CN111006602A - 一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，属于光学成像技术领域，应用在航空发动机涡轮叶片表面应变测量。本发明基于偏振成像技术提出应用于航空发动涡轮叶片应变测量的一种立式双目视觉成像的光学探针，采用双目偏振视觉成像技术，对涡轮叶片潜在的应力集中区域进行监测，通过拍摄涡轮叶片同一区域的不同角度的图形，提取偏振信息得到增强图像，利用灰度信息，采用立体匹配算法匹配不同时间不同燃气温度下涡轮叶片的敏感区域，基于三角测量原理重建匹配区域的三维坐标，得到对应的应变量。本发明的公开的双目视觉光学成像探针，不仅适用于高温条件下的涡轮叶片测量，对于其他物体在高温环境下的应变测量同样适用。

Description

一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，应用在航空发动机涡轮叶片表面应变测量。

背景技术

与传统双目视觉直接利用被测目标表面反射光强度不同，偏振双目视觉是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过目标表面反射光的偏振信息不同、计算图像对应位置间的偏差，获取图形增强的物体三维几何信息，它并不依赖目标的表面的纹理信息，本发明结合基于偏振的双目视觉成像技术和包裹式冷却探头结构，公开发明了一种用于航空发动机涡轮叶片表面成像的耐高温小尺寸成像探针装置，该装置包括：探头套管、耐高温抛光反射镜、偏振分光棱镜(PBS)、引流弧形夹片、立式镜片夹具；所述探头套管为单层结构，底部侧面有两个大小一致的成像小口，所述的立式镜片夹角包括2根扁平片，扁平片底部与所述耐高温抛光反射镜、偏振分光棱镜连接，固定发射镜与偏振分光镜，所述偏振分光镜呈三棱柱形状，上表面(倾斜面)与水平方向夹角成锐角，所述耐高温抛光反射镜采用耐高温合金(如铂铑合金)，表面抛光，呈立方体，上表面与水平方向夹角成锐角，两个锐角之间存在一定的角度差，所述引流弧形夹片位于套管和反射镜之间，在对应反射镜和分光镜有两个通孔，用于引导冷气流动。

该装置利用引流的结构引导高压冷气完全包裹反射镜和偏振分光镜，保障在高温高压的燃烧室环境下镜片的正常工作，利用采集到的偏振信息在套管后端的CCD探测器进行结构，重组出目标叶片同一区域3D图像。目前针对高温高压极端环境下工作的涡轮叶片应变测量主要采用的方法是应变片，应变片测量需要布置大量导线，安装极不方便，并且需要利用高温胶或直接焊接的方式把应变片固定在被测叶片上，安装的手艺将直接决定测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服发动机燃烧室高温环境，设计出一种耐高温的光学探头，对涡轮叶片进行测量，利用偏振信息成像，实现对涡轮叶片应变的测量，同时细小的探针对于燃烧室温度场几乎没影响。

