CN112964365B - 一种涡轮叶片三波长辐射测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射测温技术领域，通过采集涡轮叶片在三个不同波段的辐射能，以及三个波段采集到的环境能量数据，将其代入到三波长辐射测温方法的误差函数当中，再使用基于分步长搜索的L‑M算法，将涡轮叶片的温度分布范围进行划分，在每一温度范围取一个温度值作为初值进行求解，最后将求得的所有结果进行比对，得出最小误差值与其对应的温度，即认为是涡轮叶片表面的真实温度。本方法可以实现对辐射环境下的未知发射率涡轮叶片的辐射温度反演，具有测量精度高，运算速度快的特点。

Description

一种涡轮叶片三波长辐射测温装置及方法

技术领域

本发明属于辐射测温技术领域，具体涉及一种考虑反射能量影响的涡轮叶片三波长辐射测温装置及方法。

背景技术

为了实现发动机的高效率、高性能的运行，需要涡轮叶片工作在高温环境中，但是温度如果超过涡轮叶片的承受极限会导致叶片发生损伤，令其使用寿命大幅降低，甚至造成损坏，这将给发动机的运行安全带来极大的威胁，同时，涡轮叶片温度数据的缺乏也严重制约我国航空发动机的研发进程。因此，对涡轮叶片的表面进行温度监测，一方面可以保证涡轮叶片工作在合适的温度范围，另一方面，可以为叶片的运行状态、应力应变等数据的分析提供有价值的依据，对高性能、高推重比航空发动机研发具有重大意义。然而，对转速高达10000转/分钟，温度超过1100℃的发动机涡轮叶片进行温度测量是一个难以解决的科学和技术问题。

目前的温度测量技术主要分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温以热电偶技术为代表，需要在所测目标上直接安装温度测量装置，虽然温度测量准确，但在涡轮叶片的温度测量中其面临着几个问题：一是接触式测温法只能得到与测温装置接触的点的温度，难以获得整个表面的温度数据，测点较少；二是在涡轮叶片上直接安装测温装置会破坏涡轮叶片的温度场分布，且、安装时需要对发动机进行改装，难度较大。因此，航空发动机内部的特殊结构和恶劣的工作环境等因素极大限制了接触式测温的应用。而以热辐射测温为主的非接触式测温技术无疑为涡轮发动机的温度测量提供了更佳的选择，它先通过光学系统对目标表面的辐射进行采集，再将辐射信号传输至后方探测器，输出相应的电平信号，最后采用测温算法反演出目标表面的温度。但是在实际工作环境中，目标叶片的反射能量和未知发射率往往对测温结果造成非常大的影响，这严重影响了红外辐射测温方法的测温精度。

对于涡轮叶片来说，其表面发射率随着工作时间、工作温度等因素变化，目前市面上针对涡轮叶片温度测量的仪器主要原理都以单波段测温法为主，这种方法无法校正目标表面对背景辐射的反射，同时测量精度受表面发射率变化的影响。因此，在消除反射影响的同时能够对可变发射率的涡轮叶片进行准确地温度测量对航空发动机的运行监测和研发都有极大的意义。

发明内容

本发明为解决目标叶片的反射影响和未知发射率所造成的测温精度低的问题，提出了一种考虑反射能量影响的涡轮叶片三波长辐射测温方法及装置，利用本发明可以用于对辐射环境下的未知发射率涡轮叶片的辐射温度反演，不需预先对叶片进行测温标定，避免了复杂的迭代计算，具有测量精度高，运算速度快的特点。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种涡轮叶片三波长辐射测温装置，包括：反射镜、光学视管、分光探测系统和信号处理控制模块；

