CN117110366A - 一种热障涂层的隔热性能测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种热障涂层隔热性能测量装置及方法，涉及测量技术领域。该装置包括：光谱能量获取部件、分光部件和检测部件，光谱能量获取部件用于获取热障涂层辐射出来的原始光谱能量，热障涂层涂覆在一被涂覆物上；分光部件用于对原始光谱能量进行分光处理，获得第一光谱能量以及第二光谱能量，第一光谱能量表征热障涂层的表面辐射，第二光谱能量表征热障涂层内部的容积辐射以及被涂覆物的表面辐射；检测部件基于第一光谱能量计算热障涂层表面的第一温度，以及基于第一温度和第二光谱能量计算被涂覆物表面的第二温度。本公开提供的温度测量装置能够直接对被涂覆物进行非接触测量进而获得被涂覆物以及位于被涂覆物表面的热障涂层的表面温度。

Description

一种热障涂层的隔热性能测量装置及方法

技术领域

本公开涉及测量技术领域，具体涉及一种热障涂层的隔热性能测量装置及方法。

背景技术

随着航空发动机/燃气轮机性能的不断提升，涡轮进口温度不断升高，涡轮叶片高温合金材料的温度也越来越高。为了保证涡轮叶片工作在安全温度以下，需要对其进行高效冷却，并在其表面涂覆热障涂层进行热防护。

在发动机研制过程中涡轮叶片表面温度测量尤为重要，可以指导涡轮叶片冷却结构设计与冷却效果评价，保证涡轮叶片工作在安全温度。对于转速上万转的涡轮转子叶片而言，叶片表面采用接触式热电偶测温，存在传感器安装复杂，使用寿命短，信号引出困难等问题，因此非接触测量技术成为发展趋势。

热障涂层隔热性能对叶片热防护性能至关重要，目前所使用的热障涂层通常是一种近红外和部分中红外波段半透明的陶瓷材料，用近红外波段红外测温技术在测量涂层表面温度时存在上百度误差，无法用于热障涂层表面温度测量。目前热障涂层隔热性能的测量都是采用离线方式，通过在实验室内采用火焰加热或电加热模拟热源，再结合热电偶或光谱仪等测量手段获得其隔热性能，尚无法实现热障涂层隔热性能在线原位非接触测量。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种热障涂层的隔热性能测量装置及方法，以期至少部分解决以上存在的技术问题。

根据本公开的一个方面，提供了一种热障涂层的隔热性能装置，包括：光谱能量获取部件、用于获取热障涂层辐射出来的原始光谱能量；分光部件，用于对原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量，第一光谱能量用于表征热障涂层的表面辐射，第二光谱能量用于表征热障涂层内部的容积辐射以及被涂覆物的表面辐射；检测部件基于第一光谱能量计算出热障涂层表面的第一温度，以及基于第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，检测部件被配置为：基于所述第一温度、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度，所述介质辐射传递方程为：

式中，I_λ(τ_λ)为所述第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度。

根据本公开的实施例，热障涂层为半透明介质，分光部件用于以半透明边界条件以及灰体边界条件作为介质辐射传递方程的边界条件，将原始光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量，以及处于半透明波段的第二光谱能量。

根据本公开的实施例，分光部件包括：准直透镜，用于将原始光谱能量准直为平行光；分光元件，用于对平行光进行分离，以分离出两路光谱能量；两个滤光元件，分别设置于两路光谱能量的传输光路上，分别对两路光谱能量进行滤光处理以得到对应波段的第一光谱能量以及第二光谱能量，两个聚焦透镜，分别设置于第一光谱能量的传输光路以及第二光谱能量的传输光路上，分别用于将第一光谱能量以及第二光谱能量聚焦后传输至检测部件。

根据本公开的实施例，检测部件包括：两个光电探测元件，分别设置于第一光谱能量与第二光谱能量的传输光路上，用于将第一光谱能量转换为第一电信号以及将第二光谱能量转换为第二电信号；高频数据采集系统，用于采集第一电信号和第二电信号，并对第一电信号进行黑体标定处理获得第一温度，还用于基于介质辐射传递方程、第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，高频数据采集系统用于对第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，进而获得第一电信号对应的第一温度，对第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，第一标定曲线以及第二标定曲线均表示不同温度对应的电信号值；高频数据采集系统还用于基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，高频数据采集系统用于：以第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件，以被涂覆物的表面辐射强度作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，采用迭代法计算获取被涂覆物的表面辐射强度；基于所述被涂覆物的表面辐射强度，在第二标定曲线中获取第二温度。

