CN105509649B - 一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置及方法，涉及材料、光学实验及固体力学等领域。该方法在被测物体表面预安装两组激光反射片，测量径向变形的反射片沿径向安装，测量周向变形的反射片沿周向安装。物体高速旋转时，使用激光光源照射物体，当反射片被照射到时，将激光反射。径向安装的反射片将激光反射到一激光接收屏上，利用高速相机拍摄接收屏上的反射激光光斑，根据斑点间距变化计算径向变形；周向安装的反射片反射的激光被同一激光接收器先后接收，形成有时间间隔的脉冲信号，根据时间间隔的变化计算物体变形。该方法充分利用了光学装置的灵活性，易于操作和实现，可应用于航空发动机和重型燃气轮机涡轮叶片等旋转部件的变形测量。

Description

一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置及方法

技术领域

本发明涉及利用激光反射原理测量高速旋转物体在高温环境下变形的方法，属于固体力学、材料科学、光学实验技术领域。

背景技术

在航空航天，火力、核能发电等领域，发动机和重型燃气轮机的使用非常广泛，在发动机和重型燃气轮机中的地面考核测试中，其热端部件的变形是评价考核结果的重要因素，涡轮叶片、转子和旋转轴等旋转部件作为热端部件的重要组成部分，其在高温环境下高速旋转的变形测量对于评估其寿命及热力学指标具有重要指导意义，是对现有发动机进行改进以及探索和预研新一代发动机项目的基础保证因素，也是研发进口温度更高，功率更大的重型燃气轮机的关键指标之一。除此之外，在涡轮叶片、转子和旋转轴等旋转部件在高温环境下服役时，对这些部件的结构健康监测也非常重要，通过测量高温环境下高速旋转中的部件变形信息可以预测结构受损程度，进而提前采取相应措施可以有效减少人力物力的损失和消耗。

目前比较完备的测量物体表面变形的方法有接触法测量和非接触测量两种方式，前者通过在物体表面粘贴应变片来测量应变，将应变积分可得到相应的变形信息；后者通过激光干涉法、云纹法、数字图像处理等技术直接获得物体表面的变形信息。但在物体处于高速旋转状态时，已有的两种测量方式均不再适用。

激光具有方向性好亮度高等特点，结合高速摄像技术和图像处理技术，获得高温环境下高速旋转物体的变形，该变形由热膨胀导致的变形和离心力导致的变形组成，对评估发动机和重型燃气轮机叶片地面考核的性能及提出相应的改进方案有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置及方法，该装置可实现对高温环境下高速旋转物体的变形记录，同时在此装置基础上提出高温环境下高速旋转物体的变形测量方法，该方法可对高温环境下高速旋转物体的表面径向变形和周向变形进行非接触、实时测量。

本发明技术方案如下：

一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：该装置包括安装在待测区域的一组径向激光反射片、安装在待测区域的一组周向激光反射片、点激光发射器、线激光发射器、激光接收器、激光接收屏、高速相机、信号触发器和计算机；一组径向激光反射片包含两个平行布置的第一径向激光反射片和第二径向激光反射片，且沿被测物体旋转方向径向安装；一组周向激光反射片包含两个平行布置的第一周向激光反射片和第二周向激光反射片，沿被测物体旋转方向周向安装；被测物体旋转时，点激光发射器发射的激光照射到周向激光反射片上并被反射，反射光被激光接收器接收并形成脉冲信号；所述线激光发射器发射的线激光沿被测物体旋转方向径向照射，且被测物体旋转时，线激光发射器照射到径向激光反射片上并被反射到激光接收屏上形成激光光斑，所述高速相机拍摄记录所述激光光斑的位置和大小；所述计算机用以存储激光接收器的脉冲信号和高速相机所拍摄的激光光斑图像，并进行数据处理。

优选地，所述径向激光反射片包含的两个平行布置的径向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10。

优选地，所述周向激光反射片包含的两个平行布置的周向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10。

优选地，所述径向激光反射片和周向激光反射片均由耐高温材料制成，呈长条形，且表面光滑。

本发明的技术方案中，当被测物体包含多个沿旋转方向径向无交叉的待测区域时，在每个待测区域分别安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片。

本发明提供的一种高温环境下高速旋转物体的变形测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在被测物体的待测区域上安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片，在被测物体的一个旋转周期内，使第一周向激光反射片先被点激光发射器照射，激光反射后被激光接收器接收，产生第一脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器控制高速相机开始拍摄；随后，第一径向激光反射片和第二径向激光反射片同时被线激光发射器照射，之后反射到激光接收屏上形成激光光斑，并被正在运行的高速相机拍摄记录，获得激光光斑图像；之后，第二周向激光反射片被点激光发射器照射，激光反射后被激光接收器接收，产生第二脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器控制高速相机结束拍摄；激光接收器所产生脉冲信号及高速相机所拍摄激光光斑图像均被存储在计算机上；

2)下一个旋转周期时，重复以上步骤；测试结束时，得到多组脉冲信号和多组激光光斑图像的数据；

3)采用数字图像处理技术对所拍摄的激光光斑图像进行处理，得到径向变形值：将拍摄的多组激光光斑图像进行二值化处理，获取两激光光斑的中心点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，则第一径向激光反射片和第二径向激光反射片之间变形后的距离u_r为：

