CN104568225A - 一种运动物体温场测量装置及温场合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量领域，具体涉及一种运动物体温场测量装置及温场合成方法。扫描电机1通过固定座21固定于电机保护罩20内；探针外壳6与电机保护罩20固定连接；扫描电机1与推杆8固定连接；推杆8与连接器22连接；连接器22与扫描反射镜7相连；扫描反射镜7通过高温轴10安装在光学探头3前端，光学探头3安装在探针外壳6内；气缸组4和吹扫进气组件5套在探针外壳6的外部；光纤2连接在光学探头3尾部，光纤2还与电子盒26的输入端连接；电子盒26的输出端分别与数据处理模块25、气缸组4和扫描电机1的输入端连接。其优点是可以获得整个被测物体的温场分布情况；不需要拍摄到整个被测物体，适用范围更广；响应速度快，可测量高速运动的物体。

Description

一种运动物体温场测量装置及温场合成方法

技术领域

本发明涉及测量领域，更具体地说，本发明涉及一种运动物体温场测量装置及温场合成方法。

背景技术

高温物体温度测量，尤其是高温运动物体温度测量方面，辐射测温技术具有非接触不干扰被测目标温度场、测温上限高、性能稳定、价格较低等优势。

现有的辐射测温技术可以概括为两种：

一种是以点测量的光电/热释电传感器，通过测量物体的辐射强度绝对值，或不同波段的辐射强度比值，实现高温物体的单点温度测量。例如，戴景民等人提出的多光谱辐射测温技术研究(哈尔滨工业大学博士学位论文)，可以通过多个光谱通道的辐射能量计算出目标的温度。但这种方案的缺点在于只能测量物体某一个点的温度，不能获取整个物体的温度场分布情况。

另一种是以CCD等面阵传感器通过对物体进行光学成像的手段，实现高温物体二维成像温度场的测量。例如，符泰然等人提出的一种双CCD温度场测量装置及方法(公开号CN101476939A)，通过近红外及可见光CCD采集的近红外及红、绿、蓝三色共四路信号，利用多光谱算法计算出目标的温度场分布。这种方法的主要缺点在于必须拍摄到整个目标，且需要一定的曝光时间，对高速运动的物体难以清晰测量。

上述两种方案都具有一定的缺陷，因此，实现运动物体如涡轮叶片等在线温度场测量方法和技术是很有意义的工作，同时也是难点问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种运动物体温场测量装置及温场合成方法，以测量运动物体的表面温度场分布，并直观的以图像形式表达出来。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及的一种运动物体温场测量装置，其特征在于：其包括：扫描电机(1)、光纤(2)、推杆(8)、光学探头(3)、气缸组(4)、吹扫进气组件(5)、探针外壳(6)、扫描反射镜(7)、高温轴(10)、电机保护罩(20)、固定座(21)、连接器(22)、数据处理模块(25)和电子盒(26)。

推杆(8)为直杆(23)或L型杆(11)。

当推杆(8)为直杆(23)时，连接器(22)为连杆(9)；当推杆(8)为L型杆(11)时，连接器(22)为滑块(12)。

扫描电机(1)通过固定座(21)固定于电机保护罩(20)内部；探针外壳(6)与电机保护罩(20)固定连接；扫描电机(1)与推杆(8)的一端固定连接；推杆(8)的另一端与连接器(22)连接；连接器(22)同时还与扫描反射镜(7)相连；扫描反射镜(7)通过高温轴(10)安装在光学探头(3)前端，光学探头(3)安装在探针外壳(6)内并与探针外壳(6)固定连接；气缸组(4)套在探针外壳(6)的外部并与探针外壳(6)接触，探针外壳(6)作为气缸组(4)的活塞杆；吹扫进气组件(5)套在探针外壳(6)的外部，与探针外壳(6)接触，并与气缸组(4)固定连接，吹扫进气组件(5)与电机保护罩(20)的距离大于气缸组(4)与电机保护罩(20)的距离；探针外壳(6)上设置有进气孔，进气孔在气缸组(4)行程范围内始终位于吹扫进气组件(5)内部，光纤(2)的一端连接在光学探头(3)尾部，光纤(2)的另一端与电子盒(26)的输入端连接；同时，被测物体输出运动起始信号到电子盒(26)的输入端。电子盒(26)的输出端分别与数据处理模块(25)、气缸组(4)和扫描电机(1)的输入端连接。

