CN113432748B - 一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置及方法，主要用于实验流体力学领域，风洞实验中模型表面的温度分布测量。本系统围绕YAG:Eu材料磷光寿命随环境温度变化的物理特性搭建，系统由测温涂层、激发光源、磷光检测高速相机、延迟脉冲发生器和数据处理系统组成。通过时序控制使光源产生稳定的周期信号，使用高速相机同步捕捉激励周期中特定时间点的涂层磷光图像，最终可通过磷光衰减特征还原被测区域温度。与传统高温测温技术相比，本系统可以提供较高的时间、空间分辨率，更加适宜复杂流场环境。本系统光学信号由激励光源诱导产生，经时序控制和数据处理，可有效分离环境光干扰，利于提升测量精准度。

Description

一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置及方法

技术领域

本发明是气动模型的表面测温装置及其方法，尤其涉及一种可用于不高于800℃环境下的模型表面温度测量，属于空气动力学试验领域。

背景技术

高超声速飞行器在飞行过程中，受高温压缩气体加热和与空气剧烈摩擦的影响，表面温度会随着马赫数的提升而剧烈上升，这一现象被称作“热障”。表面高温会引起烧蚀，改变设计气动性能；极高的温度及温度梯度，会改变飞行器结构热物理参数和力学性能，导致结构弯曲、扭转刚度下降，颤振安全边界降低，影响飞行器结构的可靠性。高超声速飞行器表面热防护设计现已成为型号研制过程中的一项重要内容。而精准的热防护设计依赖的是表面热模拟及测量。

气动领域常用的高温测温技术有温度传感器如热电偶等，以及示温漆。热电偶只能监测单点温度数值，在应对复杂流场问题时缺乏足够的空间分辨能力；示温漆仅能记录沿程最高温度，无法动态捕捉即时温度变化。而常温段常用的温度敏感涂料测温技术，同时具备空间和时间分辨能力，却受材料限制无法直接用于高温环境。

发明内容

为解决现有技术中测量气动模型的方法不完善、不能持续测量以及受材料限制无法直接用于高温环境的问题，本发明提出一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置及方法，具体方案如下：

方案一：一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置，应用在被测模型的目标区域上，目标区域上附有温度指示涂层，所述表面测温装置，垂直或不大于45°倾角设置在被测模型的目标区域下方，通过所述表面测温装置发射光束覆盖所述气动模型的表面，并接收返回光以测量高温环境的表面温度。

进一步地，该装置包括滤镜、成像镜头、高速相机、数据处理系统、延迟脉冲发生器、光纤耦合激光器和光束整形透镜；

所述延迟脉冲发生器利用光纤耦合激光器，并通过光束整形透镜发射光束至温度指示涂层；所述温度指示涂层将反馈的光通过滤镜，经成像镜头由高速相机捕捉；被捕捉的光由数据处理系统进行处理，所述数据处理系统将处理信息后将反馈信号发送至所述延迟脉冲发生器。

