CN105352734B - 一种高温耦合场测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温耦合场测量系统，包括：脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统，其中，脉冲结构光激光器，用于为该测量系统提供按照测试要求间隔时间进行工作的结构光激光光源，照射到被测物上；远心光学系统，用于对被测物按照一定比例倍率进行成像在探测和图像采集系统上；探测和图像采集系统，用于在热试验过程中，检测得到被测物体的温度、位移与应变；远程测量控制系统，用于在热试验过程中，控制所述探测和图像采集系统进行检测，并接收所述探测和图像采集系统反馈的温度、位移与应变；本发明能实现高温耦合场测量系统，能够对高温耦合场的温度、位移与应变进行测量，测量精度高，测量范围大。

Description

一种高温耦合场测量系统
技术领域
本发明涉及光学测试技术领域，尤其涉及一种高温耦合场测量系统。
背景技术
对飞行器结构件进行风洞热试验和其它地面热试验时，需要在风洞吹风加热或辐射加热时对受试件表面的耦合场进行准确的测量，得到结构件在某一区域的耦合场温度、位移偏移量和应变量，通过试验计算结果考核材料和结构的热辐射性能、热强度和应变量，为某型飞行器的设计提供数据支撑。热防护及结构用耐高温材料的表面形貌、化学组成、微结构都会对其热辐射性能产生很大影响，必须要通过对其耦合场多参数测试技术的研究，对热辐射过程进行分析，总结在热试验环境下对飞行器结构件和耐高温材料的影响，以优选出相应的某型飞行器结构与热防护用耐高温材料。这对于某型武器系统的研制和发展具有十分重要意义。
由于飞行速度快，飞行时间长，飞行器用发动机局部温度有可能达到2000℃，发动机试车试验时试车台的温度也达到200℃，在发动机试验过程中，发动机尾焰是推进剂燃烧后产生的高温高速流体，在尾喷管后形成急速湍流，具有高温、高速、热辐射强等特点，而此时尾喷口处试车台耦合场的温度、位移和应变变化量都对发动机试验产生较大的影响，为了更好地掌握发动机试验的准确数据，高温耦合场测量系统可对发动机耦合场的温度、位移与应变进行测量。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高温耦合场测量系统，能够对高温耦合场的温度、位移与应变进行测量。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高温耦合场测量系统，包括：脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统，其中，
脉冲结构光激光器，用于为该测量系统提供按照测试要求间隔时间进行工作的结构光激光光源，照射到被测物上；
远心光学系统，用于对被测物按照一定比例倍率进行成像在探测和图像采集系统上；
探测和图像采集系统，用于在热试验过程中，当被测物体大小由于高温、振动影响发生位移偏移时，检测得到被测物体的温度、位移与应变；
远程测量控制系统，用于在热试验过程中，控制所述探测和图像采集系统进行检测，并接收所述探测和图像采集系统反馈的温度、位移与应变。
进一步地，所述远心光学系统的光谱范围为400nm～900nm，其结构是由4组双胶合镜组组成，在第一组和第二组双胶合镜组之间放置滤光片，滤光片与第一组镜组之间的距离为15mm～20mm,滤光片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,在第二组和第三组双胶合镜组之间放置衰减片，衰减片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,衰减片与第三组镜组之间的距离为10mm～15mm。
其中，双胶合镜组所采用光学材料的型号是H-ZK9A和F4。
进一步地，所述探测和图像采集系统，其响应波长范围为360nm～900nm，其分辨率优于1024×768，其帧频大于等于50Hz，环境适应性：工作温度范围为－40℃～80℃。
进一步地，所述脉冲结构光激光器，其波长是680nm,工作距离范围800mm～1200mm，其结构光为九点阵列。
进一步地，所述系统还包括
同步控制器，用于同时控制所述脉冲结构光激光器和所述探测和图像采集系统，当脉冲结构光激光器工作时所述探测和图像采集系统采集的图像用于测量被测物的位移与应变，当同步控制器传输一个信号触发脉冲结构光激光器停止工作时，所述探测和图像采集系统采集的图像用于测量被测物的温度。
进一步地，所述系统还包括：
三维转台，用于承载所述脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统。
进一步地，所述系统还包括：
热防护外壳，用于将所述三维转台、脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统容纳其中，保证所述测量系统工作时不受外界环境的干扰。
进一步地，所述远程测量控制系统采用超五类线与所述探测和图像采集系统连接，传输距离大于等于2500mm。
本发明有益效果如下：
本发明能实现高温耦合场测量系统，能够对高温耦合场的温度、位移与应变进行测量，测量精度高，测量范围大。
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为本发明实施例所述系统的结构示意图。
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。
如图1所示，图1为本发明实施例所述系统的结构示意图，该测量系统放置在被被测物(如热防护材料及结构件)或发动机一侧，具体可以包括：脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统，这几部分放置于一三维转台上面，通过调整三维转台的角度，可以适应测量的需要。另外，在三维转台以及脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统外面设置有一热防护外壳，保证所述测量系统工作时不受外界环境的干扰。
下面依次对脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统、远程测量控制系统以及同步控制器这五部分进行详细说明。
脉冲结构光激光器101，为该测量系统提供按照测试要求间隔时间进行工作的结构光激光光源，照射到被测物上。本发明实施例中，该脉冲结构光激光器101的结构为九点阵列，波长是680nm,工作距离范围800mm～1200mm，该脉冲结构光激光器输出功率为500mW,其输出脉宽10ns～20ns，能够为高温耦合场位移测量系统提供稳定的目标光源。
远心光学系统102，对被测物按照一定比例倍率进行成像在探测和图像采集系统上，被测物与像成确定的关系。该远心光学系统102波段范围覆盖400nm～900nm。其结构是由4组双胶合镜组组成，双胶合镜组的材料是H-ZK9A和F4，在第一组和第二组双胶合镜组之间放置滤光片，滤光片与第一组镜组之间的距离为15mm～20mm,滤光片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,在第二组和第三组双胶合镜组之间放置衰减片，衰减片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,衰减片与第三组镜组之间的距离为10mm～15mm，通过该光学系统的设计能够实现高温、位移与应变的测量。
探测和图像采集系统103，在热试验过程中，当被测物体大小由于高温、振动影响发生位移偏移时，检测得到被测物体的温度、位移与应变。本发明实施例中对探测和图像采集系统103的具体结构及型号不做限定，可以从市场购买或者自己研制，只要满足以下条件即可：
响应波长范围为360nm～900nm，其分辨率优于1024×768，其帧频大于等于50Hz，环境适应性：可在烟雾、灰尘和有雾条件下工作，工作温度范围为－40℃～80℃，能够保证在高温热试验条件下能够进行数据采集，实时采集到温度、位移与应变。
远程测量控制系统104，在热试验过程中，控制所述探测和图像采集系统进行检测，并接收所述探测和图像采集系统反馈的温度、位移与应变；本发明实施例中，该远程测量控制系统104采用超五类线，传输距离大于等于2500mm，保证数据传输的稳定性和可靠性。
同步控制器105，同时控制脉冲结构光激光器101和探测和图像采集系统103，当脉冲结构光激光器101工作时探测和图像采集系统103采集的图像用于测量被测物的位移与应变，当同步控制器传输一个信号触发脉冲结构光激光器101停止工作时，探测和图像采集系统103采集的图像用于测量被测物的温度。
综上所述，本发明实施例提供了一种高温耦合场测量系统，能够对高温耦合场的温度、位移与应变进行测量，测量精度高，测量范围大，其中，高温耦合场的温度测量范围：200℃～2000℃；位移测量范围：0.5mm～50mm，应变测量范围：200με～2500με，温度测量不确定度：Ur＝1.5％(200℃～1500℃)(k＝2)，Ur＝2.5％(1500℃～2000℃)(k＝2)；位移测量不确定度：Ur＝4％(0.5mm～20mm)(k＝2),Ur＝5％(20mm～50mm)(k＝2)；应变测量不确定度：Ur＝10％(200με～2500με)(k＝2)。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
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 (6)

