一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法与流程

本发明涉及高温高速粒子飞行参数测量技术领域，具体涉及一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法。

背景技术：

高温等离子体喷涂制备的热障涂层和防护涂层被广泛应用到航空发动机和燃气轮机的叶片上，提高了叶片的使用寿命。影响高温等离子体喷涂制备的涂层的工艺参数有很多且相互耦合，很难实现涂层质量的精确控制和可重复性生产。而影响涂层质量的本质参数是等离子体射流中飞行粒子的温度、速度、粒径的大小，通过在线监测粒子的参数，可以将多工艺参数问题转化为控制粒子的温度、速度、粒径三个参数，大大提高了涂层的质量的可控性和可重复性，同时监测单个粒子飞行过程中的温度的变化规律，可以对高温等离子体与粉末粒子的反应过程进行研究。现有的粒子飞行参数通用测量装置有两种：DPV2000与SprayWatch 2i。其中，DPV2000每次只能测量单个粒子参数，测量周期长，采用双光路，发射率引入误差导致温度测量准确度受到影响；SprayWatch 2i不能测量单个粒子的温度及温度的变化规律，只能测量温度的平均值，同时采用双光路，发射率引入误差导致温度测量准确度受到影响。上述两种测量装置难以获得单个粒子飞行过程中的温度的变化规律，并且不能同时完成多个粒子的温度分布、速度分布、粒径分布的统计分析。同时，两种装置结构相对复杂，成本较高。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法，不仅能够在线测量高温等离子体射流中单个飞行粒子的温度、速度、粒径的大小，同时也能够获取单个粒子飞行过程中的温度变化的规律，还可以一次性统计分析多个粒子的温度、速度、粒径的大小分布；此外，可以采用单光路测量，装置结构简单，能够降低发射率误差，提高温度测量的准确度。

为了达到上述粒子参数测量的目的，本发明采用的技术方案是：

一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置，包括热窗口片1，由等离子体射流中单个飞行粒子发出的热辐射经热窗口片1后，依次通过带通滤波片2、相机镜头3，成像到单彩色CCD相机4的芯片上，高温粒子自身的热辐射经过带通滤波片2，将等离子体射流中高强度的等离子体自身及粒子表面蒸发的元素的线状光谱滤除后由相机镜头3聚焦到单彩色CCD相机4的芯片上，得到带通滤波片2波段范围的粒子的飞行轨迹，单彩色CCD相机4与第一计算机5连接，在线监测粒子参数。

所述的带通滤波片2的带通波段的选择基于光谱分析方法得到，具体的选择方法是：

(1)聚焦光路的搭建:聚焦光路包括光阑8，等离子体射流的强辐射光先经过光阑8后，再经过平凸透镜9的聚焦作用，耦合到光纤探头11中，光纤探头11由光纤转接板10固定；

(2)光谱采集装置的搭建：采用高分辨率的测量波段在可见光到近红外波段的光谱仪12作为光谱采集装置的分析仪器，利用光纤转接板10将光谱仪12和光纤探头11连接起来，第二计算机13作为光谱数据存储和显示装置；

(3)光谱的采集：YSZ和Al₂O₃两种不同的陶瓷粉末注入到喷枪6中，喷枪6在机器手的带动下沿着喷涂射流方向移动，光谱采集装置捕捉不同位置处的光谱图，第二计算机13显示并保存采集到的光谱图，通过第二计算机13中的光谱图的波段选择原则确定带通滤波片2的带通波段；

带通滤波片2的光谱图的波段的选择原则：

a.选择波段时，要避开等离子体自身及粒子表面蒸发的元素的线状光谱；

b.选择的波段范围要在可见光波段400-700nm范围内，同时尽可能靠近近红外波段；

c.选择单彩色CCD相机4芯片高量子效率值对应的光谱波段；

d.波段的半波带宽在50nm左右。

所述的一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)相机镜头3的调节：调节相机镜头3的焦距，聚焦到喷枪6的中心平面上；调节相机镜头3的光圈大小，使单个粒子轨迹能够在第一计算机5中显示出来；

