CN112135407B - 等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用 - Google Patents

等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于图像识别及信号分析技术领域，公开了一种等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用，通过所布置的温度传感器获得真空腔体的温度值；通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值；对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率。本发明针对MW级的高温等离子体射流，同时该系统能够实时诊断MW级等离子体射流的三维温度分布。

Description

等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用
技术领域
本发明属于图像识别及信号分析技术领域，尤其涉及一种等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用。
背景技术
目前，等离子体风洞能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，通过ICP射流风洞模拟“黑障”环境，能开展高超声速飞行器等离子体鞘层特性研究。温度是一个十分重要的十分重要的参数，了解等离子体射流的温度分布对于临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置开展电磁实验提供支撑。临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置射流温度很高。因此，测量温度的方法主要有：一、通过利用柱塞式传感器通过温升斜率得到热流，然后柱塞式传感器得半圆面积反推得到焓值；存在以下缺点：需要一定的反应时间获得热流值，反推温度值；这种方式往往采用的是直接接触测量，由于本次测量环境温度过高，而待在等离子体射流的时间较长，因此需要水冷才能保持传感器的使用，而水冷会带走一部分的热量，而导致测量存在一定的误差。二、通过在射流外布置多个温度传感器，得到多个位置温度数据，然后通过拟合得到一条函数关系式，通过相应的位置得到整个射流温度分布，存在以下缺点：由于无法直接对等离子体射流的温度值测量，是通过测量周围环境的温度值，并假设其温度分布，而得到等离子体射流的温度，但是这种推测温度分布的方式不能完全代表等离子体射流的温度分布函数，所以会带来较大的误差。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)MW级等离子体射流温度过高，温度可达上万度，传统的温度传感器无法直接对等离子体射流测量。
(2)目前MW级采用柱塞式热流传感器进行温度测量是通过温升斜率得到热流，根据柱塞式传感器半圆面积反推焓值；需要的响应时间比较长，同时因为加入水冷测量，会导致测量结果误差比较大，并且容易受到电源影响，导致数据噪声过大。
(3)目前MW级温度测量只能测量一个点，无法了解整段射流温度分布。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过利用气体温度与流场折射率的之间的关系，为MW级的等离子体射流装置温度分布提供技术支持，并能由数学关系得到等离子体实验装置的温度三维分布，了解实验装置在不同外加激励变化的温度变化规律。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用。
本发明是这样实现的，一种等离子体射流三维温度分布测量方法，所述等离子体射流三维温度分布测量方法包括：
通过所布置的温度传感器获得真空腔体的温度值；
通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值；
对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；
通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；
根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率。
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法利用同步触发器，将LED光源系统、CCD相机照片采集系统、装置电源系统、温度采集系统以及气压采集系统--皮托管同步控制触发，实现以上系统能同步运行。
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法获得周围气体的温度值、气压值、等离子体射流的气压值以及等离子体的折射率改变量；环境的温度测量点0与坐标轴0点呈30°，P1与坐标轴0点呈90°，P2与坐标轴0点呈150°，P3与坐标轴0点呈210°，P4与坐标轴0点呈270°，P5与坐标轴0点呈330°。
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法通过所布置的温度传感器可以获得真空腔体的温度值t0-t5；通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值p0-p5。
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法根据一定的概率比例σ0、σ1、σ2、σ3、σ4、σ5，代表温度传感器获得腔体不同位置的温度的系数值，通过计算得到背景空间的温度值：
T0＝σ0t0+σ1t1+σ2t2+σ3t3+σ4t4+σ5t5；
其中
Figure BDA0002668629710000031
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率Δn(r)，通过刀口进行空间滤波；
通过不同的测量位置，对不同光学折射率Δn(h,r)位置匹配对应的气压。
进一步，所述等离子体射流三维温度分布测量方法根据不同的折射率系数β1、β2、β3以及三个光学系统得到折射率的Δn1、Δn2、Δn3，经过比例运算得到最终的折射率：
Δn＝β1Δn1+β2Δn2+β3Δn3；
其中
Figure BDA0002668629710000032
本发明的另一目的在于提供一种实施所述等离子体射流三维温度分布测量方法的等离子体射流三维温度分布测量系统，所述等离子体射流三维温度分布测量系统包括：