电子盒(26)的作用：①采集从光纤(2)传输来的能量，经过处理后得到温度序列，并将温度序列发送给数据处理模块(25)。②控制气缸组(4)推动探针外壳(6)运动。③控制扫描电机(1)工作，带动推杆(8)运动。④接收被测物体的运动起始信号。

光学探头(3)包括光学探头外壳(24)、光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)。在光学探头外壳(24)内部，距离光纤(2)端面由近及远的位置上，依次固定光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)，并保证光纤(2)端面、光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)同轴。

使用所述运动物体温场测量装置对被测物体进行温场测量及温场合成方法为：

步骤0：规划被测物体上的所有测量点的位置。

步骤1：通过吹扫进气组件(5)将冷却清洁的气体吹入探针外壳(6)中，保证探针的温度在安全范围内，并保证探针的清洁。

步骤2：电子盒(26)控制气缸组(4)推动探针外壳(6)，使所述运动物体温场测量装置从初始准备位置运动到测量位置。

步骤3：电子盒(26)控制扫描电机(1)带动推杆(8)运动，推杆(8)通过连接器(22)带动反射镜(7)绕高温轴(10)转动，移动到下一个测量点。

步骤4：被测物体发送运动起始信号，电子盒(26)接收被测物体的运动起始信号；电子盒(26)在连续两个运动起始信号之间采集被测物体的辐射能量值，并转化为温度序列；将温度序列传输到数据处理模块(25)中。

步骤5：电子盒(26)判断被测物体上的所有测量点是否都测量完毕，如都完成，则执行步骤6的操作；否则，重复步骤3和步骤4的操作。

步骤6：电子盒(26)控制气缸组(4)释放压力，使所述运动物体温场测量装置返回到初始准备位置。

步骤7：数据处理模块(25)使用温场合成方法将电子盒(26)发送来的温度序列合成为温度场。

步骤7中所述数据处理模块(25)使用温场合成方法将电子盒(26)发送来的温度序列合成为温度场的具体操作步骤为：

步骤7.1：使用插值的方法对测量得到的全部温度序列(用符号T_ij表示)的长度进行一致化处理，使其长度相等，得到一致化处理后的序列(用符号T'_ik表示)；其中，i表示第i个测量点，j为第i个测量点的第j个温度值，k为一致化处理后的第i个测量点的第k个温度值。

步骤7.2：将温度序列T'_ik进行坐标转换，对于旋转运动的物体，通过公式(1)转换为极坐标；对于往复直线运动的物体，通过公式(2)转换为直角坐标；

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}(k-1)}{n}-\mathrm{\π}\\ r=\frac{(R_2-R_1)\·(i-1)}{m-1}+R_1\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，θ为极坐标下与温度序列T'_ik对应的点的极角；n为温度序列T'_ik的总列数；_r为极坐标下与温度序列T'_ik对应的点的极径；R₁为被测物体最内圈测量点与转轴的距离；R₂为被测物体最外圈测量点与转轴的距离；m为温度序列T'_ik的总行数。

$\left.\begin{array}{c}x=\frac{(k-1)\·L}{m}\\ y=\frac{(i-1)\·D}{n}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中，x为直角坐标下与温度序列T'_ik对应的点的横坐标；L为被测物体的长度；y为直角坐标下与温度序列T'_ik对应的点的纵坐标；D为被测物体的宽度。