因此本发明的技术方案为一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，该装置包括：探针探头、光学系统、冷气连接头，所述探针探头用于把涡轮叶片的光线从涡轮燃烧室内部引出，入射进光学系统，所述冷气连接头用于探针探头的冷却；所述冷气结构为顶部设置有内螺纹开孔、侧壁设置有冷气接口的帽状结构，帽状结构底部外侧设置法兰盘；所述探针探头包括：探头套管、耐高温抛光反射镜、偏振分光棱镜(PBS)、引流弧形夹片、立式镜片夹具；所述探头套管为底部顺轴向依次设置有两个窗口的圆筒形结构，探头套管靠近头部位置的外围设置法兰盘，法兰盘距离头部末端的距离与冷气连接头的内壁深度相等，探头套管头部位于冷气连接头内，探头套管靠近头部对应冷气接口的位置开设有通孔；所述立式镜片夹具位于套管内部，所述立式镜片夹具的头部设置有外螺纹，与冷气连接头顶部开孔的内螺纹配合，且立式镜片夹具的螺纹段长度大于冷气连接头螺纹段长度；立式镜片夹具的末端顺轴向依次夹持偏振分光棱镜和耐高温抛光反射镜，所述偏振分光棱镜和耐高温抛光反射镜的位置依次与探头套管底部的两个窗口对应；所述引流弧形夹片为长条形其截面为弧形，位于探头套管内、立式镜片夹具的旁边，截面开口正对冷气接口，用于将冷气通入引流弧形夹片与探头套管内壁形成的腔体内；引流弧形夹片头部对应对冷气接口的位置设置有通孔，用于将冷气通入立式镜片夹具所在腔体内，底部设置有两个通孔，分别对准偏振分光棱镜和耐高温抛光镜，用于将位于探头套管和引流弧形夹片之间腔体的冷气直接吹扫偏振分光棱镜和耐高温抛光镜；所述引流弧形夹片头部与探针套管的接触位置采用激光焊接，引流弧形夹片与探头套管底部接触；所述探针探头位于燃烧室内部，探头套管的两个窗口正对于涡轮叶片；所述涡轮叶片的光线照射到偏振分光棱镜的反射表面经过反射后与照射到耐高温抛光反射镜经过反射后再进去偏振分光棱镜的光线和为同一光路；所述冷气连接头包括外壳体、外壳体顶部设置有密封的通光窗口、底部为法兰盘、侧壁设置有冷气接口，所述外壳体与探头套管含有密封圈，防止冷气从冷气系统外壳体与探针套管之间漏出；所述光学系统包括：光学镜筒、位于光学镜筒内部的光路、两个CCD相机；由偏振分光棱镜出射的光线进入光路并依次经过：聚光镜、视场光阑、准直镜、偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜作用下分成两条光路，每条光路末端包括：准直镜、成像镜、CCD相机；光学镜筒与立式镜片夹具的接触部设置有内螺纹，该内螺纹与立式镜片夹具的外螺纹配合。

进一步的，立式镜片夹具的头部设置对应冷气接口的位置有两个通孔，用于冷气通入立式镜片夹具的腔体内和穿过立式镜片夹具。

进一步的，所述偏振分光棱镜表面镀有P光偏振光Tave≥95％，Rave≤5％，S偏振光Tave≤5％，Rave≥95％的偏振分光膜，成三棱柱体。

进一步的，所述耐高温抛光反射镜采用固溶强化型镍基合金、铂铑合金，成扁平的六面体，表面作抛光处理，粗糙度小于等于0.02mm。

本发明的有益效果：

本发明基于偏振成像技术提出应用于航空发动涡轮叶片应变测量的一种立式双目视觉成像的光学探针，采用双目偏振视觉成像技术，对涡轮叶片潜在的应力集中区域进行监测，通过拍摄涡轮叶片同一区域的不同角度的图形，提取偏振信息得到增强图像，利用灰度信息，采用立体匹配算法匹配不同时间不同燃气温度下涡轮叶片的敏感区域，基于三角测量原理重建匹配区域的三维坐标，得到对应的应变量。本发明的公开的双目视觉光学成像探针，不仅适用于高温条件下的涡轮叶片测量，对于其他物体在高温环境下的应变测量同样适用。

附图说明

图1为本发明光学探针与被测叶片的位置示意图。

图2为本发明光学探针的局部结构与整体测量示意图。

图3为本发明的光学系统。

图4为本发明光学探针的冷却接口结构，并集成安装探针的法兰盘。

图5为本发明镜片夹具结构图。

图6为本发明立式镜片夹具、光学镜筒、探针套管、引流弧形夹片的连接方式示意图。

图7为为引流弧形夹片的示意图。

图中：1.叶片局部区域，2.涡轮叶片，3.榫头，4.光学探针，5.CCD相机，6.气体密封圈，7.冷气接口，8.法兰盘，9.光学镜筒，10.上位机，11.探针套管，12.引流弧形夹片，13.立式镜片夹具，14.偏振分光棱镜，15.耐高温抛光反射镜，16.销钉，17.聚光镜，18.视场光阑，19.准直镜，20.成像镜，21.冷气连接头，22.定位销，23.销钉孔，24.螺纹密封，25.光通孔，26.冷气通孔，27.法兰盘安装孔，28.限位板。