真空腔体温度值测量模块，用于通过所布置的温度传感器获得真空腔体的温度值；
等离子体射流气压值测量模块，用于通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值；
数值滤波模块，用于对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
背景空间温度值计算模块，用于根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；
空间滤波模块，用于通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
气压匹配模块，用于通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；
折射率获取模块，用于根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率。
本发明的另一目的在于提供一种等离子体射流三维温度分布测量装置，所述等离子体射流三维温度分布测量装置搭载所述的等离子体射流三维温度分布测量系统；所述等离子体射流三维温度分布测量装置包括：波长为530mm的LED、聚焦镜、扩散器、光圈、聚焦镜、导轨与皮托管、透镜、导轨与刀口、过滤器、CCD相机、电脑、触发器。波长为530mm的LED位于聚焦镜左侧，光通过扩散器，以及光圈，到达聚焦镜变成平行光，再经过聚焦镜，经过刀口滤波，并在相机中成像。同时，触发器能同步触发各个系统的启动运行，将光源系统、温度采集系统、折射率采集系统以及气压采集系统同步运行。
本发明的另一目的在于提供一种临近空间高速目标等离子体电磁测试方法，所述临近空间高速目标等离子体电磁测试方法使用所述的等离子体射流三维温度分布测量装置。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用同步触发器，将LED光源系统、CCD相机照片采集系统、装置电源系统、温度采集系统以及气压采集系统--皮托管同步控制触发，实现以上系统能同步运行。用于解决射频放电产生等离子体的温度诊断问题，特别是针对MW级的高温等离子体射流，同时该系统能够实时诊断MW级等离子体射流的三维温度分布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的等离子体射流三维温度分布测量方法流程图。
图2是本发明实施例提供的等离子体射流三维温度分布测量系统的结构示意图；
图2中：13、真空腔体温度值测量模块；14、等离子体射流气压值测量模块；15、数值滤波模块；16、背景空间温度值计算模块；17、空间滤波模块；18、气压匹配模块；19、折射率获取模块。
图3是本发明实例提供的MW级等离子体射流温度测量装置结构示意图；
图3中：1、LED；2、聚焦镜；3、扩散器；4、光圈；5、聚焦镜；6、导轨与皮托管；7、透镜；8、导轨与刀口；9、过滤器；10、CCD相机；11、电脑；12、触发器。
图4是本发明实例提供的MW级等离子体射流背景温度以及气压的测量示意图。
图5是本发明实例提供的MW级等离子体射流气压诊断系统结构示意图。
图6是本发明实例提供的MW级等离子体射流温度诊断系统侧面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种等离子体射流三维温度分布测量方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的等离子体射流三维温度分布测量方法包括以下步骤：
S101：通过所布置的温度传感器可以获得真空腔体的温度值；
S102：通过所布置的温度传感器可以获得等离子体射流的气压值；
S103：对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
S104：根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；
S105：通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口可以进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
S106：通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；
S107：根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率。
本发明基于图像处理的提高等离子体温度测量精度以及三维温度测量的方法利用同步触发器，将LED光源系统、CCD相机照片采集系统、装置电源系统、温度采集系统以及气压采集系统--皮托管同步控制触发，实现以上系统能同步运行。
因为流场的压力、温度以及密度参数变化往往会影响流场折射率的变化。气体密度与气体在折射率关系为：
n＝1+Kρ；
同时气体密度于气体温度、压力和成分存在一定的联系，根据理想气体状态方程，气体密度、折射率改变量与温度之间的关系为：
Figure BDA0002668629710000071
根据上式可知，要想获得等离子体射流温度分布，需要获得周围气体的温度值、气压值、等离子体射流的气压值以及等离子体的折射率改变量。
因此，环境的温度测量点0与坐标轴0点呈30°，P1与坐标轴0点呈90°，P2与坐标轴0点呈150°，P3与坐标轴0点呈210°，P4与坐标轴0点呈270°，P5与坐标轴0点呈330°。
本发明基于图像处理的三维温度分布高精度测量方法具体包括以下步骤：
步骤一，通过所布置的温度传感器可以获得真空腔体的温度值(t0-t5)；
步骤二，通过所布置的温度传感器可以获得等离子体射流的气压值(p0-p5)；
步骤三，对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
步骤四，根据一定的概率比例(σ0、σ1、σ2、σ3、σ4、σ5)，计算得到背景空间的温度值：
T0＝σ0t0+σ1t1+σ2t2+σ3t3+σ4t4+σ5t5；
其中
Figure BDA0002668629710000072
步骤五，通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率Δn(r)，通过刀口可以进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波。
步骤六，通过不同的测量位置，对不同光学折射率Δn(h,r)位置匹配对应的气压；