(2)单彩色CCD相机4的调节：根据粒子在线监测界面显示的R和G通道强度大小和粒子飞行轨迹情况，调节单彩色CCD相机4的曝光时间；

(3)粒子轨迹图像处理：单彩色CCD相机4捕捉到飞行粒子轨迹图像后，需要提取有效粒子轨迹，图像处理的步骤是：

a.原始彩色RGB图像灰度化；

b.增强图像对比度；

c.灰度图像二值化；

d.分割图像；

e.图像中边界粒子轨迹的去除；

f.最小强度值法去除低信噪比和过聚焦的粒子轨迹；

g.去除重叠粒子轨迹，利用两种方法：

①最小宽度法：图像处理中，提取图像中单个粒子轨迹的最小值作为最小宽度法的基础，通过统计分析，去除宽度方向上重叠的粒子轨迹；

②长度阈值法：图像处理中，统计分析所有粒子轨迹长度的范围，去除长度方向上重叠的粒子轨迹；

(4)粒子参数在线显示：粒子轨迹图像处理后，得到单帧图像中有效的粒子轨迹，提取有效粒子轨迹上单个像素点的R和G通道强度值，利用R/G彩色式比色测温法得到单个像素点的温度值，对单个粒子轨迹上所有像素点的温度取平均得到平均温度；提取粒子轨迹的飞行方向的长度，结合曝光时间，求得单个粒子飞行的平均速度；根据粒子轨迹的宽度，求得单个粒子的直径大小。

本发明的有益效果为：

(1)利用R/G彩色式比色测温方法搭建的粒子参数在线测量装置，可以利用单光路进行粒子参数的测量，不仅装置结构简单，还能够降低发射率引入的误差，提高高温范围内温度测量准确度。

(2)带通滤波片2的带通波段的选择过程中，聚焦光路的搭建能够限制光谱采集区域的大小，防止等离子体电弧源的辐射的光谱的干扰，准确地获得对应采集区域的辐射的光谱信息，利于光谱分析。

(3)光谱图波段的选择原则能够确定带通滤波片2的带通波段，避免等离子体射流中非热辐射源的干扰，扩大测温范围，适用于所有喷涂粒子的温度的测量。

(4)粒子轨迹图像处理步骤能够获得单帧图像中有效的粒子轨迹，去除信噪比过低、过聚焦和重叠的粒子轨迹，提高图像处理速度，便于在线显示粒子的参数信息。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是选择带通滤波片2的聚焦光路示意图。

图3是选择带通滤波片2的光谱采集装置示意图。

图4是实施例采集到的一帧喷涂粒子轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置，包括喷枪6，喷枪6喷涂高温飞行粒子到基片7上，由等离子体射流中单个飞行的高温粒子发出的热辐射经热窗口片1后，依次通过带通滤波片2、相机镜头3，成像到单彩色CCD相机4的芯片上，高温粒子自身的热辐射经过带通滤波片2，将等离子体射流中高强度的等离子体自身及粒子表面蒸发的元素的线状光谱滤除后由相机镜头3聚焦到单彩色CCD相机4的芯片上，得到带通滤波片2波段范围的粒子的飞行的轨迹，单彩色CCD相机4与第一计算机5连接，在线监测粒子参数。

所述的带通滤波片2的带通波段的选择基于光谱分析方法得到，具体的选择方法是：

(1)聚焦光路的搭建：为了限制光谱采集区域的大小，使得等离子体射流对应区域的光谱信息不受到等离子体电弧源处的干扰，搭建聚焦光路。参照图2，聚焦光路包括光阑8，等离子体射流的强辐射光经过光阑8后，经过平凸透镜9的聚焦作用，耦合到光纤探头11中，光纤探头11由光纤转接板10固定；

(2)光谱采集装置的搭建：参照图3，高分辨率的光谱测量波段在可见光到近红外波段的光谱仪12作为光谱采集装置的分析仪器，利用光纤转接板10将光谱仪12和光纤探头11连接起来，第二计算机13作为光谱数据存储和显示装置，组成了光谱采集装置，实现对等离子体射流的辐射光的光谱分析；