进一步地，所述滤镜为LPF495滤镜，所述光纤耦合激光器使用最大发射直径为405nm的光纤耦合激光器。

方案二：一种用于高温环境的表面测温方法，是根据所述的装置为基础而实现的，利用所述表面测温装置设置在被测目标区域上，对待测区域进行温度测量，具体方法步骤如下：

步骤一，使用YAG:Eu陶瓷粉末作为温度指示探针，配合高温粘接剂或等离子喷涂覆盖于被测目标表面；

步骤二，由355或405nm蓝光光源作为激励光源，高速相机透过495nm长通滤镜拍摄涂层磷光；

步骤三，基于所述延迟脉冲发生器控制激励光源使其输出光强按指定频率作亮灭交替，同时控制高速相机同步捕捉光照周期内指定相位内磷光强度信息；

步骤四，使用所述数据处理系统计算被测涂层磷光衰减特征参数，该参数与环境温度存在一一对应关系，换算获得被测点温度。

进一步地，在所述步骤二或三中，相机与激励光源进行ns级精度的时序同步，相机无需维持连续工作，通过时序编程，控制其仅在完全激励区、衰减特征区和背景辐射区采集图像。

进一步地，所述高速相机测量空间分辨率与相机分辨率直接相关，为10万点以上量级。

本发明有益效果体现在：

(1)测温材料耐温范围广泛，最高可达800℃。

(2)具备一定的时间、空间分辨率，利于分辨复杂流场的细节信息。

(3)被测信号受激发才会产生，属于有源测量技术，利于屏蔽分离背景干扰，提升测量精准度。

(4)不须改变模型结构，应用成本、风险较低。

附图说明

图1为本发明的一种用于高温环境的表面测温装置组成示意图；

图中的部件用数字表示：1为YAG:Eu为主体的温敏涂层、2为355/405nm蓝光激励光源、3为高速相机、4为LPF495nm滤光片、5为延迟脉冲发生器、6为数据处理系统、7为成像镜头、8为光束整形透镜、9为405nm光纤耦合激光器、10为被测目标区域；

图2为数据处理系统时序控制示意图；

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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。

具体实施方式

具体实施方式：本实施例提供了一种可用于最高800℃的模型表面温度测量方法，包括配套温度指示涂层材料、光学测量系统、数据处理方法；具体的技术方案如下：

优选的，激光源：YAG:Eu材料使用国产405nm 10W连续式激光光源激发，光源能量稳定性参数指标为0.1％光强波动/小时。光能量使用紫外增强型光纤导出，出射端安装一匀化扩束头将光纤出口的点光源整形成为均匀面光源。光源应具备可外部控制的激光开闭功能。

优选的，相机：原则上须使用科研级高速CMOS相机，(参考型号为德国PCO公司的dimax CS4，分辨率及频率指标2000×2000像素@1000Hz，可通过削减分辨率提升帧率)，本实施例为800℃下应用最低帧频为2000Hz。

使用YAG:Eu等陶瓷粉末1作为温度指示探针，配合高温粘接剂或等离子喷涂等手段覆盖于模型表面，由355/405nm蓝光光源2作为激励光源，高速相机3透过495nm长通等滤镜4拍摄涂层磷光。基于延迟脉冲发生器5控制激励光源使其输出光强按指定频率作亮灭交替，同时控制高速相机同步捕捉光照周期内指定相位内磷光强度信息。使用数据处理系统6计算被测涂层磷光衰减特征参数，该参数与环境温度存在一一对应关系，换算获得被测点温度；

数据处理系统中关于计算被测涂层磷光衰减特征参数，计算公式如下：

T＝f(Ir)

其中I_A、I_B(t)、I_C对应说明书附图2中A帧、B帧、C帧相同位置像素灰度值。I_A、I_C选取稳定段任意时刻图像均可，I_B(t)数据的选择与被测目标温度和涂层材质有关，定义t＝0为激励光消失时刻，以YAG:Eu为例，被测目标温度<500℃时，I_B(t)应取t＝3ms时刻图像；被测目标温度>500℃时，I_B(t)应取t＝1ms以内的图像。T＝f(Ir)换算关系通过在标准温度环境中对系统进行先验标定后给出，实验时查表插值即可。

具体地，YAG:Eu陶瓷粉末1作为温度指示探针，YAG:Eu等材料可通过共沉淀法在900℃环境中经固相反应制备获得；其中共沉淀法制得的前驱粉末应彻底干燥并经球磨粉碎，以消除成品团聚现象；成品粉末粒径控制在1微米以下。

具体地，若使用粘接剂附着，陶瓷粉末应与高温粘接剂均匀混合，均匀涂覆至模型被测区域表面，陶瓷粉末质量分数应高于50％，涂层厚度应控制在200～300微米之间；若使用等离子喷涂：预备足够量的光敏陶瓷粉末使用标准工艺流程处理即可。