根据本公开的实施例，光谱能量获取部件包括：壳体，包括：第一壳身以及与第一壳身的相对两端分别相接的第一端部、第二端部，第一壳身表面设有靠近第一端部设置的测量开口，原始光谱能量经由测量开口进入第一壳身内部；反射镜，位于第一壳身内，且位于测量开口下方，测量开口在反射面上的正投影与反射面至少部分重合，反射面用于将经由测量开口入射的原始光谱能量反射至光路结构；光路结构位于第一壳身内，用于将原始光谱能量传输至第二端部，并从第二端部射出；传光结构，传光结构连接于第二端部与分光部件之间，用于将原始光谱能量传递至分光部件。

根据本公开的实施例，光路结构包括：光路壳体，光路壳体包括第二壳身以及与第二壳身的相对两端分别相接的第三端部以及第四端部，原始光谱能量由第三端部射入，且至第四端部射出，第一壳身环绕第二壳身外周，且第一壳身与第二壳身之间合围成空气流动间隙；第一透镜，位于第二壳身内，用于对经第三端部入射的原始光谱能量进行聚焦；限光光阑，位于第二壳身内，用于对经由第一透镜的原始光谱能量的散光进行屏蔽；第二透镜，位于第二壳身内，用于对经由限光光阑的原始光谱能量进行再次聚焦，以使原始光谱能量聚焦后依次经由第四端部和第二端部射出。

根据本公开的另一方面，提供了一种热障涂层的隔热性能测量方法，包括：获取热障涂层辐射出来的原始光谱能量，热障涂层涂覆在一被涂覆物上；对原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量，第一光谱能量用于表征热障涂层的表面辐射，第二光谱能量用于表征热障涂层内部的容积辐射以及被涂覆物的表面辐射；基于第一光谱能量计算出热障涂层表面的第一温度，以及基于第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，计算所述第二温度的方法包括：

提供介质辐射方程：

式中，I_λ(τ_λ)为所述第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度；基于所述第一温度、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，热障涂层为半透明材质，对原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量包括：以半透明边界条件以及灰体边界条件作为介质辐射传递方程的边界条件，将原始光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量，以及处于半透明波段的第二光谱能量。

根据本公开的实施例，基于第一光谱能量计算出热障涂层表面的第一温度包括：将第一光谱能量转换为第一电信号；对第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，第一标定曲线表示不同温度对应的电信号值；获得第一电信号在第一标定曲线中对应的第一温度。

根据本公开的实施例，基于介质辐射传递方程、第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度包括：将第二光谱能量转换为第二电信号；对第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，第二标定曲线表示不同温度对应的电信号值；基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度。

根据本公开的实施例，基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度包括：

以第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件，以被涂覆物的表面辐射作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，采用迭代法计算获取被涂覆物的表面辐射强度；基于所述被涂覆物的表面辐射强度，在第二标定曲线中获取第二温度。

本公开提供了一种温度测量装置及方法，其至少具有以下有益效果：

通过光谱能量获取部件获取经由热障涂层辐射出来的总的原始光谱能量，其中包括由被涂覆物本身表面自身辐射出来的能量、热障涂层内的容积辐射以及热障涂层表面辐射出来的能量。通过分光部件将原始光谱能量进行分离，分为用于表征热障涂层表面辐射的第一光谱能量，进而精确计算出热障涂层表面的温度。还分离出用于表征热障涂层内部的容积辐射和被涂覆物的表面辐射的第二光谱能量，由于被涂覆物的表面辐射会联合热障涂层内部的容积辐射一起传输至热障涂层表面，进而对被涂覆物表面温度以及热障涂层表面温度产生影响，在已获取第一温度以及第二光谱能量的条件下，能够获取第二温度，进而能够获得热障涂层的隔热效果。

本公开能够通过直接对被涂覆物上的热障涂层所发出的辐射进行测量，进而获得被涂覆物以及热障涂层的表面温度，实现在线的非接触测量。

附图说明

为进一步说明本公开的技术内容，以下将结合实例及附图来详细说明，其中：

图1是根据本公开实施例的一种温度测量装置的结构示意图；

图2是根据本公开实施例的温度测量装置的测量方法示意图；

图3是根据本公开实施例的另一种温度测量装置的结构示意图；

图4是根据本公开实施例的又一种温度测量装置的结构示意图；

图5是图4中沿AA’方向的截面图；

图6是根据本公开实施例的再一种温度测量装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、被涂覆物，2、热障涂层，10、原始光谱能量，11、第一光谱能量，12、第二光谱能量，20、散热翅片，101、光谱能量获取部件，102、分光部件，103、检测部件，111、第一壳身，112、第一端部，113、第二端部，114、测量开口，115、反射镜，120、光路结构，121、第二壳身，122、第三端部，123、第四端部，124、第一透镜，125、第二透镜，126、限光光阑，127、通气口，128、支撑结构，129、传光部件，130、传光结构，131、第一光纤接口，132、光纤，133、第二光纤接口，141、准直透镜，142、分光元件，143、滤光元件，144、聚焦透镜，151、光电探测元件，152、高频数据采集系统。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。此外，本公开实施例中若有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

