用于三维弯曲表面的红外测温修正方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于三维弯曲表面的红外测温修正方法、装置及系统，其中红外测温修正方法包括：根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两个发射率测量区域；获取叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布；根据红外光源不同入射角度下的投射能量和红外相机在不同探测角度下接收到的反射能量，获得不同表面类型的双向反射分布函数；根据获取的叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布及不同表面类型的双向反射分布函数，得到修正后的测量温度。本发明专利技术适用范围宽，修正精度高，可为航空发动机涡轮叶片等处在复杂环境中的弯曲表面的红外测温进行校正，可实现弯曲表面的非接触式、多维、在线测量。在线测量。在线测量。

【技术实现步骤摘要】
用于三维弯曲表面的红外测温修正方法、装置及系统


[0001]本专利技术属于航空测温
，进一步涉及红外辐射测温
，特别是涉及一种用于复杂背景下三维弯曲表面的红外测温修正方法及系统。

技术介绍

[0002]为了提高航空发动机的比冲，最直接有效的途径就是提高涡轮转子进口温度。但随着进口温度的升高，导致涡轮叶片长期工作在较大的热负荷条件下，提高了涡轮叶片的故障率。准确测量涡轮叶片的工作温度，对于提高涡轮叶片的寿命和航空发动机的安全运行具有重大意义。
[0003]目前主要的测温方式分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温包括薄膜热电偶测温、示温漆测温方法、晶体测温等方法，非接触式测温包括荧光测温法和辐射测温法。在涡轮叶片工作的状态下，薄膜热电偶测温方法存在导线难以放置的问题，示温漆测温方法和晶体测温方法不能反映温度的动态变化。在非接触式测温的方法中，荧光测温法有测温范围宽、测温精度高的优点，但是响应信号采集的难度高，随着温度的升高信号十分容易失效。红外辐射测温的方法在目前国内外航空发动机的测温过程中有大量的应用，红外测温相对传统的测温方法有不会破坏被测物体的表面；响应时间短，能实时测量不断变化的温度值；测温范围广，灵敏度高的优点。在涡轮叶片的运行环境中，辐射测温法具有更大的优势。
[0004]辐射测温误差受到叶片表面发射率的影响，而叶片表面发射率又与叶片表面特性有关，比如涂层侵蚀、氧化程度等因素都会改变叶片表面的发射率。同时，叶片表面发射率还与温度、波长、观察角和表面条件等因素有关，因此很难对叶片表面发射率进行准确测量。在金属表面喷涂合适的黑色底漆，则可视为非金属；当观测视线与被测件表面法线所成角度在0
°
～60
°
之间时，发射率基本保持不变。除了叶片自身发射率对测温结果有影响之外，叶片周围高温环境的辐射同时会对测温结果产生影响，某一点在光照条件下的反射属性与入射点的位置、入射方向、出射方向以及波长有关，获得双向反射分布函数值对有效辐射测量具有非常重要的意义。在辐射传热计算时，还需要计算任意两个辐射换热面元之间的角系数。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种三维弯曲表面的红外测温修正方法、装置及系统。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术首先提供一种三维弯曲表面的红外测温修正方法，包括：
[0008]根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两个发射率测量区域；
[0009]获取叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布；
[0010]根据红外光源不同入射角度下的投射能量和红外相机在不同探测角度下接收到
的反射能量，获得不同表面类型的双向反射分布函数；
[0011]根据获取的叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布及不同表面类型的双向反射分布函数，得到修正后的测量温度。
[0012]本专利技术还提供一种三维弯曲表面的红外测温修正装置，包括：
[0013]温度采集模块，用于获取高温下三维弯曲表面的温度数据；
[0014]处理模块，根据所述的红外测温修正方法对所述温度采集模块采集的温度数据进行修正。
[0015]本专利技术还提供一种用于复杂背景下三维弯曲表面的红外测温修正系统，包括：
[0016]弯曲叶片，用于作为被测温物体以及提供背景辐射；
[0017]固定底板，用于固定三维弯曲叶片和改变三维弯曲叶片之间的间距；
[0018]陶瓷加热片，用于给三维弯曲叶片表面加热；
[0019]变压电源，用于给陶瓷加热片供电，通过电源电压控制陶瓷加热片温度；
[0020]K型热电偶，用于测量弯曲叶片和高温燃气的真实温度，为发射率测量和红外校正结果提供基准数据；
[0021]温度巡检仪，用于记录热电偶测量得到的温度；
[0022]红外光源，用于发射红外辐射能量，为表面双向反射分布测量提供光源；
[0023]红外相机，用于测量高温下三维弯曲表面的红外辐射能量和温度，获得需要进行修正的原始温度数据；
[0024]旋流预混燃烧器：用于产生高温燃气，模拟高温燃气的环境；
[0025]烟气分析仪：用于测量高温燃气的组分和浓度；
[0026]压力传感器：用于测量高温燃气的压力；
[0027]以及
[0028]数据处理单元，根据所述的红外测温修正方法对红外相机获得的原始温度数据进行修正。本专利技术红外测温修正系统可以控制红外相机测温误差各种变量，对修正模型进行验证。