由405nm蓝光光源2作为激励光源，高速相机3透过495nm长通滤镜4拍摄涂层磷光。设备布置方案参见图1，应尽可能保证相机光源垂直对准被测区域，或是有不大于45°偏角的处于被测装置上方区域。使用延迟脉冲发生器)控制激励光源和高速相机同步捕捉光照周期内指定相位的磷光强度信息，时序控制原理见图2。

选取图2中指定的三个不同相位中的多帧图像，其中A完全激励期选取至少1帧，B衰减特征期选取2～3帧，C背景辐射期选取至少1帧，使用数据处理系统6计算被测涂层磷光衰减特征参数，不同温度区段的参数计算方法不同，应给定初始温度预估。所得参数与环境温度存在一一对应关系，换算获得被测点温度。

具体实施方式二：除实施方式一所述的方法，本实施例还可通过构建一种用于高温环境的表面测温系统实现，该系统由测温涂层、激发光源、磷光检测高速相机、延迟脉冲发生器和数据处理子系统结合而成。系统通过时序控制使光源产生稳定的周期信号，使用高速相机同步捕捉激励周期中特定时间点的涂层磷光图像，最终可通过磷光衰减特征还原被测区域温度。

如图1所示，激励光2通过特殊非球透镜整形后照射模型被测区域，高速相机3透过光学镜头和光学滤镜拍摄被测区域，保证清晰成像。

优选的，温度指示涂层1主体成分为YAG:Eu，与其匹配的激励光源2波长为405nm光学滤镜为495nm长通滤镜4。可以通过更换主体成分材料微调最优测温区段，使用YAG:Dy和YAG:Tb时激励光源2应选取355nm波长，光学滤镜4应选取LP450nm滤镜。

优选的，激励光源2工作受延迟脉冲发生器控制，输出光功率为存在固定周期的方波信号；

优选的，相机与激励光源进行ns级精度的时序同步，实现严格锁相采集。相机无需维持连续工作，通过时序编程，控制其仅在图2中的A完全激励区、B衰减特征区、C背景辐射区采集指定数量的图像。其中AC区要求最少1帧，B区根据被测区域预估温度和材料，要求采集1～3帧；

由于系统适用的温度范围较大，涂层材料磷光机理多发生了一定程度的变动，导致难以使用单一模型构建测温区段温度随磷光衰减特征参数的关系。根据被测区域预估温度，系统可动态调整适配采集和处理策略；

以往高温环境下常用的温度测量技术有温度传感器、红外辐射测温和示温漆等。对比现有测温技术，有以下改进点：

(1)无须改变模型结构：

对比传感器测温技术，高温环境下模型往往需要进行严格的热防护，而传感器本身信号需要依赖金属导线等传出，因而必定破坏模型表面结构，影响热防护性能。另一种方法是将传感器布置于模型内部，通过物理数学方法反算表面温度，对于复杂模型，热阻热沉等参数很难准确获得，测量误差较大。

本实施例仅需在模型表面涂敷一层具备光学特性的涂层，信号诱发及捕捉均使用光学设备远距离完成，不须改变模型结构，应用成本、风险较低。

(2)空间分辨率高：

对比传感器技术，传感器单个测量点仅能提供单点数据，提升数据的空间密度仅能通过增加传感器数量实现。本实施例测量空间分辨率与相机分辨率直接相关，通常为10万点以上量级。

(3)易排除背景干扰：

对比红外测温技术：红外(温度范围高的时候为可见光)辐射测温与本实施例相比同样具备高空间分辨率和非接触测量等优势，但红外测温技术为无源测温技术，即所有物体均会发出信号光，在狭小空间、模型部件交接面等遮挡/反射严重的区域，红外测温技术无法剔除其它部件造成的信号干扰，降低测温精准度。