具体实施方式

如图1所示，发动机燃烧室内部的涡轮叶片处于高温高压的环境中，光学探针4安装在机匣表面，气体通过发动机前端的压气增压过程，高压气体与燃料混合形成高温高压的燃气，气流流过涡轮时产生作用力，对涡轮叶片2作功而使其转动，从而能将气流的能量转换成机械能输出，因此，涡轮叶片2工作环境极其恶劣。立式双目视觉成像的光学探针4通过机匣预设窗口将探头部分伸入燃烧室，光学探针4内部的两个镜片以一定的角度差对准涡轮叶片2的局部区域1，这个区域是涡轮叶片2在工作中温度集中区域，也是容易产生形变的区域，在高温的作用下叶片自身呈发光状态，光学探针4对该区域不同角度的偏振信息进行采集，最后传输到图2所示的上位机10，完成信息的收集与处理。

如图2所示，整个光学探针4可以分为上下两部分，下部分主要是在机匣内部，负责将被测区域的偏振信息传输到上部分的光学系统与后续处理系统，下部分主要包括探针套管11，引流弧形夹片12，立式镜片夹具13，偏振分光棱镜14和耐高温抛光反射镜15，利用上半部分法兰盘8将光学探针4固定在机匣的预留位置，整个探针套管呈半开孔的圆筒状，圆筒直径30mm，壁厚2mm，长度根据具体发动机型号而定，一般大于100mm，探针套管上半部分拥有用于固定的法兰盘，直径与法兰盘8一样，直径均是60-80mm，同时均布4个直径4-8mm的通孔，法兰盘与机匣的预留位置通过螺栓固定连接；在探头底端，耐高温抛光反射镜15采用耐高温合金材料，整体长15mm，前后两端拥有1mm的通孔，利用销钉16可以将反射镜15与夹具13固定，反射镜15表面进行抛光处理，能反射叶片的P偏振光与S偏振光，偏振分光棱镜14成棱柱状，截面呈直角三角形状，底边长15mm，高8.5mm,含有两个1mm的通孔，便于销钉16固定分光棱镜14和夹具13，分光棱镜14斜表面镀有耐温的光学膜，能反射S偏振光，透过P偏振光，耐高温抛光反射镜15斜面与水平方向夹角50°，偏振分光棱镜斜面与水平方向夹角成40°，因此，立式镜片夹具13的光通孔内部会含有S偏振光和P偏振光，但是由于下部分处于机匣内部，面对恶劣的燃烧环境，因此在信息采集过程，需要不间断提供充足冷气，一是保证光学镜片的正常工作，二是不断吹扫镜面，防止镜面被污染。