[0029]有益效果
[0030]经申请人研究发现，在红外相机对弯曲叶片的测温过程中，叶片表面的非均匀发射率ε(q,T)、叶片表面的双向反射分布函数BRDF(r,Ω,Ω
′
)、叶片之间的距离L(r,r
′
)、红外相机的探测角度θ<n,Ω
d
>、红外窗口的红外积分透过率τ、燃气影响系数μ，这6个参数和测温精度有关，因此本申请将这6个参数作为主要修正点，对红外相机测温精度进行提高。针对叶片表面发射率的非均匀性，根据实际的叶片表面类型进行发射率分区测量，在修正过程中采用分区修正的方法。经过修正软件修正后输出的温度云图，与热电偶测得的真实温度进行误差分析，测温误差大大减小。本专利技术普适性强，测温精度高，在红外辐射测温原理上对测温误差进行修正，实现弯曲表面的非接触式、多维、在线测量。
附图说明
[0031]图1为本专利技术三维弯曲叶片红外测温修正方法的流程图；
[0032]图2是本专利技术的三维弯曲叶片红外测温修正系统的示意图；
[0033]图3是本专利技术的实际应用测温系统的示意图；
[0034]图4是三维弯曲叶片磨损以及腐蚀区域示意图；
[0035]图5是入射角为30
°
的双向反射分布函数数值；
[0036]图6是入射角为45
°
的双向反射分布函数数值；
[0037]图7是入射角为50
°
的双向反射分布函数数值；
[0038]图8是本专利技术的红外测温系统中的网格角系数值；
[0039]图中：1—温度巡检仪、2—陶瓷加热片、3—K型热电偶、4—弯曲叶片、5—固定底板、6—变压电源、7—计算机、8—红外相机，9—红外探测窗口，10—氧气瓶，11—甲烷气瓶，12—航空发动机涡轮叶片。
具体实施方式
[0040]下面结合说明附图与具体实施方式对本专利技术作详细说明：
[0041]下面结合附图，对本专利技术作详细说明：
[0042]本实施例提供一种三维弯曲表面的红外测温修正方法，具体流程参见图1，包括：
[0043]A.根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两个发射率测量区域；
[0044]根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两个发射率测量区域步骤中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，包括：根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两个发射率测量区域；获取叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布；根据红外光源不同入射角度下的投射能量和红外相机在不同探测角度下接收到的反射能量，获得不同表面类型的双向反射分布函数；根据获取的叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率分布及不同表面类型的双向反射分布函数，得到修正后的测量温度。2.根据权利要求1所述的三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，根据获取的叶片表面每一个发射率测量区域在不同温度下的发射率数分布及不同表面类型的双向反射分布函数，得到修正后的测量温度为：式中，T
′
(r)为空间位置r处修正后的测量温度；η(E)为红外相机的出厂标定曲线；λ为波长；τ为红外测量窗口的积分透过率；μ为高温燃气的影响系数；θ为红外相机的探测角度；ε(q,T)为在发射率测量区域q内温度下的发射率数值,q为1
‑
Q，Q为划分的发射率测量区域数；λ1、λ2分别为红外相机的波长响应上下限；M(λ,r,T)为真实温度产生的黑体光谱辐射力；M(λ,r
′
,T)为高温背景叶片产生的黑体光谱辐射力；r
′
为高温背景叶片上的不同空间位置；X
r
′
,r
为高温背景叶片上的不同空间位置r
′
对测量叶片空间位置r的角系数，A
′
为待测位置可视区域内的微元面积；Γ为待测位置的可视区域；BRDF(r,Ω,Ω
′
)为弯曲表面的双向反射分布函数；Ω表示能量入射方向向量；Ω
′
表示能量出射方向向量。3.根据权利要求2所述的三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，获取叶片表面每一个区域在不同温度下的发射率分布，包括：测量室温下每一个发射率测量区域的内任意一个或多个空间位置的发射率数值作为对应发射率测量区域的射率数值，当采用多个空间位置时，根据多个位置的射率数值平均值作为对应发射率测量区域的发射率数值；再对叶片表面进行加热处理，获得每一个发射率测量区域q在不同温度T下的发射率数值ε(q,T)。4.根据权利要求3所述的三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，发射率的计算关系式表示为：任意空间位置的发射率的计算关系式表示为：式中，T
m
为红外相机的测量温度，c1＝3.7418
×
10
‑6W
·
m为第一普朗克系数，c2＝1.4388
×
10
‑6m
·
K为第二普朗克系数。5.根据权利要求3所述的三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，根据测量叶片的表面类型，将叶片表面分为至少两...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彪，张天宇，吴嘉雯，李健，许传龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：