本实施例为有源测量技术，光学信号须激励光诱导产生，通过对比计算激励光有无时的光学信号差异，可以分离获得纯净的被测信号。

(4)提供一定的时间分辨率

对比示温漆技术：示温漆为特定温度下发生特性不可逆变化的特殊涂层，操作简便，但由于变性不可逆，仅能显示沿程最高温度，不适宜检测非定常温度变化特征。而本实施例所用材料加热过程中不存在性质的不可逆变化，可以在任意时刻获得测量结果。

(5)与室温段常见的测温技术TSP技术相比，本实施例所用材料耐温范围广泛，最高可达800℃。

由此可见，本发明只是对方法及系统的示例性说明，并不限定它的保护范围，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置，应用在被测模型的目标区域上，目标区域上附有温度指示涂层，其特征在于：所述表面测温装置，垂直或不大于45°倾角设置在被测模型的目标区域下方，通过所述表面测温装置发射光束覆盖所述气动模型的表面，并接收返回光以测量高温环境下的表面温度；

该装置包括滤镜、成像镜头、高速相机、数据处理系统、延迟脉冲发生器、光纤耦合激光器和光束整形透镜；

所述延迟脉冲发生器利用光纤耦合激光器，并通过光束整形透镜发射光束至温度指示涂层；所述温度指示涂层将反馈的光通过滤镜，经成像镜头由高速相机捕捉；被捕捉的光由数据处理系统进行处理，所述数据处理系统处理信息后将反馈信号发送至所述延迟脉冲发生器；

所述温度指示涂层为YAG:Eu为主体的温敏涂层，YAG:Eu陶瓷粉末配合高温粘接剂或等离子喷涂覆盖于被测目标表面；

所述气动模型应用于不高于800℃的环境；

数据处理系统中关于计算被测涂层磷光衰减特征参数，计算公式如下：

其中I_A、I_B(t)、I_C分别对应完全激励区、衰减特征区、背景辐射区相同位置像素灰度值，I_A、I_C选取稳定段任意时刻图像均可，I_B(t)数据的选择与被测目标温度和涂层材质有关，定义t＝0为激励光消失时刻，涂层为YAG:Eu为主体的温敏涂层，被测目标温度<500℃时，I_B(t)应取t＝3ms时刻图像；被测目标温度>500℃时，I_B(t)应取t＝1ms以内的图像，T＝f(Ir)换算关系通过在标准温度环境中对系统进行先验标定后给出，实验时查表插值即可。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置，其特征在于：所述滤镜为LPF495滤镜，所述光纤耦合激光器使用最大发射直径为405nm的光纤耦合激光器。

3.根据权利要求2所述的一种用于高温环境下气动模型的表面测温装置，其特征在于：所述高速相机，为科研级高速CMOS相机，800℃下应用最低帧频为2000Hz。

4.一种用于高温环境下气动模型的表面测温方法，是根据权利要求1-3中任一一项所述的装置为基础而实现的，其特征在于：将所述表面测温装置设置在被测目标区域上，对待测区域进行温度测量，具体方法步骤如下：

步骤一，使用YAG:Eu陶瓷粉末作为温度指示探针，配合高温粘接剂或等离子喷涂覆盖于被测目标表面；

步骤二，将355或405nm蓝光光源作为激励光源，高速相机透过495nm长通滤镜拍摄涂层磷光；

步骤三，基于所述延迟脉冲发生器控制激励光源使其输出光强按指定频率作亮灭交替，同时控制高速相机同步捕捉光照周期内指定相位内磷光强度信息；

步骤四，使用所述数据处理系统计算被测涂层磷光衰减特征参数，该参数与环境温度存在一一对应关系，换算获得被测点温度。

5.根据权利要求4所述的一种用于高温环境下气动模型的表面测温方法，其特征在于：在所述步骤二或三中，相机与激励光源进行ns级精度的时序同步，相机无需维持连续工作，通过时序编程，控制其仅在完全激励区、衰减特征区和背景辐射区采集图像。

6.根据权利要求5所述的一种用于高温环境下气动模型的表面测温方法，其特征在于：所述高速相机测量空间分辨率与相机分辨率直接相关，为10万点以上量级。

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