CN112611566A - 基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞试验或航空发动机试验领域，具体涉及基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法及装置。该方法包括：从尾喷流内采集光；将光由散射光变为平行光；从平行光中提取指定波长的光；若提取到，则软件报警，告知尾喷流内存在颗粒物；对平行光进行多光谱检测，检测是否存在发动机内部构件的磨损颗粒物成分。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验或航空发动机试验领域，具体涉及基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法及装置。
背景技术
航空发动机气路部件，由于长期工作在恶劣的环境下，使其成为故障的主要发生源。在发动机内部摩擦副的相互作用、高速旋转的叶片与机匣内表面的摩擦等状态下，都可能产生颗粒物，并随机的出现在尾喷流场中，这些颗粒物蕴含着航空发动机运行状态及其磨损状态的重要信息。高温高速燃气流中颗粒物的在线检测，是航空发动机研制试验中，发动机状态检测与安全控制的重要手段和有效途径。
目前国内对航空发动机尾喷流颗粒物的监测主要依靠视频图像进行定性的人工判断。由于喷口气流温度高、流速快，监测到的颗粒图像拖尾严重，有些单个、零星的颗粒(火星)通过普通摄像机很难捕捉到，更难于确定颗粒的材料以及产生的部位。
因此，基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒物材料成份在线检测方法，通过对发动机尾喷流场颗粒物进行光谱分析，判别颗粒物的成分，并通过实验测定获得气路部件材料成份与光谱特征的对应关系，可实现发动机尾喷流场中颗粒物的来源在线检测和自动报警，对于发动机试验及运行安全具有重大的工程实用价值。
发明内容
发明目的：本发明的目的主要在于解决发动机尾喷燃气流场中颗粒物材料成份的辨识和自动报警的难题，实现发动机试验运行状态的准确评估，为试验安全运行提供技术支持。同时实现发动机气路部件的损伤部位的预估，为故障诊断提供技术支持。
技术方案：
一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法，包括：
从尾喷流内采集光；
将光由散射光变为平行光；
从平行光中提取指定波长的光；
若提取到，则软件报警，告知尾喷流内存在颗粒物；
对平行光进行多光谱检测，检测是否存在发动机内部构件的磨损颗粒物成分。
从平行光中提取指定波长的光，包括：
将平行光按照波长进行分段；
对分段后的平行光进行滤波，得到指定波长的光。
对平行光进行多光谱检测，包括：
基于预设的颗粒材料成份与光谱特征的对应关系，采用窄带宽滤波实现对气路中颗粒物材料成份谱线的识别。
对平行光进行多光谱检测之前，所述方法还包括：
通过实验手段测试已知颗粒材料发射光谱特征，建立颗粒物材料成份与光谱特征的对应关系。
一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测装置，包括：
第一准直器、第二准直器、光栅、滤波片、单光谱响应模块、多光谱检测模块、计算器，以及数据采集、处理与控制模块；
其中，尾喷流内采集到的光分为两路，一路经过第一准直器、光栅、滤波片、单光谱响应模块，一路经过第二准直器和多光谱检测模块；计算机通过数据采集、处理与控制模块分别与单光谱响应模块和多光谱检测模块通信。
数据采集、处理与控制模块用于当接收到单光谱响应模块发送的报警时，控制多光谱检测模块检测。
滤波片的个数与颗粒物需要检测的成分个数相同。
该装置的检测区处于尾喷流后侧。
技术效果
一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒物材料成份在线检测方法，其优点在于，通过光谱检测与分析技术，可以实现颗粒物成份的在线检测，在提高颗粒物监测的实时性和准确性的同时，还可以为发动机故障进行预判和定位提供依据。此外，通过单光谱检测方法，实现了尾喷流中存在颗粒异物的自动报警，显著提升了颗粒物监测的自动化程度和准确性。
附图说明
图1为颗粒物自动报警和材料成份的检测装置的结构示意图。
具体实施方式
一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测装置，如图1所示，该装置的工作原理为：
首先，在航空发动机1尾喷流场中，沿轴线方向上分别设置检测光路A与光路B。在光路A上先通过第一准直器2，将颗粒物辐射的散射光转换成平行光，平行光经光栅3分光后分成多个波段的入射光，再经过滤波片4传输至单光谱响应模块5。当尾喷流场中有颗粒物时，光路A将其发射的特定波段光谱信息经其光路系统收集至单光谱响应模块5感知后，触发数据采集、处理与控制模块6中颗粒物在线报警信号，提醒试验人员此时尾喷流场中出现颗粒异物。其次，在光路B上首先通过第二准直器7，将颗粒物辐射的散射光转换成平行光，平行光进入多光谱检测模块8，通过多光谱检测模块8颗粒物的光谱信息。然后，数据采集、处理与控制模块6将获得的光谱信息进行解析，可以将颗粒物的具体种类进行区分。
一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法，具体实施方法如下：
(1)通过对已知材料成份的颗粒物，在不同温度条件下，测定温度对颗粒物发射光谱的影响规律。同时，考虑到流场速度的变化对颗粒物发射光谱特征的影响，在上述实验基础上引入不同流速的高温环境，测定气流速度对颗粒物发射光谱特征的影响规律。
(2)通过实验手段测试已知颗粒材料发射光谱特征，建立颗粒物材料成份与光谱特征的对应关系。基于建立的颗粒材料成份与光谱特征的对应关系，采用窄带宽滤波实现对气路中颗粒物材料成份谱线的识别。
(3)通过对辨识光谱与部件的特征光谱数据源有条件的对比，实现颗粒物所对应的来源部件或部位。
Claims (8)
1.一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测方法，其特征在于，包括：
从尾喷流内采集光；
将光由散射光变为平行光；
从平行光中提取指定波长的光；
若提取到，则软件报警，告知尾喷流内存在颗粒物；
对平行光进行多光谱检测，检测是否存在发动机内部构件的磨损颗粒物成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从平行光中提取指定波长的光，包括：
将平行光按照波长进行分段；
对分段后的平行光进行滤波，得到指定波长的光。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对平行光进行多光谱检测，包括：
基于预设的颗粒材料成份与光谱特征的对应关系，采用窄带宽滤波实现对气路中颗粒物材料成份谱线的识别。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对平行光进行多光谱检测之前，所述方法还包括：
通过实验手段测试已知颗粒材料发射光谱特征，建立颗粒物材料成份与光谱特征的对应关系。
5.一种基于光谱辨识的高温高速气流中颗粒在线检测装置，其特征在于，包括：
第一准直器、第二准直器、光栅、滤波片、单光谱响应模块、多光谱检测模块、计算器，以及数据采集、处理与控制模块；
其中，尾喷流内采集到的光分为两路，一路经过第一准直器、光栅、滤波片、单光谱响应模块，一路经过第二准直器和多光谱检测模块；计算机通过数据采集、处理与控制模块分别与单光谱响应模块和多光谱检测模块通信。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，数据采集、处理与控制模块用于当接收到单光谱响应模块发送的报警时，控制多光谱检测模块检测。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，滤波片的个数与颗粒物需要检测的成分个数相同。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置的检测区处于尾喷流后侧。
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