CN108072672A - 一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置及其监测方法。本发明采用X射线发生/接收装置，获得测试试件的微结构图像；采用高分辨率CCD相机得到测试试件的表面形貌图像；采用红外测温仪结合CCD相机的红光通道和绿光通道值得到全场的温度分布；高光谱相机采集测试试件的光谱图像；控制及图像处理单元通过图像分析与处理，获得测试试件在烧蚀过程中微结构的演化情况、烧蚀液滴的产生流动融合情况、烧蚀产物组分及分布的实时、精确监测，并同步得到物体表面全场温度分布，去除热辐射对光谱信息的影响；利用该技术可实现对烧蚀微结构与表面液滴、烧蚀温度与烧蚀产物之间关系的分析。

Description

一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置及其在线监测方法。
背景技术
高温结构材料，如镍基高温合金、C/SiC复合材料等，由于其优异的高温力学性能而被广泛应用于航天航空等领域。同时，飞行器在进行超高速飞行时，表面翼尖等部位承受剧烈气动热，可以达到极高温度。在如此恶劣条件下，材料/结构不可避免地出现氧化、烧蚀、断裂等现象。为了研究材料/结构在高温条件下的性质，需要对其进行模拟实验和分析。目前，对高温结构材料工况下的实验模拟主要有两种方法。一是模拟整个环境因素，直接得到测试结果。虽然这种方法最为接近实际工作状态，但其成本也大大提高。另一种方法是基于环境与材料之间的物理和化学相互作用开发新的模拟理论和实验方法，该方法侧重于对可能主导材料行为演化的因素的模拟，一定程度上降低了对实验的要求，从而愈发获得重视和研究。而在针对氧化烧蚀研究的模拟实验方面，现有方法大多是通过对比材料烧蚀前和烧蚀后的状态，进而获得烧蚀量和材料组分变化情况等，对于材料在烧蚀过程中的变化情况，如烧蚀形貌演化、材料组分动态变化等，则无法实时监测获取过程信息。
X射线检测技术是一种利用X射线穿过物质，通过测量其衰减来实现结构检测目的的技术，可对材料内部缺陷、微结构等进行检测。而高光谱成像分析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，可通过不同物质的光谱特性实现物质鉴别及组分分析。根据普朗克辐射定律，随着物体温度的升高，其表面热辐射量及不同波段的辐射相对值均会发生改变，故理论上讲，高温环境下利用X射线探测微结构及利用光谱图像分析化学组分变化时，均需要去除由于热辐射引起的X射线衰减量变化及光谱变化。但是，在模拟实验温度范围内，由于热辐射产生的X射线强度可以忽略不计，故只需要利用热辐射实现对光谱的修正即可。这就需要同步获取材料表面全场温度分布。
同时，高温烧蚀过程中往往会出现烧蚀液滴，液滴由于受外力作用(如重力、高速气流冲刷等)会发生流动，要想实现表面烧蚀液滴形成与材料微结构演化之间的在线监测与实时关联，需要利用高分辨率CCD相机对烧蚀试件表面进行同步拍摄。由于高温辐射影响，高分辨率CCD相机需要抑制辐射光，进而获得清晰的烧蚀表面形貌和烧蚀液滴流动形态等信息。
发明内容
针对研究高温氧化烧蚀问题的地面模拟实验，本发明提出了一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置及其在线监测方法，本发明的装置可实现材料在烧蚀过程中微结构演化、表面液滴流动、生成产物的实时在线监测，同时可获得被测物体表面的全场温度分布，在利用光谱分析测定烧蚀产物及组分变化时去除热辐射的干扰；同时，为了获得清晰的表面形貌，进而建立烧蚀液滴产生、流动、融合情况与烧蚀微结构演化之间的关系，需要为高分辨率CCD相机加装蓝光带通滤波片，并外加蓝光LED阵列光源补光。
本发明的一个目的在于提出一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置。
本发明的烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置包括：X射线发生装置、X射线探测接收器、烧蚀加热装置、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机、高光谱相机、光源、隔离室和控制及图像处理单元；其中，X射线发生装置、烧蚀加热装置、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机、X射线探测接收器、高光谱相机和光源设置在隔离室内；测试试件位于隔离室内；在隔离室内的一端正对着测试试件的背面设置X射线发生装置；在隔离室内的另一端正对着测试试件的测试表面设置X射线探测接收器；烧蚀加热装置设置在测试试件的附近对着测试表面；光源对着测试试件的测试表面；红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机和高光谱相机分别对着测试试件的测试表面；X射线探测接收器、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机和高光谱相机通过同步线连接，并连接至位于隔离室外的控制及图像处理单元；光源发出窄带蓝光照射至测试试件的测试表面；烧蚀加热装置对测试试件的测试表面进行烧蚀；X射线发生装置向测试试件发射X射线并穿透测试试件，X射线探测接收器收集穿过测试试件的X射线并生成结构图像传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道获取测试试件的测试表面的形貌图像并传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过红光通道和绿光通道采集测试试件的测试表面的相应通道的亮度信息并传输至控制及图像处理单元；红外测温仪采集测试试件的测试表面的一个点的温度信息并传输至控制及图像处理单元；高光谱相机采集测试试件的光谱图像并传输至控制及图像处理单元；控制及图像处理单元根据X射线探测接收器获得的结构图像得到烧蚀微结构的演化情况，根据高分辨率CCD相机的蓝光通道采集的形貌图像得到烧蚀液滴尺寸及其运动情况，根据高分辨率CCD相机的红光通道和绿光通道采集的亮度图像，结合红外测温仪采集的一个点的温度信息得到全场温度分布，根据光谱图像得到烧蚀产物的组分和分布情况。