(3)光谱图的采集：参照图3，YSZ和Al₂O₃两种不同的陶瓷粉末注入到喷枪6中，喷枪6喷涂高温粒子到基片7上，喷涂过程中，喷枪6在机器手的带动下沿着喷涂射流方向移动，光谱采集装置捕捉不同位置处的光谱图，第二计算机13显示并保存采集到的光谱图，通过第二计算机13中的光谱图的波段选择原则确定带通滤波片2的带通波段；

带通滤波片2的光谱图的波段的选择原则：

a.选择波段时要避开等离子体自身及粒子表面蒸发元素的线状光谱，等离子体自身及粒子表面蒸发元素的光谱形状以线状光谱形式存在，粒子参数在线测量装置直接捕捉飞行粒子轨迹测温时，会影响温度测量的准确性，选择波段时要避开线状光谱波段；

b.选择的波段范围要在可见光波段400-700nm范围内，同时尽可能靠近近红外波段，待测量的飞行粒子的温度往往低于3000K，由维恩位移定律可知，峰值波长均高于966nm,为了扩大装置的测温范围，选择带通滤波片2的带通波段靠近近红外波段；同时，采用R/G彩色比色式测温法时，单彩色CCD相机4要捕捉飞行粒子轨迹的彩色图像，因此选择的波段范围要在可见光波段400-700nm范围内，同时尽可能靠近近红外波段；

c.选择单彩色CCD相机4的芯片高量子效率值对应的光谱波段，单彩色CCD相机4的芯片的响应曲线在不同的波段范围内有不同的量子效率值，选取的带通滤波片的波段只有满足高量子效率时，才会有高光电子转化效率，提高测量的灵敏度同时，保证芯片的电荷存储空间能够最大化的利用，提高信噪比的大小；

d.半波带宽50nm左右，如果选择窄带宽，能够避免发射率的变化对测温的精确度的影响，降低线状光谱对测温的干扰，但是此时单彩色CCD相机4设置长曝光时间才能够保证有足够的光子入射，保证信噪比，长曝光时间会导致粒子轨迹的重合，图像处理时难以分割出单个粒子轨迹；如果选择宽带宽，则会引入发射率的误差。带宽50nm左右是合适的。

所述的一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)相机镜头3的调节：根据待测量的等离子体射流的宽度大小和安全的工作距离，调节相机镜头3的焦距，聚焦到喷枪6的中心平面上；调节相机镜头3的光圈大小，使单个粒子轨迹能够在第一计算机5中显示出来；

(2)单彩色CCD相机4的调节：根据粒子在线监测界面显示的R和G通道强度大小和粒子飞行轨迹情况，调节单彩色CCD相机4的曝光时间；

(3)粒子轨迹图像处理：单彩色CCD相机4捕捉到飞行粒子轨迹图像后，需要提取有效粒子轨迹，图像处理的步骤是：

a.原始彩色RGB图像灰度化；

b.增强图像对比度：提高图像对比度，将前景背景图像明显区分开，便于后续的图像分割；

c.灰度图像二值化；

d.分割图像中粒子轨迹；

e.图像中边界粒子轨迹的去除；

f.最小强度值法去除低信噪比和过聚焦的粒子轨迹；

g.去除重叠粒子轨迹利用两种方法：

①最小宽度法：图像处理中，提取图像中单个粒子轨迹的最小值作为最小宽度法的基础，通过统计分析，去除宽度方向上重叠的粒子轨迹；

②长度阈值法：图像处理中，统计分析所有粒子轨迹长度的范围，去除长度方向上重叠的粒子轨迹；

(4)粒子参数在线显示：粒子轨迹图像处理后，得到有效的粒子轨迹，提取粒子轨迹上单个像素点的RG强度值，利用R/G彩色式比色测温法得到单个像素点的温度值，对单个粒子轨迹所有像素点的温度取平均得到平均温度；提取粒子轨迹的飞行方向的长度，结合曝光时间，求得单个粒子飞行的平均速度；根据粒子轨迹的宽度，求得单个粒子的直径大小，采集到的一帧喷涂粒子轨迹图如图4所示。