图1是根据本公开实施例的一种温度测量装置的结构示意图，图2是根据本公开实施例的温度测量装置的测量方法示意图。下面将参考图1和图2对本公开实施例的温度测量装置进行详细说明。应当理解，图1和图2所示以及以下说明仅为示例，旨在帮助本领域技术人员理解本公开的方案，并非意在限定本公开的保护范围。

本公开实施例提供的热障涂层的隔热性能测量装置用于被涂覆物表面的温度测量以及位于所述被涂覆物表面的热障涂层的表面温度测量，如图1以及图2所示，温度测量装置包括：光谱能量获取部件101、分光部件102以及检测部件103，其中，光谱能量获取部件101用于获取热障涂层辐射出来的原始光谱能量10；分光部件102用于对原始光谱能量10进行分光处理，以获得第一光谱能量11以及第二光谱能量12，第一光谱能量11用于表征热障涂层2远离被涂覆物1一侧的表面辐射，第二光谱能量12用于表征热障涂层2内部的容积辐射以及被涂覆物1的表面辐射；检测部件103基于第一光谱能量11计算出热障涂层2远离被涂覆物1一侧表面的第一温度，以及基于第一温度以及第二光谱能量12计算出被涂覆物1表面的第二温度。

在一些实施例中，被涂覆物1可以是涡轮叶片。

涡轮叶片的温度会随着涡轮进口温度不断升高而上升，因此，需要在被涂覆物1表面涂覆热障涂层2，以对涡轮叶片进行热防护。

在发动机研制过程中，为了使得热障涂层2可以对涡轮叶片起到较好的热防护作用，需要对涡轮叶片的表面温度以及热障涂层2的表面温度进行测量，用于指导涡轮叶片冷却结构设计与冷却效果评价，保证涡轮叶片工作在安全温度。

在一些实施例中，被涂覆物1也可以是其他需要热障涂层来为其提供热防护的材料。

在一些实施例中，热障涂层2的材料可以为半透明的陶瓷材料，例如可以为氧化锆。被涂覆物1的材料可以为耐高温的合金材料，为非透明材料。通过光谱能量获取部件101获取经由热障涂层2辐射出来的原始光谱能量10。经由热障涂层2辐射出来的原始光谱能量10包括由被涂覆物1本身表面自身辐射出来的能量、热障涂层2内的容积辐射以及热障涂层2表面辐射出来的能量。

如图2所示，通过分光部件102将原始光谱能量10进行分离，分为用于表征热障涂层2表面辐射的第一光谱能量11，进而精确计算出热障涂层2表面的温度。

分光部件102还分离出用于表征热障涂层2内部的容积辐射和被涂覆物1的表面辐射的第二光谱能量12，由于被涂覆物1的表面辐射会联合热障涂层2内部的容积辐射一起传输至热障涂层2表面，进而对被涂覆物1表面温度以及热障涂层2表面温度产生影响，在已获取第一温度以及第二光谱能量12的条件下，获取第二温度，进而能够获得热障涂层2的隔热效果。

具体的，当第一温度与第二温度之间的温度差越大，说明热障涂层2的热防护效果越好，能够在较大程度上减小热量传输至被涂覆物1。

此外，通过获取被涂覆物1表面的第二温度，还能够判断被涂覆物1是否达到了耐温极限，对于指导被涂覆物1冷却结构设计与冷却效果评价具有较大的意义。

在一些实施例中，检测部件被配置为：基于第一温度、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度，介质辐射传递方程为：

式中，I_λ(τ_λ)为第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度。

由于被涂覆物1的表面辐射会联合热障涂层2内部的容积辐射一起传输至热障涂层2表面，进而对被涂覆物1表面温度以及热障涂层2表面温度产生影响，符合介质辐射传递方程，因此，在已获取第一温度以及第二光谱能量12的条件下，通过求解介质辐射传递方程的反问题，获取第二温度，进而能够获得热障涂层2的隔热效果。

在一些实施例中，热障涂层为半透明材质，分光部件102用于以半透明边界条件以及灰体边界条件作为介质辐射传递方程的边界条件，将原始光谱能量10分为处于非透明波段的第一光谱能量11，以及处于半透明波段的第二光谱能量12。

热障涂层2为半透明材质时，其辐射出的处于半透明波段的原始光谱能量10具有介质辐射特性，辐射能为容积辐射。其辐射出的处于非透明波段的原始光谱能量10的辐射能为表面辐射。也就是说，通过将光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量11，能够分离出表征热障涂层2的表面辐射的第一光谱能量11。将光谱能量分为处于半透明波段的第二光谱能量12，能够分离出表征热障涂层2内部的容积辐射以及被涂覆物1的表面辐射。