X射线发生装置包括：X射线发生器、冷却装置、隔热箱和X射线发射窗；其中，X射线发生器设置在隔热箱内，在隔热箱上设置有冷却装置，以保障X射线发生器处于正常工作温度内；隔热箱上正对着测试试件的背面的一侧设置X射线发射窗，X射线发生器发出X射线，穿过X射线发射窗，发射至测试试件。
烧蚀加热装置采用氧乙炔火焰加热装置或激光加热装置。
本发明的另一个目的在于提供一种高温环境下烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法。
本发明的高温环境下烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法，包括以下步骤：
1)开启光源，发出窄带蓝光照射至测试试件的测试表面；
2)室温下开启X射线发生装置，产生X射线并穿透测试试件，X射线探测接收器接收X射线并获得测试试件的初始结构图像，传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道获得测试试件的测试表面的初始形貌图像，并传输至控制及图像处理单元；
3)烧蚀加热装置对测试试件的测试表面进行烧蚀；
4)烧蚀过程中，控制及图像处理单元同步控制X射线探测接收器获取结构图像，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道采集测试试件的表面形貌图像，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过红光通道和绿光通道采集相应通道的亮度信息，红外测温仪采集测试试件的一个点的温度信息，高光谱相机采集测试试件的光谱图像，并传输至控制及图像处理单元；
5)控制及图像处理单元进行结果分析：
a)控制及图像处理单元通过烧蚀过程中X射线探测接收器得到的结构图像与初始结构图像进行对比，获得烧蚀微结构的演化情况；
b)控制及图像处理单元对高分辨率CCD相机的蓝光通道采集的表面形貌图像进行处理，得到烧蚀液滴尺寸及其运动情况；
c)控制及图像处理单元根据高分辨率CCD相机的红光通道和绿光通道采集的相应通道的亮度信息，结合红外测温仪采集的一个点的温度信息，利用改进的比色法得到全场温度分布；
d)控制及图像处理单元利用全场温度分布对高光谱相机采集的光谱图像进行温度补偿修正，分析得到烧蚀产物的组分和分布情况。
进一步，测量得到带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机与测试试件的测试表面的法线之间的夹角为θ，控制及图像处理单元根据夹角θ对得到的形貌图像进行修正，得到测试试件的正面形貌图像。
本发明的优点：
本发明采用X射线发生/接收装置，获得测试试件的微结构图像；采用高分辨率CCD相机得到测试试件的表面形貌图像；采用红外测温仪结合CCD相机的红光通道和绿光通道值得到全场的温度分布；高光谱相机采集测试试件的光谱图像；控制及图像处理单元通过图像分析与处理，获得测试试件在烧蚀过程中微结构的演化情况、烧蚀液滴的产生流动融合情况、烧蚀产物组分及分布的实时、精确监测，并同步得到物体表面全场温度分布，去除热辐射对光谱信息的影响；利用该技术可实现对烧蚀微结构与表面液滴、烧蚀温度与烧蚀产物之间关系的分析。
附图说明
图1为本发明的烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置的一个实施例的示意图；
图2为根据本发明的烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法的一个实施例得到的烧蚀前的初始结构图像；
图3为根据本发明的烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法的一个实施例得到的烧蚀后的结构图像；
图4为根据本发明的烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法的一个实施例得到的全场温度分布图。