其中，m为图像上单位像素代表的长度值，根据变形后距离u_r和初始距离u_r0，得到第一径向激光反射片(2a)和第二径向激光反射片(2b)之间的径向应变ε_r：

求得多组径向变形后距离u_ri，得到随时间变化的多组径向应变值ε_ri；

4)通过信号处理技术对所产生脉冲信号进行处理，得到周向变形值：识别出计算机记录的多组脉冲信号的峰值处对应的时间，设相邻两个脉冲信号峰值处对应时间为t₁和t₂，被测物体转速为R，第一周向激光反射片和第二周向激光反射片距旋转中心距离为D_c，则第一周向激光反射片和第二周向激光反射片(3b)之间变形后距离u_c为：

u_c＝2πD_cR(t₂-t₁)

根据变形后距离u_c和初始距离u_c0，得到第一周向激光反射片和第二周向激光反射片之间的周向应变ε_c：

求得多组周向变形后距离u_ci，得到随时间变化的多组周向应变值ε_ci。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：设计了高温环境下高速旋转物体变形测量装置，实现了高温环境下高速旋转物体变形测量，填补了高温环境下高速旋转物体变形测量的空缺，为目前发动机和重型燃气轮机叶片的地面在线考核提供重要的参考数据。

附图说明

图1为本发明提供的一种高温环境下高速旋转物体变形测量装置的结构原理示意图，图2是对高温环境下高速旋转物体的径向变形测量装置被测物体的待测区域中激光反射片安装位置的详细演示。

图中：1-被测物体、2-径向激光反射片、2a-第一径向激光反射片、2b-第二径向激光反射片、3-周向激光反射片、3a-第一周向激光反射片、3b-第二周向激光反射片、4-点激光发射器、5-线激光发射器、6-激光接收器、7-激光接收屏、8-高速摄像机、9-信号触发器、10-计算机、11-待测区域。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作过程和实施方式。

图1是一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置的结构原理示意图，该装置包括安装在待测区域的一组径向激光反射片2、安装在待测区域的一组周向激光反射片3、点激光发射器4、线激光发射器5、激光接收器6、激光接收屏7、高速相机8、信号触发器9和计算机10；一组径向激光反射片2包含两个平行布置的第一径向激光反射片2a和第二径向激光反射片2b，且沿被测物体1旋转方向径向安装；一组周向激光反射片3包含两个平行布置的第一周向激光反射片3a和第二周向激光反射片3b，沿被测物体1旋转方向周向安装；被测物体1旋转时，点激光发射器4发射的激光照射到周向激光反射片上并被反射，反射光被激光接收器6接收并形成脉冲信号；所述线激光发射器5发射的线激光沿被测物体1旋转方向径向照射，且被测物体1旋转时，线激光发射器5照射到径向激光反射片上并被反射到激光接收屏7上形成激光光斑，所述高速相机8拍摄记录所述激光光斑的位置和大小；所述计算机10用以存储激光接收器6的脉冲信号和高速相机8所拍摄的激光光斑图像，并进行数据处理；径向激光反射片2包含的两个平行布置的径向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10；周向激光反射片3包含的两个平行布置的周向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10；径向激光反射片2和周向激光反射片3均由耐高温材料制成，呈长条形，且表面光滑。被测物体包含多个沿旋转方向径向无交叉的待测区域时，在每个待测区域分别安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片。

一种高温环境下高速旋转物体的变形测量方法，该方法包括如下步骤：

1)在被测物体1的待测区域11上安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片，在被测物体的一个旋转周期内，使第一周向激光反射片3a先被点激光发射器4照射，激光反射后被激光接收器6接收，产生第一脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器9控制高速相机8开始拍摄；随后，第一径向激光反射片2a和第二径向激光反射片2b同时被线激光发射器5照射，之后反射到激光接收屏7上形成激光光斑，并被正在运行的高速相机8拍摄记录，获得激光光斑图像；之后，第二周向激光反射片3b被点激光发射器4照射，激光反射后被激光接收器6接收，产生第二脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器9控制高速相机8结束拍摄；激光接收器6所产生脉冲信号及高速相机8所拍摄激光光斑图像均被存储在计算机10上；

2)下一个旋转周期时，重复以上步骤；测试结束时，得到多组脉冲信号和多组激光光斑图像的数据；

3)采用数字图像处理技术对所拍摄的激光光斑图像进行处理，得到径向变形值：将拍摄的多组激光光斑图像进行二值化处理，获取两激光光斑的中心点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，则第一径向激光反射片2a和第二径向激光反射片2b之间变形后的距离u_r为：