被涂覆物1为非透明的，因此，可以将被涂覆物1表面的辐射能作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，将热障涂层2表面的辐射能作为介质辐射传递方程的半透明边界条件。在已知半透明边界条件、热障涂层2内部的容积辐射与被涂覆物1的表面辐射的综合辐射情况下，能够通过求解介质辐射传递方程的反问题，计算出灰体边界条件，即计算出被涂覆物1的表面辐射。

在一些实施例中，非透明波段的波长范围为10μm～12μm，半透明波段的波长范围为1μm～5μm。这个波段范围不至于过大，使得求解介质辐射传递方程的过程不至于过为复杂。

在一些实施例中，非透明波段的波长范围可以为大于12μm，半透明波段的波长范围也可以为5μm～10μm。

在一些实施例中，检测部件包括：两个光电探测元件151，分别设置于第一光谱能量11与第二光谱能量12的传输光路上，用于将第一光谱能量11转换为第一电信号以及将第二光谱能量12转换为第二电信号；高频数据采集系统152，用于采集第一电信号和第二电信号，并对第一电信号进行黑体标定处理获得第一温度，还用于基于介质辐射传递方程、第一温度以及第二光谱能量12计算出被涂覆物1表面的第二温度。

两个光电探测元件151分别设置于第一光谱能量11与第二光谱能量12的传输路径上，用于分别接收第一光谱能量11以及第二光谱能量12，并将第一光谱能量11转换为第一电信号，将第二光谱能量12转换为第二电信号。在一些实施例中，可以预先设定电信号与光谱能量之间的对应关系，根据对应关系，能够将第一光谱能量11转化为第一电信号，将第二光谱能量12转化为第二电信号。

在一些实施例中，第一电信号与第二电信号可以均为电压信号。

在一些实施例中，还设置有两个放大电路，一放大电路与一光电探测元件电连接，分别用于对第一电信号以及第二电信号进行放大处理。

经过放大之后的第一电信号与第二电信号传输至高频数据采集系统152中，通过对第一电信号进行黑体标定以获得与第一电信号对应的第一温度。

在一些实施例中，高频数据采集系统可以用于对第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，进而获得第一电信号对应的第一温度，对第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，第一标定曲线以及第二标定曲线均表示不同黑体温度对应的电信号值。

高频数据采集系统152还用于基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量12以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物1表面的第二温度。

在一些实施例中，基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量包括：

首先，获取第一电信号在第二标定曲线中对应的第三电信号值。也就是说，在第二标定曲线中找到与第一电信号对应的电信号值，作为第三电信号值。

接着，在第二光谱辐射能量中获取与第三电信号值对应的值，作为第三光谱辐射能量。由于第二标定曲线是基于第二光谱辐射能量获得的，因此，在第二光谱辐射能量中找到与第三电信号值对应的辐射能量值，作为第三光谱辐射能量。

在一些实施例中，介质辐射传递方程中，I_λ(0)exp(-τ_λ)为被涂覆物1表面本身辐射光谱强度与基底反射的涂层介质射向基底的辐射强度穿过热障涂层2经其光谱吸收衰减后的光谱辐射强度。

包含了热障涂层2不同厚度位置的光谱辐射强度经该位置至热障涂层2表面距离内的介质吸收衰减后被探头所测辐射强度。

在求解过程中，第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度能够通过对第二光谱能量12转换得到。

高频数据采集系统152用于：以第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件。第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度能够通过对第三光谱能量转换得到。

高频数据采集系统152还用于以被涂覆物1的表面辐射作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，采用迭代法计算获取被涂覆物1的表面辐射强度。通过不断假设迭代计算，最终得到正确的值，进而计算被涂覆物1的表面辐射强度。

基于被涂覆物1的表面辐射强度，在第二标定曲线中获取二温度。通过将被涂覆物1的表面辐射强度转换为被涂覆物1的表面辐射能量，进而能够在第二光谱辐射能量与第二电信号的对应关系中获得与被涂覆物1的表面辐射能量对应的第四电信号，最后在第二标定曲线中找到第四电信号对应的第二温度。

图3为根据本公开实施例的另一种温度测量装置的结构示意图。

如图3所示，在一些实施例中，光谱能量获取部件包括：壳体，壳体包括：第一壳身111以及与第一壳身111的相对两端分别相接的第一端部112、第二端部113，第一壳身111表面设有靠近第一端部112设置的测量开口114，原始光谱能量10经由测量开口114进入第一壳身111内部。

第一壳身111与第一端部112、第二端部113合围成容纳腔。在一些实施例中，第一壳身111可以为管状。

测量开口114设置于第一壳身111表面靠近第一端部112处，在一些实施例中，除测量开口114之外的第一壳身111为非透明材质。测量开口114为开放孔，也可以采用透明材料制成，例如可以采用光学玻璃制成。