反射镜用于使探针分别采集到涡轮叶片表面辐射和环境表面辐射；

光学视管用于汇聚辐射光；

分光探测系统用于分波段探测涡轮叶片的辐射能；

信号处理控制模块用于处理由所述辐射能转换的电压信号，建立误差函数：

其中：

利用式(1)，通过L-M算法求取涡轮叶片表面的温度值。

一种涡轮叶片三波长辐射测温方法，包括：

S1、建立探测器的辐射模型：

S_k＝ε_bkS_Bk(T)+(1-ε_bk)S_ek+S_Dk (2)

其中，k＝1，2，3；

S_k为测温装置实际输出的电平信号；

ε_bk为目标表面发射率；

S_Dk为探测器噪声；

S_ek为目标表面受到的环境辐射引起的电平信号；

S_Bk(T)为高温计测量与目标表面相同温度的黑体热辐射输出的电平信号；

S2、利用高温黑体对测温装置进行标定，得到黑体温度和三波长辐射模型的关系式S_Bk(T)和探测器噪声S_Dk；

S3、建立误差函数：

其中：

S4、对涡轮叶片的实际工作温度范围进行划分，得到划分区域端点温度值T_n(n＝1，2，3....)代入到式(1)中，使用L-M算法求解不同区域端点温度值对应的误差函数值和相应的温度值。

S5、取误差函数值中的最小值，取其所对应的温度值为所测表面的真实温度。

本发明能够取得以下技术效果：

1、不需预先对叶片进行测温标定，即可实现辐射环境下未知发射率涡轮叶片的温度测量，解决了单波段测温法需要预先测量叶片发射率的问题。

2、不需进行复杂的迭代计算，具有测量精度高，运算速度快的特点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种涡轮叶片三波长辐射测温装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的另一种结构示意图；

图3是本发明一个实施例的测量原理图；

图4是本发明一个实施例的测温方法流程图。

附图标记：

反射镜1、光学视管2、分光探测系统3、聚光镜21、光纤22、准直镜23、二向色镜31、探测器32、滤光片33、聚焦镜34。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种解决涡轮叶片这种辐射环境下未知发射率物体的温度测量问题的测量方法及装置，在原理上只需对黑体进行标定，不需预先对叶片进行测温标定，即可实现辐射环境下未知发射率涡轮叶片的温度测量，解决了单波段测温法需要预先测量叶片发射率的问题。下面将对本发明提供的一种涡轮叶片三波长辐射测温方法及装置，通过具体实施例来进行详细说明。

本方法通过采集涡轮叶片在三个不同波段的辐射能和来自周围环境表面的辐射数据，利用最小二乘法构建的误差函数，再使用基于分步长搜索的L-M算法，得到误差函数最小值所对应的温度，就认为这个温度接近涡轮叶片表面的真实温度。

在本发明的一个优选实施例中，使用图1或图2所示的装置结构来获取涡轮叶片表面的辐射能：

如图1所示，结合图3的测量原理图，来自目标涡轮叶片的辐射光经过反射镜1进入光学视管2中，经聚光镜21收集后汇聚到一次像面上，在一次像面处设置合适大小的视场光阑，视场光阑大小决定了物方像面的大小。辐射光经过视场光阑后经准直镜23准直后入射到分光探测系统3，经两片二向色镜31分色为三路辐射光，并通过各自波段的滤光片33再经聚焦镜34聚焦到探测器32的靶面上。探测器靶面将辐射能转换为相应的电压信号后，由信号处理控制模块进行滤波、去耦、放大、采集等处理，存储并控制PC端通过控制反射镜1的摆扫，对目标涡轮叶片表面辐射和环境表面辐射进行区分和计算，最后经过环境反射能量的修正后使用三波长辐射测温法反演出目标温度。

在本发明的另一个优选实施例中，如图2所示，光阑可由光纤22代替，来自目标涡轮叶片的辐射光经过反射镜1进入光学视管2中，经聚光镜21收集后汇聚到一次像面上，在一次像面处为光纤端面，光纤芯径的大小决定了物方像面的大小，由于后续结构相同，不再赘述。

