一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，属于热学计量技术领域。本发明专利技术包括红外光学系统、红外探测系统、高速采集系统和数据处理系统。红外光学系统将样品背面的温升信号完整地输送到红外探测系统中，并用于彩色视频瞄准和动态过程监控。红外探测系统用于对样品的温升信号进行光电转换及微弱温升信号放大；高速采集卡用于连续采集温升信号并进行AD转换。数据处理系统用于接收数字信号并进行滤波进而计算材料热扩散率。本发明专利技术采用焦距可自动变化的红外探测光路系统，确保只“看到”样品背面，消除周围辐射背景噪声的影响；同时匹配低噪声放大电路和自适应处理算法，提高热扩散率测量准确性，提升热扩散率测量温度上限。测量温度上限。测量温度上限。

【技术实现步骤摘要】
一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置


[0001]本专利技术涉及一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，属于热学计量


技术介绍

[0002]材料的热扩散率是描述物体受热升温直至内部温度均匀能力的参数。在同一温度下，热扩散率值越小，表示其材料内部温度达到的能力就越弱，因此热扩散率决定着热障材料的隔热性能，在非稳态导热过程中，材料的热扩散率是一个非常重要的参数。例如，高超音速飞行器经受不同程度的非稳态的气动加热阶段，大面积温度达1200℃，端头驻点温度可达2900℃甚至更高。对于主动式热防护系统，要求热障材料热扩散率较低，减缓气动加热过程中高温对飞行器主体材料和零部件的冲击。因此，热扩散率对热防护系统在高温极端环境下的设计和服役性能提高具有重要的指导价值。
[0003]热扩散率原级测量方法为激光闪光法，其是根据样品受脉冲加热后的温升信号计算而得，因此温升信号的质量直接影响着材料的热扩散率测量的准确性。但是，在高温条件下，背景噪声逐渐升高，材料表面发射率减小反射率增大，信噪比会大幅度减小，导致信号识别难度增大，在很大程度上会影响热扩散率的测量值。另外，国内目前仅可测量1000℃以下，而高超服役温度高达2800℃以上，只能依靠国外相关测量仪器进行测量。因此，需要针对在超高温条件下温升信号的特点并结合仿真结果及理论分析，研制温升信号识别处理装置，提高高温条件下温升信号识别的准确度，进而提高材料热扩散率的测量速率及准确度。本专利技术最高温度可达3000℃，可为热防护材料从室温到最高服役温度范围内的导热性能进行测量表征，同时为界面温度分布以及热力耦合失效机理研究提供必要的热物性参数。