其中，m为图像上单位像素代表的长度值，根据变形后距离u_r和初始距离u_r0，得到第一径向激光反射片2a和第二径向激光反射片2b之间的径向应变ε_r：

求得多组径向变形后距离u_ri，得到随时间变化的多组径向应变值ε_ri；

3)通过信号处理技术对所产生脉冲信号进行处理，得到周向变形值：识别出计算机记录的多组脉冲信号的峰值处对应的时间，设相邻两个脉冲信号峰值处对应时间为t₁和t₂，被测物体1转速为R，第一周向激光反射片3a和第二周向激光反射片3b距旋转中心距离为D_c，则第一周向激光反射片3a和第二周向激光反射片3b之间变形后距离u_c为：

u_c＝2πD_cR(t₂-t₁)

根据变形后距离u_c和初始距离u_c0，得到第一周向激光反射片3a和第二周向激光反射片3b之间的周向应变ε_c：

求得多组周向变形后距离u_ci，得到随时间变化的多组周向应变值ε_ci。

Claims (6)

1.一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：该装置包括安装在待测区域的一组径向激光反射片(2)、安装在待测区域的一组周向激光反射片(3)、点激光发射器(4)、线激光发射器(5)、激光接收器(6)、激光接收屏(7)、高速相机(8)、信号触发器(9)和计算机(10)；一组径向激光反射片(2)包含平行布置的第一径向激光反射片(2a)和第二径向激光反射片(2b)，且沿被测物体(1)旋转方向径向安装；一组周向激光反射片(3)包含平行布置的第一周向激光反射片(3a)和第二周向激光反射片(3b)，沿被测物体(1)旋转方向周向安装；被测物体(1)旋转时，点激光发射器(4)发射的激光照射到周向激光反射片上并被反射，反射光被激光接收器(6)接收并形成脉冲信号；所述线激光发射器(5)发射的线激光沿被测物体(1)旋转方向径向照射，且被测物体(1)旋转时，线激光发射器(5)照射到径向激光反射片上并被反射到激光接收屏(7)上形成激光光斑，所述高速相机(8)拍摄记录所述激光光斑的位置和大小；所述计算机(10)用以存储激光接收器(6)的脉冲信号和高速相机(8)所拍摄的激光光斑图像，并进行数据处理。

2.按照权利要求1所述的一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：所述径向激光反射片(2)包含的两个平行布置的径向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10。

3.按照权利要求1所述的一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：所述周向激光反射片(3)包含的两个平行布置的周向激光反射片之间的距离小于被测物体被测方向长度的1/10。

4.按照权利要求1、2或3所述的一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：所述径向激光反射片(2)和周向激光反射片(3)均由耐高温材料制成，呈长条形，且表面光滑。

5.按照权利要求1所述的一种高温环境下高速旋转物体的变形测量装置，其特征在于：被测物体包含多个沿旋转方向径向无交叉的待测区域时，在每个待测区域分别安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片。

6.一种采用如权利要求1所述装置的高温环境下高速旋转物体的变形测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在被测物体(1)的待测区域(11)上安装一组径向激光反射片和一组周向激光反射片，在被测物体的一个旋转周期内，使第一周向激光反射片(3a)先被点激光发射器(4)照射，激光反射后被激光接收器(6)接收，产生第一脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器(9)控制高速相机(8)开始拍摄；随后，第一径向激光反射片(2a)和第二径向激光反射片(2b)同时被线激光发射器(5)照射，之后反射到激光接收屏(7)上形成激光光斑，并被正在运行的高速相机(8)拍摄记录，获得激光光斑图像；之后，第二周向激光反射片(3b)被点激光发射器(4)照射，激光反射后被激光接收器(6)接收，产生第二脉冲信号，该脉冲信号通过信号触发器(9)控制高速相机(8)结束拍摄；激光接收器(6)所产生脉冲信号及高速相机(8)所拍摄激光光斑图像均被存储在计算机(10)上；

2)下一个旋转周期时，重复以上步骤；测试结束时，得到多组脉冲信号和多组激光光斑图像的数据；

3)采用数字图像处理技术对所拍摄的激光光斑图像进行处理，得到径向变形值：将拍摄的多组激光光斑图像进行二值化处理，获取两激光光斑的中心点坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，则第一径向激光反射片(2a)和第二径向激光反射片(2b)之间变形后的距离u_r为：

<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

其中，m为图像上单位像素代表的长度值，根据变形后距离u_r和初始距离u_r0，得到第一径向激光反射片(2a)和第二径向激光反射片(2b)之间的径向应变ε_r：

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

求得多组径向变形后距离u_ri，得到随时间变化的多组径向应变值ε_ri；

4)通过信号处理技术对所产生脉冲信号进行处理，得到周向变形值：识别出计算机记录的多组脉冲信号的峰值处对应的时间，设相邻两个脉冲信号峰值处对应时间为t₁和t₂，被测物体(1)转速为R，第一周向激光反射片(3a)和第二周向激光反射片(3b)距旋转中心距离为D_c，则第一周向激光反射片(3a)和第二周向激光反射片(3b)之间变形后距离u_c为：

u_c＝2πD_cR(t₂-t₁)

根据变形后距离u_c和初始距离u_c0，得到第一周向激光反射片(3a)和第二周向激光反射片(3b)之间的周向应变ε_c：

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

求得多组周向变形后距离u_ci，得到随时间变化的多组周向应变值ε_ci。