CN106680224A - 一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置及其测量方法。本发明采用高光谱相机拍摄得到被测材料的高光谱图像，红外测温仪得到被测材料表面的一个基准温度；选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度，对高光谱图像进行温度补偿修正，然后对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测；本发明在高温风洞环境下烧蚀过程中氧化等化学组分变化实时监测，并且同步得到被测材料表面的全场温度分布，再利用高光谱技术测量被测材料氧化时去除温度变化带来的辐射影响。

Description

一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置及其测量方法。

背景技术

高温合金及复合材料由于其良好的力学特性和抗高温性能，广泛应用于航天航空、核能等领域。特别在航空高超声速飞行器结构材料中，飞行器外形承受的气动热随着飞行器速度的增加而增大，在超高声速飞行情况下，飞行器表面的结构材料被由于气动烧蚀发生氧化。通常为了模拟飞行器高空高超速飞行环境，采用高温模拟实验对飞行器结构材料的耐高温性能进行测试，其中一类重要的模拟手段即是通过高温风洞对材料结构进行考核。对于高温合金及复合材料高温风洞中的烧蚀氧化，现有方法大多是通过对比材料烧蚀前和烧蚀后形态，记录材料最终经过高温风洞烧蚀之后的状态，获得烧蚀量和材料组分变化情况。对于材料在烧蚀过程中的变化情况，无法实时监测获取整个烧蚀过程中的材料组分动态变化信息。

高温风洞模拟高超声速飞行器飞行服役环境为飞行器结构及材料提供了理想的测试环境，现有高温风洞通常为燃气风洞和电弧风洞。高光谱成像技术是一种将光谱分析与光学成像技术结合的新型成像技术，可通过物体不同组分对不同光谱的吸收特性实现材料组分分析。但材料在高温风洞的烧蚀过程中，材料表面高温辐射光对辐射光谱会有影响，使得不能准确测量材料在高温风洞中烧蚀过程化学组分变化。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置及其测量方法，对被测材料在烧蚀过程中生成氧化进行实时监测，同时可以测得被测材料表面的全场温度分布，再利用高光谱技术测定材料组分变化时去除被测材料本身烧蚀过程中辐射光的干扰。

本发明的一个目的在于提出一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置。

本发明的高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置包括：高温风洞、高光谱相机、红外测温仪和图像处理单元；其中，被测材料置于高温风洞中进行高温烧蚀；高温风洞的侧壁上设置有密封的透明的观察窗口；高光谱相机和红外测温仪通过同步线连接，并且二者连接至图像处理单元；高光谱相机透过高温风洞侧壁上的观察窗口对被测材料的表面进行拍摄，得到高光谱图像，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，并传输至图像处理单元；红外测温仪透过观察窗口对准被测材料的表面，得到被测材料表面的一个点的温度，作为基准温度，并传输至图像处理单元；图像处理单元选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度；图像处理单元利用被测材料表面的全场温度对高光谱图像进行温度补偿修正，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。

高光谱成像技术是一种将光谱分析与光学成像技术结合的新型成像技术，可通过物体不同组分对不同光谱的吸收特性实现材料组分分析。根据普朗克辐射定律，随着物体温度的升高，其表面热辐射也随之增加，而且不同波段的辐射相对值也发生变化，所以在高温下根据物体的光谱图像分析化学组分变化，需要去除温度变化引起的辐射变化。因此，本发明利用高光谱图像定量分析材料化学组分变化，同步获取材料表面温度分布，利用被测材料表面的全场温度对高光谱图像进行温度补偿修正，去除温度变化引起的辐射变化，实现对材料在高温风洞中烧蚀过程中生成氧化物进行准确实时监测。

高温风洞采用燃气风洞或电弧风洞。

高光谱相机拍摄得到高光谱图像传输至图像处理单元，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，光谱范围在400nm～1700nm之间。

本发明的另一个目的在于提供一种高温风洞中材料氧化烧蚀的测量方法。

本发明的高温风洞中材料氧化烧蚀的测量方法，包括以下步骤：

1)被测材料置于高温风洞中，开启高温风洞对被测材料进行烧蚀；

2)将高光谱相机透过高温风洞侧壁上的观察窗口对准被测材料的表面进行拍摄，得到高光谱图像，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，并传输至图像处理单元；

3)红外测温仪对准被测材料的表面，得到被测材料表面的一个点的温度，作为基准温度，并传输至图像处理单元；

4)图像处理单元选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度；

5)通过高光谱图像得到被测材料光谱，通过被测材料表面的全场温度得到被测材料的高温辐射光谱，图像处理单元利用被测材料的高温辐射光谱对被测材料光谱进行温度补偿修正，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。