步骤7.3：根据步骤7.2得到的结果绘制二维温度场分布。

有益效果

本发明提出的一种运动物体温场测量装置及温场合成方法与已有技术相比较，具有如下优点：

①与点测量的方式比较，可以获得整个被测物体的温场分布情况。

②与CCD等面测量的方式比较，可以不用拍摄到整个被测物体，适用范围更广。

③与CCD等面测量的方式比较，响应速度快，可测量高速运动的物体。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中运动物体温场测量装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中推杆(8)为直杆(23)时，图1的A区域放大示意图；

图3是本发明具体实施方式中推杆(8)为L型杆(11)时，图1的A区域放大示意图；

图4是本发明具体实施方式中光学探头(3)的组成结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中被测物体的温场分布图；

其中，1-扫描电机、2-光纤、3-光学探头、4-气缸组、5-吹扫进气组件、6-探针外壳、7-扫描反射镜、8-推杆、9-连杆、10-高温轴、11-L型杆、12-滑块、13-光纤端面、14-光纤耦合透镜、15-中间像面、16-中继透镜、17-移焦透镜、18-聚焦透镜、19-测温视场、20-电机保护罩、21-固定座、22-连接器、23-直杆、24-探头外壳、25-数据处理模块、26电子盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以下详细描述。

本实施例中的运动物体温场测量装置，其结构如图1所示，其包括：扫描电机1、光纤2、推杆8、光学探头3、气缸组4、吹扫进气组件5、探针外壳6、扫描反射镜7、高温轴10、电机保护罩20、固定座21、连接器22、数据处理模块25和电子盒26。

推杆8为直杆23或L型杆11。

当推杆8为直杆23时，连接器22为连杆9，其连接关系如图2所示；当推杆8为L型杆11时，连接器22为滑块12，其连接关系如图3所示。

扫描电机1通过固定座21固定于电机保护罩20内部；探针外壳6与电机保护罩20固定连接；扫描电机1与推杆8的一端固定连接；推杆8的另一端与连接器22连接；连接器22同时还与扫描反射镜7相连；扫描反射镜7通过高温轴10安装在光学探头3前端，光学探头3安装在探针外壳6内并与探针外壳6固定连接；气缸组4套在探针外壳6的外部并与探针外壳6接触，探针外壳6作为气缸组4的活塞杆；吹扫进气组件5套在探针外壳6的外部，与探针外壳6接触，并与气缸组4固定连接，吹扫进气组件5与电机保护罩20的距离大于气缸组4与电机保护罩20的距离；探针外壳6上设置有进气孔，进气孔在气缸组4行程范围内始终位于吹扫进气组件5内部，光纤2的一端连接在光学探头3尾部，光纤2的另一端与电子盒26的输入端连接；同时，被测物体输出运动起始信号到电子盒26的输入端。电子盒26的输出端分别与数据处理模块25、气缸组4和扫描电机1的输入端连接。

电子盒26的作用：①采集从光纤2传输来的能量，经过处理后得到温度序列，并将温度序列发送给数据处理模块25。②控制气缸组4推动探针外壳6运动。③控制扫描电机1工作，带动推杆8运动。④接收被测物体的运动起始信号。

光学探头3包括光学探头外壳24、光纤耦合透镜14、中继透镜16、移焦透镜17和聚焦透镜18，如图4所示。在光学探头外壳24内部，距离光纤2端面由近及远的位置上，依次固定光纤耦合透镜14、中继透镜16、移焦透镜17和聚焦透镜18，并保证光纤2端面、光纤耦合透镜14、中继透镜16、移焦透镜17和聚焦透镜18同轴。通过光纤耦合透镜14的成像作用，在光纤耦合透镜14和中继透镜16之间的一个位置得到光纤端面13的中间像面15；聚焦透镜18的一边是移焦透镜17，在聚焦透镜18的另一边，得到最终的光纤端面的测温视场19。光学探头内部的中间像面可以有一个，也可以有若干个，可以为实像，也可以为虚像。由于中间像面的存在，使得光学探头能够在视场光阑尺寸、测量距离固定的条件下，通过调整镜组焦距、镜组间距等参数，实现满足测量所需的测温视场尺寸。