1.一种高温耦合场测量系统，其特征在于，包括：脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统，其中，
脉冲结构光激光器，用于为该测量系统提供按照测试要求间隔时间进行工作的结构光激光光源，照射到被测物上；
远心光学系统，用于对被测物按照一定比例倍率进行成像在探测和图像采集系统上；
探测和图像采集系统，用于在热试验过程中，当被测物体大小由于高温、振动影响发生位移偏移时，检测得到被测物体的温度、位移与应变；
远程测量控制系统，用于在热试验过程中，控制所述探测和图像采集系统进行检测，并接收所述探测和图像采集系统反馈的温度、位移与应变；
所述远心光学系统的光谱范围为400nm～900nm，其结构是由4组双胶合镜组组成，在第一组和第二组双胶合镜组之间放置滤光片，滤光片与第一组镜组之间的距离为15mm～20mm,滤光片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,在第二组和第三组双胶合镜组之间放置衰减片，衰减片与第二组镜组之间的距离为10mm～15mm,衰减片与第三组镜组之间的距离为10mm～15mm；
所述系统还包括：三维转台，用于承载所述脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统；
所述系统还包括热防护外壳，用于将所述三维转台、脉冲结构光激光器、远心光学系统、探测和图像采集系统以及远程测量控制系统容纳其中，保证所述测量系统工作时不受外界环境的干扰。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，双胶合镜组所采用光学材料的型号是H-ZK9A和F4。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测和图像采集系统，其响应波长范围为360nm～900nm，其分辨率优于1024×768，其帧频大于等于50Hz，环境适应性：工作温度范围为－40℃～80℃。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲结构光激光器，其波长是680nm,工作距离范围800mm～1200mm，其结构光为九点阵列。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括
同步控制器，用于同时控制所述脉冲结构光激光器和所述探测和图像采集系统，当脉冲结构光激光器工作时所述探测和图像采集系统采集的图像用于测量被测物的位移与应变，当同步控制器传输一个信号触发脉冲结构光激光器停止工作时，所述探测和图像采集系统采集的图像用于测量被测物的温度。
6.根据权利要求1到5任一项所述的系统，其特征在于，所述远程测量控制系统采用超五类线与所述探测和图像采集系统连接，传输距离大于等于2500mm。
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