在一些实施例中，测量开口114可以与第一端部112相接。

在一些实施例中，第二端部113可以为耐压密封部件，耐压密封部件用于保证壳体内部的容纳腔处于高压密封状态，实现光谱传递。在一些实施例中，耐压密封部件可以通过法兰盘连接于第一壳身111的端面处。在一些实施例中，耐压密封部件的材料为透明材料，保证原始光谱能量10能够经由第二端部113射出，例如可以为光学玻璃等材质。

光谱能量获取部件101还包括：反射镜115，位于第一壳身111内，即位于容纳腔内，且位于测量开口114下方，透明窗口114在反射面上的正投影与反射面至少部分重合，反射面用于将经由测量开口114入射的原始光谱能量10反射至光路结构。

在一些实施例中，测量开口114在反射面上的正投影可以与反射面完全重合，使得通过测量开口114入射的原始光谱能量10能够全部被反射面反射至光路结构。

在一些实施例中，透明窗口114在反射面上的正投影也可以与反射面部分重合。

在一些实施例中，反射镜115的反射面设置于反射镜115朝向测量开口114的一侧。为了实现较好的反射效果，反射镜115相较于测量开口114斜向放置。在一个具体的例子中，反射镜115的两端分别搭设于第一端部112的内壁以及第一壳身111内壁。

光谱能量获取部件101还包括：光路结构120，位于第一壳身111内，用于接收发射镜反射的原始光谱能量10并将原始光谱能量10传输至第二端部113，从第二端部113射出。

光谱能量获取部件101还包括：传光结构130，传光结构130连接于第二端部113与分光部件102之间，用于将原始光谱能量10传递至分光部件102。

在一些实施例中，传光结构130可以包括：第一光纤接口131、光纤132以及第二光纤接口133。第一光纤接口131与第二端部113的外壁连接，第二光纤接口133与分光部件102连接，光纤132位于第一光纤接口131与第二光纤结构之间，通过光纤132将光谱能量获取部件101收集的原始光谱能量10传输至分光部件102。

图4是根据本公开实施例的又一种温度测量装置的结构示意图。

参考图4，在一些实施例中，光路结构包括：光路壳体，光路壳体包括第二壳身121以及与第二壳身121的相对两端分别相接的第三端部122以及第四端部123。第二壳身121、第三端部122以及第四端部123合围成光路容纳腔。经由反射镜115反射的原始光谱能量10由第三端部122射入，且至第四端部123射出，第一壳身111环绕第二壳身121外周，且第一壳身111与第二壳身121之间合围成空气流动间隙。

空气流动间隙有利于第一壳身111内部的空气流通，在一些实施例中，为了形成空气流动间隙，第二壳身121外表面设置有间隔排列的支撑结构128，例如可以是支撑柱，支撑柱固定于第二壳身121外表面，并与第一壳身111内表面抵接，以在第一壳身111与第二壳身121之间形成空气流动间隙。

在一些实施例中，支撑结构128可以环绕第二壳身121的外周间隔排布。

光路结构120还包括：第一透镜124，位于第二壳身121内，用于对经第三端部122入射的原始光谱能量10进行聚焦；限光光阑126，位于第二壳身121内，用于对经由第一透镜124的原始光谱能量10的散光进行屏蔽；第二透镜125，位于第二壳身121内，用于对经由限光光阑126的原始光谱能量10进行再次聚焦，以使原始光谱能量10聚焦后依次经由第四端部123和第二端部113射出。

其中，第一透镜124、限光光阑126以及第二透镜125沿第三端部122指向第四端部123的方向依次排列。

图6是根据本公开实施例的再一种温度测量装置的结构示意图。

参考图6，在一些实施例中，为了适应不同长度的第一壳身111，在限光光阑126与第二透镜125之间还设置有传光部件129，传光部件129用于对原始光谱能量10进行传输。具体的，若第一壳身111的长度较长，则限光光阑126与第二透镜125之间的距离较大，为了减小原始光谱能量10的传输损耗，可以设置传光部件129。

在一些实施例中，传光部件129可以为透镜组或者光纤132结构。

在一些实施例中，第一壳身表面还设置有与空气流动间隙连通的通气口127，通气口127用于通入冷却与吹扫的洁净气体。在一些实施例中，由于第二端部113为耐压密封部件，能够保证第一壳身111内部的高压密封，因此，当通气口127通入冷却与吹扫洁净气体时，能够保证冷却与吹扫洁净气体不从第二端部113处泄露，确保所有冷却与吹扫洁净气体均从测量开孔114处排出。进而有利于光路结构120与冷却气体的换热，保证光路结构120在安全温度以下工作。