其中，在步骤4)中，计算得到被测材料表面的全场温度，公式为：

其中，为被测材料的红外测温仪标定点的图像像素点在两个不同光谱波段的亮度比色值，为高光谱相机的拍摄的被测材料上一点的图像像素点在两个不同光谱波段的亮度比色值，λ₁和λ₂分别为选取的两个不同光谱波段的被测物体加热时发射的波长，T_o为红外测温仪标定点温度，通过公式逐点遍历计算被测材料的图像像素点，即可得到被测材料的表面温度T，获得被测材料表面的全场温度分布。

在步骤5)中，图像处理单元利用被测材料的高温辐射光谱对被测材料光谱进行温度补偿修正，采用如下公式：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ)

其中，ρ(λ)为通过高光谱相机测得的被测材料光谱，ρ_T(λ)为被测材料的高温辐射光谱，ρ'(λ)为进行温度补偿修正后的被测材料光谱，λ为辐射光波长。

在步骤5)中，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析具体包括：采用温度补偿修正后的被测材料光谱，根据不同化学组分的材料的光谱特性，与得到的被测材料光谱进行比对，得到被测材料的化学组分及随时间的变化，分析得到被测材料的表面氧化情况。

本发明的优点：

本发明采用高光谱相机拍摄得到被测材料的高光谱图像，红外测温仪得到被测材料表面的一个基准温度；选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度，对高光谱图像进行温度补偿修正，然后对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测；本发明在高温风洞环境下烧蚀过程中氧化等化学组分变化实时监测，并且同步得到被测材料表面的全场温度分布，再利用高光谱技术测量被测材料氧化时去除温度变化带来的辐射影响。

附图说明

图1为本发明的高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置包括：高温风洞1、高光谱相机3、红外测温仪4和图像处理单5元；其中，被测材料6置于高温风洞1中进行高温烧蚀；高温风洞的侧壁上设置有密封的透明的观察窗口2；高光谱相机3和红外测温仪4通过同步线连接，并且二者连接至图像处理单元5；高光谱相机3透过高温风洞侧壁上的观察窗口2对被测材料6的表面进行拍摄；红外测温仪4透过观察窗口2对准被测材料6的表面。

在本实施例中，高温风洞1采用30MW电弧风洞，高光谱相机3光谱范围在400nm～1700nm之间；被测材料为C/SiC复合材料，尺寸为50mm×50mm×10mm。

被测材料在烧蚀过程中，发生氧化等一系列化学反应从而产生化学组分改变。利用被测材料的不同组分光谱曲线的差异，采用高光谱相机来实时探测被测材料在烧蚀过程中氧化生成氧化物的过程，从而分析得到被测材料的化学组分。高光谱成像技术在从紫外到近红外的光谱范围内，利用高光谱相机在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像，在获得被测材料的空间特征成像同时，也获得被测材料的光谱信息。另外，根据普朗克辐射定律物体向外发出的热辐射光强度E：

式(1)中热辐射光强度E(λ,T)为波长λ和温度T的函数，ε(λ,T)为被测材料的发射率，C₁和C₂分别为第一和第二普朗克常数。式(1)表明物体的辐射光谱随温度的变化而改变，所以在利用高光谱成像技术对烧蚀材料各组分进行探测时，需要考虑温度变化对高光谱成像的影响。在高光谱相机拍摄得到的各个光谱波段的图像中，选择两个光谱波段的图像，根据比色法可以得到被测材料的表面温度分布：

其中，ε(λ_R,T)和ε(λ_G,T)分别为物体红光波段和绿光波段发射率，C₂为第二辐射常数C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R为被测材料加热时发射的红光波长，λ_G为被测材料加热时发射的绿光波长，B_RG为高光谱相机采集的被测材料上的图像像素点红光波段的亮度与绿光波段的亮度比色值，为高光谱相机可见光谱范围内响应函数，A_R和A_G分别为红光和绿光的相机光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，U_R和U_G分别为红光和绿光的光电转换系数，t_R和t_G分别为红光和绿光的曝光时间，和分别为红光和绿光的光学系统的透过率，A_R、A_G、U_R、U_G、t_R、t_G、和均为常数。

本发明基于改进的比色法，以红外测温仪测量被测材料试件表面一个点的温度作为基准温度，基于红外测温仪标定的基准温度，在本实施例中，选取红光波段的被测材料的图像和绿光波段的被测材料的图像计算亮度比色值，计算得到被测材料表面的全场温度，其测量公式为：