步骤七，根据不同的系数(β1、β2、β3)以及三个光学系统得到的Δn1、Δn2、Δn3，得到最终的折射率：
Δn＝β1Δn1+β2Δn2+β3Δn3；
其中
Figure BDA0002668629710000081
本发明提供的等离子体射流三维温度分布测量方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的等离子体射流三维温度分布测量方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的等离子体射流三维温度分布测量系统包括：
真空腔体温度值测量模块13，用于通过所布置的温度传感器可以获得真空腔体的温度值；
等离子体射流气压值测量模块14，用于通过所布置的温度传感器可以获得等离子体射流的气压值；
数值滤波模块15，用于对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
背景空间温度值计算模块16，用于根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；
空间滤波模块17，用于通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口可以进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
气压匹配模块18，用于通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；
折射率获取模块19，用于根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明用于解决射频放电产生等离子体的温度诊断问题，特别是针对MW级的高温等离子体射流，同时该系统能够实时诊断MW级等离子体射流的三维温度分布。
如图3所示，本发明实施例提供的等离子体射流三维温度分布测量装置包括：波长为530mm的LED 1、聚焦镜2、扩散器3、光圈4、聚焦镜5、导轨与皮托管6、透镜7、导轨与刀口8、过滤器9、CCD相机10、电脑11、触发器12。
如图4所示，本发明为等离子体射流背景气体温度测量。假设P0与P5之间为坐标轴的0点，其中P0与坐标轴0点呈30°，P1与坐标轴0点呈90°，P2与坐标轴0点呈150°，P3与坐标轴0点呈210°，P4与坐标轴0点呈270°，P5与坐标轴0点呈330°。其中P0点采集的温度值为t0；P1点采集的温度值为t1；P2点采集的温度值为t2；P3点采集的温度值为t3；P4点采集的温度值为t4；P5点采集的温度值为t5。
如图5所示，本发明为等离子体射流的气压采集，通过导轨的快速挪动，可以获得半径上的气压分布，能给出等离子体射流的气压情况(p0-p5)。
如图6所示，为MW级等离子体射流三维温度测量侧面示意图。其中温度测量系统1位于实验装置的水平位置，温度测量系统2位于实验装置的左侧45°的位置而温度测量系统3位于实验装置的右侧45°的位置。根据不同的系数(β1、β2、β3)以及三个光学系统得到的Δn1、Δn2、Δn3，得到最终的折射率：
Δn＝β1Δn1+β2Δn2+β3Δn3；
其中
Figure BDA0002668629710000091
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种等离子体射流三维温度分布测量方法，其特征在于，所述等离子体射流三维温度分布测量方法包括：
步骤一，通过所布置的温度传感器获得真空腔体的温度值t0-t5；
步骤二，通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值p0-p5；
步骤三，对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
步骤四，根据一定的概率比例σ0、σ1、σ2、σ3、σ4、σ5，计算得到背景空间的温度值：
T0＝σ0t0+σ1t1+σ2t2+σ3t3+σ4t4+σ5t5；
其中
Figure FDA0003315524950000011
步骤五，通过所布置的光学仪器得到等离子体射流的光学折射率Δn(r)，通过刀口进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
步骤六，通过不同的测量位置，对不同光学折射率Δn(h,r)位置匹配对应的气压；
步骤七，根据不同的系数β1、β2、β3以及三个光学系统得到的Δn1、Δn2、Δn3，得到最终的折射率：
Δn＝β1Δn1+β2Δn2+β3Δn3；
其中
Figure FDA0003315524950000012
其中步骤一具体包括：假设P0与P5之间为坐标轴的0点，其中P0与坐标轴0点呈30°，P1与坐标轴0点呈90°，P2与坐标轴0点呈150°，P3与坐标轴0点呈210°，P4与坐标轴0点呈270°，P5与坐标轴0点呈330°；其中P0点采集的温度值为t0；P1点采集的温度值为t1；P2点采集的温度值为t2；P3点采集的温度值为t3；P4点采集的温度值为t4；P5点采集的温度值为t5；
所述等离子体射流三维温度分布测量方法利用同步触发器，将LED光源系统、CCD相机照片采集系统、装置电源系统、温度采集系统以及气压采集系统--皮托管同步控制触发，实现以上系统能同步运行；
其中实现上述等离子体射流三维温度分布测量方法的等离子体射流三维温度分布测量系统包括：
真空腔体温度值测量模块，用于通过所布置的温度传感器获得真空腔体的温度值；
等离子体射流气压值测量模块，用于通过所布置的温度传感器获得等离子体射流的气压值；
数值滤波模块，用于对获得真空腔体背景温度进行数值滤波；
背景空间温度值计算模块，用于根据一定的概率比例，计算得到背景空间的温度值；
空间滤波模块，用于通过所布置的光学仪器可以得到等离子体射流的光学折射率，通过刀口进行空间滤波，同时，在电脑端采用中值滤波，将电源的辐射进行滤波；
气压匹配模块，用于通过不同的测量位置，对不同光学折射率位置匹配对应的气压；
折射率获取模块，用于根据不同的系数以及三个光学系统得到最终的折射率；
其中实现上述等离子体射流三维温度分布测量方法的等离子体射流三维温度分布测量装置包括：波长为530mm的LED、聚焦镜、扩散器、光圈、聚焦镜、导轨与皮托管、透镜、导轨与刀口、过滤器、CCD相机、电脑、触发器。
2.一种临近空间高速目标等离子体电磁测试方法，其特征在于，所述临近空间高速目标等离子体电磁测试方法使用权利要求1所述的等离子体射流三维温度分布测量方法。
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