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，本实施例烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置包括：X射线发生装置、X射线探测9、烧蚀加热装置5、红外测温仪7、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机8、高光谱相机10、光源11、隔离室12和控制及图像处理单元13；其中，X射线发生装置、烧蚀加热装置5、红外测温仪7、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机8、X射线探测9接收器、高光谱相机10和光源11设置在隔离室12内；测试试件位于隔离室12内；在隔离室12内的一端正对着测试试件的背面设置X射线发生装置；在隔离室12内的另一端正对着测试试件的测试表面设置X射线探测9接收器；烧蚀加热装置5设置在测试试件的附近对着测试表面；光源11对着测试试件的测试表面；红外测温仪7、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机8和高光谱相机10分别对着测试试件的测试表面；X射线探测9接收器、红外测温仪7、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机8和高光谱相机10通过同步线连接，并连接至位于隔离室12外的控制及图像处理单元13。X射线发生装置包括：X射线发生器1、冷却装置2、隔热箱3和X射线发射窗4；其中，X射线发生器1设置在隔热箱3内，在隔热箱上设置有冷却装置2，以保障X射线发生器处于正常工作温度内；隔热箱3上正对着测试试件的背面的一侧设置X射线发射窗4，X射线发生器1发出X射线，穿过X射线发射窗4，发射至测试试件。
在本实施例中，烧蚀加热装置5采用氧乙炔火焰加热装置，火焰喷嘴内径为2mm，喷枪距离试件表面为4～5cm，氧气和乙炔的气压分别为0.4MPa和0.095MPa，流量分别为4.14L/min和2.46L/min，氧乙炔火焰最高温度可达到1500K以上；高光谱相机10的光谱范围为200nm～900nm。测试试件为C/SiC复合材料，尺寸50mm×50mm×10mm。
本发明的高温环境下烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法，包括以下步骤：
1)开启光源，发出窄带蓝光照射至测试试件的测试表面；
2)室温下开启X射线发生装置，产生X射线并穿透测试试件，X射线探测接收器接收X射线并获得测试试件的初始结构图像，如图2所示，传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道获得测试试件的测试表面的初始形貌图像，并传输至控制及图像处理单元；
3)烧蚀加热装置对测试试件的测试表面进行烧蚀；
4)烧蚀过程中，控制及图像处理单元同步控制X射线探测接收器获取结构图像，如图3所示，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道采集测试试件的表面形貌图像，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过红光通道和绿光通道获取相应通道的亮度信息，红外测温仪采集测试试件的一个点的温度信息，高光谱相机采集测试试件的光谱图像，采集频率均设定为1Hz/s，并传输至控制及图像处理单元；
5)控制及图像处理单元进行结果分析：
a)控制及图像处理单元通过烧蚀过程中X射线探测接收器得到的结构图像与初始结构图像进行对比，获得烧蚀微结构的演化情况；
b)控制及图像处理单元对高分辨率CCD相机的蓝光通道采集的表面形貌图像进行处理，得到烧蚀液滴尺寸及其运动情况；
c)控制及图像处理单元根据高分辨率CCD相机的红光通道和绿光通道采集的相应通道的亮度信息，结合红外测温仪采集的一个点的温度信息，利用改进的比色法，提取材料表面540nm和690nm两个波长辐射强度进行计算，获得测试试件的测试表面的全场温度分布；
d)控制及图像处理单元利用全场温度分布对高光谱相机采集的光谱图像进行温度补偿修正，得到烧蚀产物的组分和分布情况。
材料在烧蚀过程中，发生氧化等一系列化学反应从而造成化学组分改变。利用材料不同材料组分光谱曲线的差异，采用高光谱相机实时记录材料烧蚀过程中氧化生成氧化物的过程。高光谱成像分析技术利用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，在获得物体空间特征成像同时，也获得被测物体的光谱信息。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：
上式中热辐射光强度E(λ,T)为波长λ和温度T的函数，ε(λ,T)为物体辐射系数，C1和C2分别为第一和第二普朗克常数。上式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。
利用改进的比色法，利用红外测温仪获取测试试件的测试表面一个点的温度作为基准温度，基于红外测温仪测量的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度，其计算公式为：
其中，BRGo为红外测温仪所测的一个点的红光通道亮度与绿光通道亮度的比色值，To为红外测温仪所测的一个点的温度，λG为绿光波长，λR为红光波长，通过公式逐点遍历计算测试试件的测试表面图像像素点，即可得到测试试件的测试表面的全场温度分布T，如图4所示。对材料表面化学成分分析过程中的光谱图像进行温度补偿修正，从而获得材料烧蚀过程中由于化学反应及新物质生成所产生的光谱图像。对该修正后的光谱图像进行分析，即可得到烧蚀过程中的产物组分及分布情况。
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 (7)