图5是图4中沿AA’方向的截面图。

参考图5，在一些实施例中，第二壳身表面还设有多个间隔排布的散热翅片20。用于强化光路结构120与冷却气体的换热。在一些实施例中，散热翅片20可以环绕第一壳身111的外周间隔排布。在一些实施例中，散热翅片20可以与支撑结构128交替排列。

继续参考图4或图6，在一些实施例中，分光部件包括：准直透镜141，用于将原始光谱能量10准直为平行光；分光元件142，用于对平行光进行分离，以分离出两路不同能量比的光谱能量；两个滤光元件143，分别设置于两路光谱能量的传输光路上，分别对两路光谱能量进行滤光处理以得到对应波段的第一光谱能量11以及第二光谱能量12，两个聚焦透镜144，分别设置于第一光谱能量11的传输光路以及第二光谱能量12的传输光路上，分别用于将第一光谱能量11以及第二光谱能量12聚焦后传输至检测部件103。具体的，在一些实施例中，两个聚焦透镜144分别用于将第一光谱能量11以及第二光谱能量12聚焦至光电探测元件。

在一些实施例中，分光元件142可以为二向色分光镜，用于高效分离出两路不同光谱的能量。在一些实施例中，分光元件142也可以为半透半反镜。

在一些实施例中，滤光元件143、聚焦透镜144以及光电探测元件在光谱能量的传输光路上依次排列。

上述实施例提供的温度测量装置中，能够通过直接对被涂覆物1上的热障涂层2所发出的辐射进行测量，进而获得被涂覆物1以及热障涂层2的表面温度，实现在线的非接触测量。

本公开的另一方面提供了一种温度测量方法，该方法包括步骤S1～S3。

在步骤S1，获取经由热障涂层辐射出来的原始光谱能量，热障涂层涂覆在一被涂覆物上。原始光谱能量包括由被涂覆物本身表面自身辐射出来的能量、热障涂层内的容积辐射以及热障涂层表面辐射出来的能量。

在步骤S2，对原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量，第一光谱能量用于表征热障涂层远离被涂覆物一侧的表面辐射，第二光谱能量用于表征热障涂层内部的容积辐射以及被涂覆物的表面辐射。

在步骤S3，基于第一光谱能量计算出热障涂层远离被涂覆物一侧表面的第一温度，以及基于第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度。

在一些实施例中，计算第二温度的方法包括：

首先，提供介质辐射方程：

式中，I_λ(τ_λ)为所述第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度。

接着，基于所述第一温度、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

由于被涂覆物的表面辐射会联合热障涂层内部的容积辐射一起传输至热障涂层表面，进而对被涂覆物表面温度以及热障涂层表面温度产生影响，符合介质辐射传递方程，因此，在已获取第一温度以及第二光谱能量的条件下，通过求解介质辐射传递方程的反问题，获取第二温度，进而能够获得热障涂层的隔热效果。

在一些实施例中，热障涂层为半透明材质，对原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量包括：

以半透明边界条件以及灰体边界条件作为介质辐射传递方程的边界条件，将原始光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量，以及处于半透明波段的第二光谱能量。

可以将被涂覆物表面的辐射能作为介质辐射传递方程的灰度边界条件，将热障涂层表面的辐射能作为介质辐射传递方程的半透明边界条件。在已知半透明边界条件、热障涂层内部的容积辐射以及被涂覆物的表面辐射的情况下，能够通过求解介质辐射传递方程的反问题，计算出灰度边界条件，即计算出被涂覆物的表面辐射。

在一些实施例中，非透明波段的波长范围为10μm～12μm，半透明波段的波长范围为1μm～5μm。

在一些实施例中，非透明波段的波长范围可以为大于12μm，半透明波段的波长范围也可以为5μm～10μm。

在一些实施例中，基于第一光谱能量计算出热障涂层远离被涂覆物一侧表面的第一温度包括：

首先，将第一光谱能量转换为第一电信号。在一些实施例中，可以预先设定电信号与光谱能量之间的对应关系，根据对应关系，能够将第一光谱能量转化为第一电信号。

在一些实施例中，第一电信号可以均为电压信号。在一些实施例中，还可以对第一电信号进行放大处理。

接着，对第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，第一标定曲线表示不同黑体温度对应的电信号值。

最后，获得第一电信号在第一标定曲线中对应的第一温度。

在一些实施例中，基于介质辐射传递方程、第一温度以及第二光谱能量计算出被涂覆物表面的第二温度包括：

首先，将第二光谱能量转换为第二电信号。在一些实施例中，第二电信号可以均为电压信号。在一些实施例中，还可以对第二电信号进行放大处理。

接着，对第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，第二标定曲线表示不同黑体温度对应的电信号值。

