端光学系统、CCD探测器及后处理电路。被测目标发出的红外辐射光线以及标准辐射源发射的光线被分光与光路转折系统转发至所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置。首先进入前端光学系统，前端光学系统将上述光线会聚到滤光系统平面上，滤光系统将被该光线分离成单色光，后端光学系统将上述单色光成像在CCD探测器上，完成光电转换，后端处理电路将CCD探测器输出的电压值转化成数据量，从而获取各单色波段图像，从而作为第二测量数据。可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置选用双路CCD作为成像探测器件，工作光谱范围为可见光和近红外波段。其光学系统与红外宽波段温度场测量装置光学系统共光轴，且对同一被测目标进行测量。因此，其设计输入与红外宽波段温度场测量装置光学系统的设计输入基本相同。为了将被测目标发出的复色光分为由单色光，系统设置了四色滤光片滤光系统。

由第一测量数据可获得目标温度场亮温。根据目标不同区域的材料构成，将目标分为不同的测量区域。为减少多波长测量计算耗时，每个测量区域只选取几个测量点，由第二测量数据根据多波长测量方法得出测量点的发射率。每个区域内所有测量点的发射率平均值为该区域材料的发射率。根据目标温度场亮温及不同区域的发射率，由普朗克定律可快速获取整个目标真温温度场数据。

综上所述，本发明实施例提供了一种发动机热防护结构温度场多模测量系统，其实现了以下有益效果：

(1)在被测目标附近，设计了标准辐射源，作为现场实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，由测量系统接收，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长下的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。特别的，红外与可见光复合标准辐射源,能够更好的克服被测目标和测量系统之间路径上的气体吸收及现场杂散光的干扰因素，提高测量准确性。

(2)在红外宽波段温度场测量装置光路中，设计了两个光学成像面，将温度实时校准黑体处于一次像面上，对红外测量系统进行实时温度校准，克服非制冷红外探测器温度漂移对测量的不利影响。

(3)将红外宽波段测量方案与比色测量方案及多波长测量方案相结合，实现了在宽温度范围的动态真温温度场测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发动机热防护结构温度场多模测量系统，系统包括标准辐射源、辐射测温传感系统、三维转台、现场控制系统和远程综合控制系统；被测目标和标准辐射源发出的光线被辐射测温传感系统探测，形成测量数据，经由现场控制系统传输至远程综合控制系统中，三维转台用于调节辐射测温传感系统的俯仰角和方位角；标准辐射源作为实时校正源，提供相应测量波段的标准辐射，通过定量分析标准辐射源在不同波段以及波长的光辐射衰减率，对被测目标的温度场进行校正。

2.根据权利要求1的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述标准辐射源是红外与可见光复合标准辐射源，所述红外与可见光复合标准辐射源能够更好的克服被测目标到测量系统之间路径上的气体吸收和现场杂散光的干扰，提高校正准确率。

3.根据权利要求1或2的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述辐射测温传感系统包括红外宽波段温度场测量装置以及可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置，根据两个测量装置获得的测量数据，确定被测对象的温度。

4.根据权利要求3的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，由分光及光路折转系统将输入光线分别传送至所述红外宽波段温度场测量装置和所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置。

5.根据权利要求3或4的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述红外宽波段温度场测量装置包括一次成像光学系统、温度实时校准黑体、量程切换机构、二次成像光学系统、非制冷红外焦平面探测器及第一后处理电路；所述温度实时校准黑体设置于所述一次成像光学系统的像面上，从所述温度实时校准黑体输出的光线经过所述量程切换机构从而实现不同量程的切换，此后，光线经过所述二次成像光学系统成像在所述非制冷红外焦平面探测器上，所述非制冷红外焦平面探测器输出的电压值经所述第一后处理电路后，输出第一测量数据。

6.根据权利要求3至5任一项所述的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置包括前端光学系统、滤光系统、后端光学系统、CCD探测器和第二后处理电路；所述前端光学系统将光线会聚到所述滤光系统平面上，所述滤光系统将所述光线分离成单色光，所述后端光学系统将所述单色光成像在所述CCD探测器上，所述CCD探测器输出的电压值经过所述第二后处理电路后，输出第二测量数据。

7.根据权利要求5的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述红外宽波段温度场测量装置还包括调焦机构，所述调焦机构用于根据被测目标的距离，调节光学系统焦距，使被测目标通过光学系统后在所述非制冷红外焦平面探测器焦平面上成清晰图像。

8.根据权利要求4的发动机热防护结构温度场多模测量系统，其特征在于，所述辐射测温传感系统还包括防护结构，所述分光及光路折转系统、所述红外宽波段温度场测量装置和所述可见光-红外波段比色及多波长温度场测量装置设置于所述防护结构内，入射光线经过设置在防护结构上的宽波段窗口入射至所述分光及光路折转系统。

9.根据权利要求8的发动机热防护结构温度场多模测量系统，在所述防护结构上设置目视瞄准镜，用于人眼通过目视瞄准镜观察目标，可在现场迅速调节光学系统焦距。