技术实现思路

[0004]针对超高温条件下环境辐射噪声大，信噪比大幅度减小导致信号识别难度增大的难题，本专利技术主要目的是提供一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，采用焦距可自动变化的红外探测光路系统，确保只“看到”样品背面，消除周围辐射背景噪声的影响；同时匹配低噪声放大电路和自适应处理算法，结合辐射高温计和高温热电偶实时校准测量，使得能够在3000℃高温条件下仍能够准确提取仅为10℃的温升信号，提高热扩散率的准确性，提升热扩散率测量温度上限。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，包括红外光学系统、红外探测系统、高速采集系统和数据处理系统；所述红外光学系统内置透镜组、镜组支架、光阑、镜桶、电机齿轮和CCD视频阵列；所述红外探测系统，包括红外探测器和微弱温升信号调理电路模块；所述高速采集系统，包括高速采集卡；所述数据处理系统包括、温升信号起点确定模块、温升信号识别模块和热扩散率计算模块，温升信号识别模块通过温升信号识别算法实现温升信号识别，热扩散率计算模块实现热扩散率计算算法实现热扩
散率计算。
[0007]所述红外光学系统透镜组采用定心车加工法，用于保证镜头安装精度；所述红外光学系统电极齿轮通过旋转带动镜片前后移动，具备调焦功能，同时将温升光学信号汇聚输入至外探测器中，使得红外探测器只“看到”样品表面，不采集任何来自周边环境的温度信号，得到最优视野；所述外光学系统特制反射镜为“半透半反”式，能够将90％的温升信号透射，将10％的温升信号水平方向整90
°
；所述红外光学系统CCD视频阵列通过线缆与数据处理系统连接，用于对被测样品进行彩色视频瞄准和动态过程监控。
[0008]所述红外探测系统中的红外探测器为0.9～3μm制冷型红外探测器，红外探测器和微弱温升信号调理电路模块联合响应时间优于2μs；所述红外探测系统中微弱温升信号调理电路模块主要分为两部分，分别是信号放大电路、电源电路。其中，放大电路分为温升信号放大电路与触发信号放大电路；电源电路分为数字电源电路与模拟电源电路。
[0009]作为优选，所述微弱温升信号调理电路模块采用开尔文开关技术选择放大倍数，在各增益选择环路中引入两个开关，一个用于将跨阻/运放输出连接到反馈网络，另一个用于将反馈网络输出连接到下游元件，传统模拟开关的导通电阻会引起电压和温度相关的增益误差，漏电流会引起失调误差，特别是在高温时，采用开尔文开关技术降低所述增益误差和失调误差。所述高速采集系统的高速采集卡采集频率为1MHz，量程(
‑
10～10)V，双通道分别采集温升信号和触发信号且为同步采集。
[0010]在所述数据处理系统中，温升信号起点确定模块的工作方法为：样品温度稳定后，开始同步采集触发和温升信号通道的测量值，锁定触发信号最大值所对应的时间，将该时间作为温升信号的起点t0；温升信号自适应处理算法为采集的带有噪声的温升信号经频谱分析检测各频率的信号强度后，根据频谱分析结果，通过带通设置带通滤波的频率参数得到有用信号所在频率波段的信号，而后通过设置低通参量对干扰信号进行衰减，经历完低通滤波提取其中的直流分量即为有用温升信号；但是电源的谐波信号也会带来信号的干扰，通过设置带阻参量，能够消除所述频率范围内的绝大部分干扰信号；最终在通过平滑处理消除脉冲带来的干扰脉冲信号得到平滑的温升曲线；热扩散率计算方法为：将温升信号最大值一半的数值与温升信号通道的所有采样点进行逐一比较确定到该数值的采集次数N，N乘以采样周期即是从数据处理系统开始运行时到温升信号最大值一半的数值所运行的时间t1，t1减t0即为半数时间t
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，根据Paker模型计算热扩散率。
[0011]有益效果：
[0012]1、本专利技术公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，采用激光闪光法测量样品热扩散率时，采用焦距可自动变化的可视化红外光学系统，确保只“看到”样品背面，能够消除周围辐射背景噪声的影响，提升热扩散率测量精度。
[0013]2、本专利技术公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，匹配低噪声放大电路和自适应处理算法，结合辐射高温计和高温热电偶实时校准测量，使得能够在3000℃高温条件下仍能够准确提取仅为10℃的温升信号，在提高热扩散率的准确性同时提升热扩散率测量温度上限。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置的组成框
图；
[0015]图2是本专利技术的温升信号处理算法流程图。
[0016]其中：1
‑
透镜、2
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透镜、3
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透镜、4
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透镜、5
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可动镜架、6
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光阑、7
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镜桶、8
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电机齿轮、9
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套筒、10
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CCD视频阵列、11
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反射镜、12
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滤光片、13
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红外探测器、14
‑
线缆、15
‑
微弱温升信号调理电路模块、16
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，其特征在于：包括红外光学系统、红外探测系统、高速采集系统和数据处理系统；红外光学系统与红外探测系统通过镜筒(7)和套筒(9)通过螺纹连接；红外探测系统与高速采集卡通过电线(14)连接；高速采集可和数据处理系统通过线缆(14)连接；红外光学系统将样品背面的温升信号完整地输送到红外探测系统中，并用于彩色视频瞄准和动态过程监控；红外探测系统用于对样品的温升信号进行光电转换及微弱温升信号放大；高速采集卡用于连续采集温升信号并进行AD转换；所述所述数据处理系统包括、温升信号起点确定模块、温升信号识别模块和热扩散率计算模块，温升信号识别模块通过温升信号识别算法实现温升信号识别，热扩散率计算模块实现热扩散率计算算法实现热扩散率测算。2.一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，其特征在于：所述红外光学系统，包括镜片(1)、镜片(2)、镜片(3)、镜片(4)、可动镜片架(5)、光阑(6)、镜桶(7)、电机齿轮(8)、反射镜(11)、CCD视频阵列(10)和滤光片(12)；镜片(1)～(4)为同轴透镜，光阑(6)进一步对温升信号进行消杂光处理；可动镜片架(5)通过辊边和压圈两种方式实现镜片(4)安装；可动镜片架(5)通过套筒(9)与电机齿轮(8)连接，电机齿轮(8)齿轮旋转进一步带动透镜(4)前后移动；反射镜(11)中心点与透镜(4)水平对齐并成45
°
倾斜，进一步将10％的温升信号水平方向调整90
°
，10％的温升信号输入进CCD视频阵列(10)，对目标进行彩色视频瞄准和动态过程监控；所述红外探测系统，包括红外探测器(13)和微弱温升信号调理电路模块(15)；红外探测器(13)对温升光信号进行光电转换；微弱温升信号调理电路模块(15)对红外探测器(13)光电转换后的温升信号做进一步放大处理。3.如权利要求1所述的一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，其特征在于：所述红外光学系统中镜片(1)、镜片(2)、镜片(3)、镜片(4)组成的透镜组采用定心车的加工方法，保证镜头安装精度；所述电极齿轮(8)旋转可带动镜片(4)前后移动，根据被测样品的大小调整镜片(4)到红外探测器(13)的距离，具备调焦功能，同时将温升光学信号汇聚输入至外探测器(13)中，使得红外探测器(13)只“看到”样品表面，不采集任何来自周边环境的温度信号，得到最优视野；所述反射镜(11)为“半透半反”式，将90％的温升信号透射，将将10％的温升信号水平方向调整90
°
，输入进CCD视频阵列(10)，CCD视频阵列(10)通过线缆(14)与数据处理系统(17)连接，对被测样品进行彩色视频瞄准和动态过程监控。4.如权利要求1所述的一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杨，金振涛，蔡静，杨新圆，张鹏，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：