1.一种烧蚀结构形貌及产物的在线监测装置，其特征在于，所述在线监测装置包括：X射线发生装置、X射线探测接收器、烧蚀加热装置、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机、高光谱相机、光源、隔离室和控制及图像处理单元；其中，所述X射线发生装置、烧蚀加热装置、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机、X射线探测接收器、高光谱相机和光源设置在隔离室内；测试试件位于隔离室内；在隔离室内的一端正对着测试试件的背面设置X射线发生装置；在隔离室内的另一端正对着测试试件的测试表面设置X射线探测接收器；所述烧蚀加热装置对着测试试件的测试表面；所述光源对着测试试件的测试表面；所述红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机和高光谱相机分别对着测试试件的测试表面；所述X射线探测接收器、红外测温仪、带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机和高光谱相机通过同步线连接，并连接至位于隔离室外的控制及图像处理单元；光源发出窄带蓝光照射至测试试件的测试表面；烧蚀加热装置对测试试件的测试表面进行烧蚀；X射线发生装置向测试试件发射X射线并穿透测试试件，X射线探测接收器收集穿过测试试件的X射线并生成结构图像传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道获取测试试件的测试表面的形貌图像并传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过红光通道和绿光通道采集测试试件的测试表面的相应通道的亮度信息并传输至控制及图像处理单元；红外测温仪采集测试试件的测试表面的一个点的温度信息并传输至控制及图像处理单元；高光谱相机采集测试试件的光谱图像并传输至控制及图像处理单元；控制及图像处理单元根据X射线探测接收器获得的结构图像得到烧蚀微结构的演化情况，根据高分辨率CCD相机的蓝光通道采集的形貌图像得到烧蚀液滴尺寸及其运动情况，根据高分辨率CCD相机的红光通道和绿光通道采集的亮度图像，结合红外测温仪采集的一个点的温度信息得到全场温度分布，根据光谱图像得到烧蚀产物的组分和分布情况。
2.如权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，所述X射线发生装置包括：X射线发生器、冷却装置、隔热箱和X射线发射窗；其中，X射线发生器设置在隔热箱内，在隔热箱上设置有冷却装置，以保障X射线发生器处于正常工作温度内；隔热箱上正对着测试试件的背面的一侧设置X射线发射窗，X射线发生器发出X射线，穿过X射线发射窗，发射至测试试件。
3.如权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，所述烧蚀加热装置采用氧乙炔火焰加热装置或激光加热装置。
4.如权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于，所述烧蚀加热装置采用氧乙炔火焰加热装置，所述氧乙炔火焰加热装置的喷枪距离试件表面为4～5cm。
5.如权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，所述高光谱相机的光谱范围为200nm～900nm。
6.一种高温环境下烧蚀结构形貌及产物的在线监测方法，其特征在于，所述在线监测方法包括以下步骤：
1)开启光源，发出窄带蓝光照射至测试试件的测试表面；
2)室温下开启X射线发生装置，产生X射线并穿透测试试件，X射线探测接收器接收X射线并获得测试试件的初始结构图像，传输至控制及图像处理单元；带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道获得测试试件的测试表面的初始形貌图像，并传输至控制及图像处理单元；
3)烧蚀加热装置对测试试件的测试表面进行烧蚀；
4)烧蚀过程中，控制及图像处理单元同步控制X射线探测接收器获取结构图像，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过蓝光通道采集测试试件的表面形貌图像，带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机通过红光通道和绿光通道采集相应通道的亮度信息，红外测温仪采集测试试件的一个点的温度信息，高光谱相机采集测试试件的光谱图像，并传输至控制及图像处理单元；
5)控制及图像处理单元进行结果分析：
a)控制及图像处理单元通过烧蚀过程中X射线探测接收器得到的结构图像与初始结构图像进行对比，获得烧蚀微结构的演化情况；
b)控制及图像处理单元对高分辨率CCD相机的蓝光通道采集的表面形貌图像进行处理，得到烧蚀液滴尺寸及其运动情况；
c)控制及图像处理单元根据高分辨率CCD相机的红光通道和绿光通道采集的相应通道的亮度信息，结合红外测温仪采集的一个点的温度信息，利用改进的比色法得到全场温度分布；
d)控制及图像处理单元利用全场温度分布对高光谱相机采集的光谱图像进行温度补偿修正，分析得到烧蚀产物的组分和分布情况。
7.如权利要求6所述的在线监测方法，其特征在于，还包括：测量得到带有蓝光带通滤波片的高分辨率CCD相机与测试试件的测试表面的法线之间的夹角为θ，控制及图像处理单元根据夹角θ对得到的形貌图像进行修正，得到测试试件的正面形貌图像。
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