在本发明的一个优选实施例中，由于探测器32收集到的涡轮叶片辐射能主要包括目标涡轮叶片本身的热辐射和它反射的周围涡轮叶片的热辐射两个部分，这里反射的周围叶片辐射能是根据实际测量结果结合相应结构(如叶片、燃烧室内壁)对目标叶片的辐射角度因子计算得来的。因此，对于选择的三个波长建立辐射模型，则探测器32接收到的能量可以表示为：

S_k＝ε_bkS_Bk(T)+(1-ε_bk)S_ek+S_Dk (2)

其中，k＝1，2，3；

S_k为辐射测温装置实际输出的电平信号；

ε_bk为目标表面发射率；

S_Dk为探测器噪声；

S_ek为目标表面受到的环境辐射引起的电平信号；

S_Bk(T)为辐射测温装置与目标表面相同温度的黑体热辐射输出的电平信号；

利用高温黑体对测温装置进行标定，可得到黑体温度和三波长辐射模型的关系式S_Bk(T)和探测器噪声S_Dk。

将式(2)进行整理可以得到：

S_k-S_Dk-S_ek＝ε_bk(S_Bk(T)-S_ek)k＝1，2，3 (3)

将式(3)取两个相邻波段进行比值，忽略发射率的差异，则有：

使用最小二乘法得到三波长辐射测温方法的误差函数：

误差函数中除S_Bm(T)之外，其余物理量都可以通过直接测量或计算得到，且不需要知道表面发射率。之后，再将涡轮叶片在工作中可能达到的温度范围按照一定步长进行划分，在每一个步长的端点温度作为初值代入L-M算法进行求解，得到一组温度和相应误差函数值数据。最后，将求得的所有温度和误差函数值结果进行比对，得到最小误差函数值与其对应的温度，即认为该温度是涡轮叶片表面的真实温度。

如图4流程图所示，首先通过采集涡轮叶片在三个不同波段的辐射能，以及三个波段采集到的环境能量数据，将环境辐射能进行修正，再将其代入到三波长辐射测温方法的误差函数当中，将涡轮叶片的温度分布范围进行划分，在每一温度范围取一温度值作为初值使用L-M算法进行求解，最后将求得的所有结果进行比对，得出最小误差值与其对应的温度，即认为是涡轮叶片表面的真实温度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用涡轮叶片三波长辐射测温装置的涡轮叶片三波长辐射测温方法，所述涡轮叶片三波长辐射测温装置包括反射镜、光学视管、分光探测系统和信号处理控制模块；

所述反射镜用于使探针分别采集到涡轮叶片表面辐射和环境表面辐射；

所述光学视管用于汇聚辐射光；

所述分光探测系统用于分波段探测涡轮叶片的辐射能；

所述信号处理控制模块用于处理由所述辐射能转换的电压信号，建立误差函数；

其特征在于，涡轮叶片三波长辐射测温方法包括：

S1、建立探测器的辐射模型：

S_k＝ε_bkS_Bk(T)+(1-ε_bk)S_ek+S_Dk (2)

其中，k＝1，2，3；

S_k为所述涡轮叶片三波长辐射测温装置实际输出的电平信号；

ε_bk为目标表面发射率；

S_Dk为探测器噪声；

S_ek为目标表面受到的环境辐射引起的电平信号；

S_Bk(T)为高温计测量与目标表面相同温度的黑体热辐射输出的电平信号；

S2、利用高温黑体对所述涡轮叶片三波长辐射测温装置进行标定，得到黑体温度和三波长辐射模型的关系式S_Bk(T)和探测器噪声S_Dk；

S3、建立误差函数：

其中：

S4、对所述涡轮叶片的实际工作温度范围进行划分，得到划分区域端点温度值T_n(n＝1，2，3....)代入到式(1)中，使用L-M算法求解不同所述区域端点温度值对应的误差函数值和相应的温度值；

S5、取所述误差函数值中的最小值，取其所对应的温度值为所测表面的真实温度。

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