使用上述运动物体温场测量装置对被测物体进行温场测量及温场合成的方法为：

步骤0：规划被测物体上的10个测量点的位置，如表1所示。

表1被测物体上的10个测量点与转动轴的距离

测量点编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											与转动轴距离	101.5	103.5	105.5	107.5	109.5	111.5	113.5	115.5	117.5	119.5

步骤1：通过吹扫进气组件5将冷却清洁的气体吹入探针外壳6中，保证探针的温度在安全范围内，并保证探针的清洁。

步骤2：电子盒26控制气缸组4推动探针外壳6，使所述运动物体温场测量装置从初始准备位置运动到测量位置。

步骤3：电子盒26控制扫描电机1带动推杆8运动，推杆8通过连接器22带动反射镜7绕高温轴10转动，移动到下一个测量点。

步骤4：被测物体发送运动起始信号，电子盒26接收被测物体的运动起始信号；电子盒26在连续两个运动起始信号之间采集被测物体的辐射能量值，并转化为温度序列；将温度序列传输到数据处理模块25中。

步骤5：电子盒26判断被测物体上的所有测量点是否都测量完毕，如都完成，则执行步骤6的操作；否则，重复步骤3和步骤4的操作。

步骤6：电子盒26控制气缸组4释放压力，使所述运动物体温场测量装置返回到初始准备位置。

步骤7：数据处理模块25使用温场合成方法将电子盒26发送来的温度序列合成为温度场。

步骤7中所述数据处理模块25使用温场合成方法将电子盒26发送来的温度序列合成为温度场的具体操作步骤为：

步骤7.1：使用插值的方法对测量得到的全部温度序列T_ij的长度进行一致化处理，使其长度相等，得到一致化处理后的序列T'_ik。

步骤7.2：将温度序列T'_ik进行坐标转换，由于被测物体为旋转运动的物体，因此通过公式(1)转换为极坐标。

步骤7.3：根据步骤7.2得到的结果绘制二维温度场分布，如图5所示。图5中，坐标0点代表转轴的位置，x、y的值为测量点的坐标。图中各点的灰度值代表该点的温度，右侧图例表示灰度与温度的关系。

Claims (5)

1.一种运动物体温场测量装置，其特征在于：其包括：扫描电机(1)、光纤(2)、推杆(8)、光学探头(3)、气缸组(4)、吹扫进气组件(5)、探针外壳(6)、扫描反射镜(7)、高温轴(10)、电机保护罩(20)、固定座(21)、连接器(22)、数据处理模块(25)和电子盒(26)；

扫描电机(1)通过固定座(21)固定于电机保护罩(20)内部；探针外壳(6)与电机保护罩(20)固定连接；扫描电机(1)与推杆(8)的一端固定连接；推杆(8)的另一端与连接器(22)连接；连接器(22)同时还与扫描反射镜(7)相连；扫描反射镜(7)通过高温轴(10)安装在光学探头(3)前端，光学探头(3)安装在探针外壳(6)内并与探针外壳(6)固定连接；气缸组(4)套在探针外壳(6)的外部并与探针外壳(6)接触，探针外壳(6)作为气缸组(4)的活塞杆；吹扫进气组件(5)套在探针外壳(6)的外部，与探针外壳(6)接触，并与气缸组(4)固定连接，吹扫进气组件(5)与电机保护罩(20)的距离大于气缸组(4)与电机保护罩(20)的距离；探针外壳(6)上设置有进气孔，进气孔在气缸组(4)行程范围内始终位于吹扫进气组件(5)内部，光纤(2)的一端连接在光学探头(3)尾部，光纤(2)的另一端与电子盒(26)的输入端连接；同时，被测物体输出运动起始信号到电子盒(26)的输入端；电子盒(26)的输出端分别与数据处理模块(25)、气缸组(4)和扫描电机(1)的输入端连接；