冷气主要通过上部分冷气接口7进入光学探针4内部，冷气接口7尺寸与试验的冷气接口大小适配，冷气通过冷气接口后，在探针套管11、引流弧形夹片12、立式镜片夹具13对应位置均有直径8mm的圆通孔，使冷气进入探针内部；在引流弧形夹片12的作用下，冷气可以到达两个镜片的上下表面，完全包裹两个镜片，保证了偏振分光棱镜14和耐高温抛光反射镜15的稳定工作，探针套管11底端，两个镜片所对应的位置有两个通孔，该通孔既能让叶片信息传输到镜面，同时也能连通冷气，两个镜片以一定的角度差测量叶片上的同一局部区域1，得到不同角度下同一区域的偏振信息。引流弧形夹片上下端均是扇形状，与探针套管11同心，夹片上端外径26mm，内径20mm，厚度2mm，通过图5所示的立式镜片夹具13中的光通孔25传输到探针上半部分，立式镜片夹具13底部有4个销钉孔，与两个镜片上的销钉孔对应，镜片采用销钉固定的安装方式，上部分在探针套管11外面包裹着如图4所示的冷气连接头21，冷却接口7与冷气源连接，提供一定压强的冷气，法兰盘安装孔27与探针套管11的法兰盘对应，均和机匣表面的通孔通过螺栓连接，用于安装光学探针4，定位销22便于光学探针安装时候的定位，保证两个镜片的光敏面正对叶片。上述冷却结构如图4所示，整体高度34.5mm，集成的法兰盘厚度4mm，直径60mm，冷却结构内部有深25mm,直径30mm的孔结构，同时在偏心7mm位置含有深度为8mm，公称直径20mm的内螺纹，用于与立式镜片夹具13顶部的外螺纹连接，同时有深3mm的台阶定位立式镜片夹具13，立式镜片夹具13如图5所示，顶部拥有公称直径20mm，螺旋长度16mm的外螺纹，如图6所示，螺纹上半部分与光学镜筒9连接，下半部分与冷气结构连接。立式镜片夹具整体长145mm(此长度与探针套管11长度适配)，夹具中心有内径10mm的光通孔25。叶片的偏振信息通过立式镜片夹具13内部的光通孔25到达机匣外的光学镜筒9,光学镜筒9内部含有多个光学镜片，具体如图3光学系统所示，偏振信息经过聚光镜17汇聚到视场光阑18，再由准直镜19传输到第二个偏振分光棱镜14上，将偏振信息分成P偏振光和S偏振光，两种偏振光经过成像镜20传输到外部的CCD相机5，完成偏振成像的过程，最后传输到上位机10进行信号处理。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，该装置包括：探针探头、光学系统、冷气连接头，所述探针探头用于把涡轮叶片的光线从涡轮燃烧室内部引出，入射进光学系统，所述冷气连接头用于探针探头的冷却；所述冷气结构为顶部设置有内螺纹开孔、侧壁设置有冷气接口的帽状结构，帽状结构底部外侧设置法兰盘；所述探针探头包括：探头套管、耐高温抛光反射镜、偏振分光棱镜、引流弧形夹片、立式镜片夹具；所述探头套管为底部顺轴向依次设置有两个窗口的圆筒形结构，探头套管靠近头部位置的外围设置法兰盘，法兰盘距离头部末端的距离与冷气连接头的内壁深度相等，探头套管头部位于冷气连接头内，探头套管靠近头部对应冷气接口的位置开设有通孔；所述立式镜片夹具位于套管内部，所述立式镜片夹具的头部设置有外螺纹，与冷气连接头顶部开孔的内螺纹配合，且立式镜片夹具的螺纹段长度大于冷气连接头螺纹段长度；立式镜片夹具的末端顺轴向依次夹持偏振分光棱镜和耐高温抛光反射镜，所述偏振分光棱镜和耐高温抛光反射镜的位置依次与探头套管底部的两个窗口对应；所述引流弧形夹片为长条形其截面为弧形，位于探头套管内、立式镜片夹具的旁边，截面开口正对冷气接口，用于将冷气通入引流弧形夹片与探头套管内壁形成的腔体内；引流弧形夹片头部对应对冷气接口的位置设置有通孔，用于将冷气通入立式镜片夹具所在腔体内，底部设置有两个通孔，分别对准偏振分光棱镜和耐高温抛光镜，用于将位于探头套管和引流弧形夹片之间腔体的冷气直接吹扫偏振分光棱镜和耐高温抛光镜；所述引流弧形夹片头部与探针套管的接触位置采用激光焊接，引流弧形夹片与探头套管底部接触；所述探针探头位于燃烧室内部，探头套管的两个窗口正对于涡轮叶片；所述涡轮叶片的光线照射到偏振分光棱镜的反射表面经过反射后与照射到耐高温抛光反射镜经过反射后再进去偏振分光棱镜的光线和为同一光路；所述冷气连接头包括外壳体、外壳体顶部设置有密封的通光窗口、底部为法兰盘、侧壁设置有冷气接口，所述外壳体与探头套管含有密封圈，防止冷气从冷气系统外壳体与探针套管之间漏出；所述光学系统包括：光学镜筒、位于光学镜筒内部的光路、两个CCD相机；由偏振分光棱镜出射的光线进入光路并依次经过：聚光镜、视场光阑、准直镜、偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜作用下分成两条光路，每条光路末端包括：准直镜、成像镜、CCD相机；光学镜筒与立式镜片夹具的接触部设置有内螺纹，该内螺纹与立式镜片夹具的外螺纹配合。

2.如权利要求1所述的一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，其特征在于立式镜片夹具的头部设置对应冷气接口的位置有两个通孔，用于冷气通入立式镜片夹具的腔体内和穿过立式镜片夹具。

3.如权利要求1所述的一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，其特征在于所述偏振分光棱镜表面镀有P光偏振光Tave≥95％，Rave≤5％，S偏振光Tave≤5％，Rave≥95％的偏振分光膜，成三棱柱体。

4.如权利要求1所述的一种基于双目视觉对涡轮叶片应变测量的成像装置，其特征在于所述耐高温抛光反射镜采用固溶强化型镍基合金、铂铑合金，成扁平的六面体，表面作抛光处理，粗糙度小于等于0.02mm。

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