最后，基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度。

在一些实施例中，基于第二标定曲线获取第一电信号对应的第三光谱辐射能量包括：

首先，获取第一电信号在第二标定曲线中对应的第三电信号值，也就是说，在第二标定曲线中找到与第一电信号对应的电信号值，作为第三电信号值。

接着，在第二光谱辐射能量中获取与第三电信号值对应的值，作为第三光谱辐射能量。由于第二标定曲线是基于第二光谱辐射能量获得的，因此，在第二光谱辐射能量中找到与第三电信号值对应的辐射能量值，作为第三光谱辐射能量。

在一些实施例中，基于第三光谱辐射能量、第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出被涂覆物表面的第二温度包括：

首先，以第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件。第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度能够通过对第三光谱能量转换得到。

其中，包含了热障涂层不同厚度位置的光谱辐射强度经该位置至热障涂层表面距离内的介质吸收衰减后被探头所测辐射强度。

接着，以被涂覆物的表面辐射作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，在已知等式做边的第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度的情况下，采用迭代法计算获取被涂覆物的表面辐射强度。通过不断假设迭代计算，最终得到正确的值，进而计算被涂覆物的表面辐射强度。

在求解过程中，第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度能够通过对第二光谱能量转换得到。

其中，I_λ(0)exp(-τ_λ)为被涂覆物表面本身辐射光谱强度与被涂覆物表面反射的涂层介质射向被涂覆物表面的辐射强度穿过热障涂层经其光谱吸收衰减后的光谱辐射强度。

最后，基于被涂覆物的表面辐射强度，在第二标定曲线中获取二温度。通过将被涂覆物的表面辐射强度转换为被涂覆物的表面辐射能量，进而能够在第二光谱辐射能量与第二电信号的对应关系中获得与被涂覆物的表面辐射能量对应的第四电信号，最后在第二标定曲线中找到第四电信号对应的第二温度。

上述实施例提供的温度测量方法中，通过光谱能量获取部件获取经由热障涂层辐射出来的总的原始光谱能量，通过分光部件将原始光谱能量进行分离，分为用于表征热障涂层表面辐射的第一光谱能量，进而精确计算出热障涂层表面的温度。还分离出用于表征热障涂层内部的容积辐射和被涂覆物的表面辐射的第二光谱能量，在已获取第一温度以及第二光谱能量的条件下，能够获取第二温度，进而能够获得热障涂层的隔热效果，实现在线的非接触测量。

以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，装置包括：

光谱能量获取部件，用于获取所述热障涂层辐射出来的原始光谱能量，其中，所述热障涂层涂覆在一被涂覆物上；

分光部件，用于对所述原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量，所述第一光谱能量用于表征所述热障涂层的表面辐射，所述第二光谱能量用于表征所述热障涂层内部的容积辐射以及所述被涂覆物的表面辐射；

检测部件，用于基于所述第一光谱能量计算出所述热障涂层表面的第一温度，并基于所述第一温度以及所述第二光谱能量计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

2.根据权利要求1所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述检测部件被配置为：基于所述第一温度、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度，所述介质辐射传递方程为：

式中，I_λ(τ_λ)为所述第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度。

3.根据权利要求2所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述热障涂层为半透明介质，所述分光部件用于以半透明边界条件以及灰体边界条件作为所述介质辐射传递方程的边界条件，将所述原始光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量，以及处于半透明波段的第二光谱能量。

4.根据权利要求3所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述分光部件包括：

准直透镜，用于将所述原始光谱能量准直为平行光；

分光元件，用于对所述平行光进行分离，以分离出两路光谱能量；

两个滤光元件，分别设置于两路光谱能量的传输光路上，分别对两路光谱能量进行滤光处理以得到对应波段的所述第一光谱能量以及所述第二光谱能量；

两个聚焦透镜，分别设置于第一光谱能量的传输光路以及第二光谱能量的传输光路上，分别用于将所述第一光谱能量以及所述第二光谱能量聚焦后传输至检测部件。

5.根据权利要求4所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述检测部件包括：

两个光电探测元件，分别设置于所述第一光谱能量与所述第二光谱能量的传输光路上，用于将所述第一光谱能量转换为第一电信号以及将所述第二光谱能量转换为第二电信号；

高频数据采集系统，用于采集第一电信号和第二电信号，并对所述第一电信号进行黑体标定处理获得所述第一温度，还用于基于介质辐射传递方程、所述第一温度以及所述第二光谱能量计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

6.根据权利要求5所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述高频数据采集系统用于对所述第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，进而获得第一电信号对应的所述第一温度，对所述第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，所述第一标定曲线以及所述第二标定曲线均表示不同温度对应的电信号值；

所述高频数据采集系统还用于基于所述第二标定曲线获取所述第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于所述第三光谱辐射能量、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