电子盒(26)的作用：①采集从光纤(2)传输来的能量，经过处理后得到温度序列，并将温度序列发送给数据处理模块(25)；②控制气缸组(4)推动探针外壳(6)运动；③控制扫描电机(1)工作，带动推杆(8)运动；④接收被测物体的运动起始信号。

2.如权利要求1所述的一种运动物体温场测量装置，其特征在于：推杆(8)为直杆(23)或L型杆(11)；当推杆(8)为直杆(23)时，连接器(22)为连杆(9)；当推杆(8)为L型杆(11)时，连接器(22)为滑块(12)。

3.如权利要求1或2所述的一种运动物体温场测量装置，其特征在于：光学探头(3)包括光学探头外壳(24)、光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)；在光学探头外壳(24)内部，距离光纤(2)端面由近及远的位置上，依次固定光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)，并保证光纤(2)端面、光纤耦合透镜(14)、中继透镜(16)、移焦透镜(17)和聚焦透镜(18)同轴。

4.使用权利要求1或2所述运动物体温场测量装置对被测物体进行温场测量及温场合成方法，其特征在于：其具体操作步骤为：

步骤0：规划被测物体上的所有测量点的位置；

步骤1：通过吹扫进气组件(5)将冷却清洁的气体吹入探针外壳(6)中，保证探针的温度在安全范围内，并保证探针的清洁；

步骤2：电子盒(26)控制气缸组(4)推动探针外壳(6)，使所述运动物体温场测量装置从初始准备位置运动到测量位置；

步骤3：电子盒(26)控制扫描电机(1)带动推杆(8)运动，推杆(8)通过连接器(22)带动反射镜(7)绕高温轴(10)转动，移动到下一个测量点；

步骤4：被测物体发送运动起始信号，电子盒(26)接收被测物体的运动起始信号；电子盒(26)在连续两个运动起始信号之间采集被测物体的辐射能量值，并转化为温度序列；将温度序列传输到数据处理模块(25)中；

步骤5：电子盒(26)判断被测物体上的所有测量点是否都测量完毕，如都完成，则执行步骤6的操作；否则，重复步骤3和步骤4的操作；

步骤6：电子盒(26)控制气缸组(4)释放压力，使所述运动物体温场测量装置返回到初始准备位置；

步骤7：数据处理模块(25)使用温场合成方法将电子盒(26)发送来的温度序列合成为温度场。

5.使用权利要求4所述运动物体温场测量装置对被测物体进行温场测量及温场合成方法，其特征在于：步骤7中所述数据处理模块(25)使用温场合成方法将电子盒(26)发送来的温度序列合成为温度场的具体操作步骤为：

步骤7.1：使用插值的方法对测量得到的全部温度序列T_ij的长度进行一致化处理，使其长度相等，得到一致化处理后的温度序列T'_ik；其中，i表示第i个测量点，j为第i个测量点的第j个温度值，k为一致化处理后的第i个测量点的第k个温度值；

步骤7.2：将温度序列T'_ik进行坐标转换，对于旋转运动的物体，通过公式(1)转换为极坐标；对于往复直线运动的物体，通过公式(2)转换为直角坐标；

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}(k-1)}{n}-\mathrm{\π}\\ r=\frac{(R_2-R_1)\·(i-1)}{m-1}+R_1\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，θ为极坐标下与温度序列T'_ik对应的点的极角；n为温度序列T′_ik的总列数；r为极坐标下与温度序列T'_ik对应的点的极径；R₁为被测物体最内圈测量点与转轴的距离；R₂为被测物体最外圈测量点与转轴的距离；m为温度序列T'_ik的总行数；

$\left.\begin{array}{c}x=\frac{(k-1)\·L}{m}\\ y=\frac{(i-1)\·D}{n}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中，x为直角坐标下与温度序列T'_ik对应的点的横坐标；L为被测物体的长度；y为直角坐标下与温度序列T'_ik对应的点的纵坐标；D为被测物体的宽度；

步骤7.3：根据步骤7.2得到的结果绘制二维温度场分布。