其中，B_RGo为被测材料上红外测温仪标定点的图像像素点红光波段的亮度与绿光波段的亮度比色值，T_o为红外测温仪标定的基准温度，通过公式逐点遍历计算被测材料表面图像像素点，即可得到被测材料的表面温度T，获得试件表面全场温度分布。利用被测材料表面的全场温度对高光谱图像进行温度补偿修正，利用修正后的图像对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。利用被测材料的高温辐射光谱对被测材料光谱进行温度补偿修正：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ) (4)

其中，ρ(λ)为高光谱相机测得的被测材料光谱，通过高光谱图像得到被测材料光谱，ρ_T(λ)为被测材料的高温辐射光谱，通过被测材料表面的全场温度得到被测材料的高温辐射光谱，ρ'(λ)为进行温度补偿修正后的被测材料光谱，λ为辐射光波长。根据不同材料光谱特性，与得到的被测材料光谱进行比对，得到被测材料的化学组分及随时间的变化。

本实施例的高温风洞中材料氧化烧蚀的测量方法，包括以下步骤：

1)被测材料置于高温风洞中，开启高温风洞对被测材料进行烧蚀；

2)将高光谱相机透过高温风洞侧壁上的观察窗口对准被测材料的表面进行拍摄，得到高光谱图像，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，并传输至图像处理单元；

3)红外测温仪对准被测材料的表面，得到被测材料表面的一个点的温度，作为基准温度，并传输至图像处理单元；

4)图像处理单元分别选取两张红光波段和绿光波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，根据下式计算得到被测材料表面的全场温度：

5)图像处理单元利用被测材料的高温辐射光谱对被测材料光谱进行温度补偿修正，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ)

根据不同化学组分的光谱曲线差异，分析得到被测材料的表面氧化情况，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种高温风洞中材料氧化烧蚀测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：高温风洞、高光谱相机、红外测温仪和图像处理单元；其中，被测材料置于高温风洞中进行高温烧蚀；所述高温风洞的侧壁上设置有密封的透明的观察窗口；所述高光谱相机和红外测温仪通过同步线连接，并且二者连接至图像处理单元；所述高光谱相机透过高温风洞侧壁上的观察窗口对被测材料的表面进行拍摄，得到高光谱图像，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，并传输至图像处理单元；所述红外测温仪透过观察窗口对准被测材料的表面，得到被测材料表面的一个点的温度，作为基准温度，并传输至图像处理单元；所述图像处理单元选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度；图像处理单元利用被测材料表面的全场温度对高光谱图像进行温度补偿修正，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述高温风洞采用燃气风洞或电弧风洞。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，光谱范围在400nm～1700nm之间。

4.一种高温风洞中材料氧化烧蚀的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)被测材料置于高温风洞中，开启高温风洞对被测材料进行烧蚀；

2)将高光谱相机透过高温风洞侧壁上的观察窗口对准被测材料的表面进行拍摄，得到高光谱图像，高光谱图像包括一系列多张不同光谱波段的被测材料的图像，并传输至图像处理单元；

3)红外测温仪对准被测材料的表面，得到被测材料表面的一个点的温度，作为基准温度，并传输至图像处理单元；

4)图像处理单元选取两张不同光谱波段的被测材料的图像，计算对应的相同点的亮度比色值，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测材料表面的全场温度；

5)通过高光谱图像得到被测材料光谱，通过被测材料表面的全场温度得到被测材料的高温辐射光谱，图像处理单元利用被测材料的高温辐射光谱对被测材料光谱进行温度补偿修正，利用温度补偿修正后的被测材料光谱对被测材料表面进行化学成分分析，实现对被测材料烧蚀过程中氧化实时状况的准确监测。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤4)中，计算得到被测材料表面的全场温度，公式为：

$\ln \left(B_{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}\right)-\ln \left(B_{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}^{\′}\right)=C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_o})$

其中，为被测材料的红外测温仪标定点的图像像素点在两个不同光谱波段的亮度比色值，为高光谱相机的拍摄的被测材料上一点的图像像素点在两个不同光谱波段的亮度比色值，λ₁和λ₂分别为选取的两个不同光谱波段的被测物体加热时发射的波长，T_o为红外测温仪标定点温度，通过公式逐点遍历计算被测材料的图像像素点，即可得到被测材料的表面温度T，获得被测材料表面的全场温度分布。

6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤5)中，利用温度补偿修正后的被测材料光谱，根据不同化学组分的材料的光谱特性，与得到的被测材料光谱进行比对，得到被测材料的化学组分及随时间的变化，分析得到被测材料的表面氧化情况。