7.根据权利要求6所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述高频数据采集系统用于：

以所述第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件，以所述被涂覆物的表面辐射作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，采用迭代法计算获取所述被涂覆物的表面辐射强度；

基于所述被涂覆物的表面辐射强度，在所述第二标定曲线获取所述第二温度。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述光谱能量获取部件包括：

壳体，包括：第一壳身以及与所述第一壳身的相对两端分别相接的第一端部、第二端部，所述第一壳身表面设有靠近所述第一端部设置的测量开口，所述原始光谱能量经由所述测量开口进入所述第一壳身内部；

反射镜，位于所述第一壳身内，且位于所述测量开口下方，所述测量开口在所述反射面上的正投影与所述反射面至少部分重合，所述反射面用于将经由所述测量开口入射的所述原始光谱能量反射至光路结构；

所述光路结构位于所述第一壳身内，用于将所述原始光谱能量传输至所述第二端部，并从所述第二端部射出；

传光结构，所述传光结构连接于所述第二端部与所述分光部件之间，用于将所述原始光谱能量传递至所述分光部件。

9.根据权利要求8所述的热障涂层的隔热性能测量装置，其特征在于，所述光路结构包括：

光路壳体，所述光路壳体包括第二壳身以及与所述第二壳身的相对两端分别相接的第三端部以及第四端部，所述原始光谱能量由所述第三端部射入，且至所述第四端部射出，所述第一壳身环绕所述第二壳身外周，且所述第一壳身与所述第二壳身之间合围成空气流动间隙；

第一透镜，位于所述第二壳身内，用于对经所述第三端部入射的所述原始光谱能量进行聚焦；

限光光阑，位于所述第二壳身内，用于对经由所述第一透镜的所述原始光谱能量的散光进行屏蔽；

第二透镜，位于所述第二壳身内，用于对经由所述限光光阑的所述原始光谱能量进行再次聚焦，以使所述原始光谱能量聚焦后依次经由所述第四端部和所述第二端部射出。

10.一种热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，包括：

获取所述热障涂层辐射出来的原始光谱能量，其中，所述热障涂层涂覆在一被涂覆物上；

对所述原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量，所述第一光谱能量用于表征所述热障涂层的表面辐射，所述第二光谱能量用于表征所述热障涂层内部的容积辐射以及所述被涂覆物的表面辐射；

基于所述第一光谱能量计算出所述热障涂层表面的第一温度，以及基于所述第一温度以及所述第二光谱能量计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

11.根据权利要求10所述的热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，计算所述第二温度的方法包括：

提供介质辐射方程：

式中，I_λ(τ_λ)为所述第二光谱辐射能量对应的光谱辐射强度；τ为涂层光学厚度；λ为工作波长；S为源函数，包含发射源及空间各方向入射引起的散热源；ω为散射系数与衰减系数之比；为涂层内任意位置光学厚度；

基于所述第一温度、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

12.根据权利要求11所述的热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，所述热障涂层为半透明材介质，所述对所述原始光谱能量进行分光处理，以获得第一光谱能量以及第二光谱能量包括：

以半透明边界条件以及灰体边界条件作为所述介质辐射传递方程的边界条件，将所述原始光谱能量分为处于非透明波段的第一光谱能量，以及处于半透明波段的第二光谱能量。

13.根据权利要求12所述的热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，所述基于所述第一光谱能量计算出所述热障涂层表面的第一温度包括：

将所述第一光谱能量转换为第一电信号；

对所述第一电信号进行黑体标定获得第一标定曲线，所述第一标定曲线表示不同温度对应的电信号值；

获得第一电信号在所述第一标定曲线中对应的所述第一温度。

14.根据权利要求13所述的热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，所述基于介质辐射传递方程、所述第一温度以及所述第二光谱能量计算出所述被涂覆物表面的第二温度包括：

将所述第二光谱能量转换为第二电信号；

对所述第二电信号进行黑体标定获得第二标定曲线，所述第二标定曲线表示不同温度对应的电信号值；

基于所述第二标定曲线获取所述第一电信号对应的第三光谱辐射能量，并基于所述第三光谱辐射能量、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度。

15.根据权利要求14所述的热障涂层的隔热性能测量方法，其特征在于，所述基于所述第三光谱辐射能量、所述第二光谱能量以及介质辐射传递方程计算出所述被涂覆物表面的第二温度包括：

以所述第三光谱辐射能量对应的光谱辐射强度作为介质辐射传递方程的半透明边界条件，以所述被涂覆物的表面辐射作为介质辐射传递方程的灰体边界条件，采用迭代法计算获取所述被涂覆物的表面辐射强度；

基于所述被涂覆物的表面辐射强度，在所述第二标定曲线中获取所述第二温度。