基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法与流程

本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法，将电阻抗成像技术与电阻率随温度变化关系相结合，实时测量航空发动机高温部件的温度分布。

背景技术：

随着航空发动机性能的不断提高，燃气温度及涡轮进口温度也在不断提高。航空发动机的寿命取决于热端部件的寿命，而为准确预测高温部件的寿命并验证发动机设计的可靠性，必然需要测量热端部件的温度分布。但是，在复杂的高温恶劣环境下，高温部件的温度测量存在较大的技术难度，现有的温度测量技术均存在一定的局限性。

温度测试方法主要可分为接触法和非接触法。在接触式测温法中，示温漆测温法在航空发动机测温中应用广泛。示温涂层在温度升高时发生物理或化学变化，引起表面颜色变化，借以指示温度分布。示温漆测温法使用方便、测温范围广，是一种非干涉测试方法(见徐凤花.示温漆技术在航空发动机高温部件表面温度测试上的应用研究[d].电子科技大学.)。但由于示温漆涂料颜色变化不可逆，因此只能测量热端部件最高温度，无法实现实时监测；其次，需要拆卸叶片才能进行温度判读，无法开展原位监测；同时，其测温精度和分辨率低。对于非接触测温法，目前国内外应用最为广泛的是辐射测温法(见熊兵，min-jieh，陈洪敏，etal.辐射测温技术在涡轮叶片温度场中的应用[j].燃气涡轮试验与研究，2008，21(3).)。辐射测温法基于红外辐射理论测量表面温度，具有灵敏度高、可靠性强、无干扰等优点。但是，该方法的测温精度受辐射散失、空气中气体吸收及其他物体的反射辐射等因素影响，目前还无法实现涡轮叶片转动时的温度实时监测。

因此，有必要提供一种能够实时、在线、原位监测高温部件温度分布的温度测量方法，实现快速有效、经济可靠的温度测量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法，旨在解决高温场合温度测量难度大、难以实时测量等问题，本发明的方法可由电阻抗成像技术对陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的实时计算结果结合电阻率随温度变化关系，同步快速、准确地间接测量高温部件的温度分布。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；

步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，用于采集电极阵列所传导的电信号；

步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；

步骤4：确立电阻率随温度变化的函数关系；

步骤5：根据步骤4建立的电阻率随温度变化的函数关系式，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为温度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上温度分布的实时有效测量。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤1中，被测陶瓷基复合材料结构件为涡轮导向叶片，电极埋入高温部件内部边缘处，以避免附加干扰；热防护装置采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热。

进一步地，步骤4中，开展试验，同步测量高温环境下陶瓷基复合材料试件两端电阻值以及沿着试件长度方向不同位置处的温度值。

进一步地，步骤4中，在夹具的夹持下，长条状的试件穿过高温炉内腔，试件的两端对称地位于高温炉外壳外，高温炉内腔的内壁安装有保温砖；在距试件中心由近及远的五个位置处布置铠装式热电偶探头，热电偶探头与多路温度测试仪相连进行实时测温及存储，进而获得试件上温度与位置的对应关系；试件的两端与电阻测试仪相连，两端之间的电阻值由电阻测试仪实时测量及存储。

进一步地，步骤4中，由电阻-电阻率关系式推导得到电阻-温度关系式其中r表示测量电阻值，ρ表示电阻率，l和s分别表示试件长度及截面积，t为温度；ρ(t)为拟定的电阻率随温度变化的函数关系温度t与位置l的函数关系t(l)通过试验获得的曲线拟合得到；根据试验测量结果，联立不同时刻下的电阻-温度关系式，求解出拟定函数中的待定系数c1及c2，即可确立电阻率随温度变化的函数关系。

进一步地，步骤5中，温度分布与电阻率分布情况基于相同的高温薄板被测件二维有限元模型建立，并最终以图像的方式直观显示。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将电阻抗成像技术应用于高温部件的温度测量，解决了高温恶劣环境下温度难以直接测量的技术难题，提出了一种切实可行、可靠的新方法。

(2)本发明中电阻率随温度变化关系的建立方法简明易懂，更容易让工程人员接受和掌握，同时建立出的电阻率温度函数关系较为准确。

(3)本发明与现有温度测量技术相比，由于依托于实时的电阻抗成像系统以及可靠的电阻率温度试验关系，因而温度测量结果更加准确并具有实时性。

附图说明

图1是本发明测试方案整体示意图。

图2是本发明基于电阻抗成像技术实现陶瓷基复合材料高温部件温度测量原理示意图。

图3是本发明电阻及温度的试验测量装置示意图。

图4基于电阻抗成像技术的陶瓷基复合材料高温部件温度测量结果示意图。

附图标记如下：涡轮导向叶片1，电极阵列2、硬件系统3、计算机4、夹具5、试件6、高温炉外壳7、保温砖8、高温炉内腔9、热电偶探头10、温度测试仪11、电阻测试仪12。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法，包括电阻抗成像系统和结合电阻率随温度的变化关系进行陶瓷基复合材料高温部件温度实时测量的分析方法。

电阻抗成像系统由两部分组成，第一部分是位于测试端的用于多通道测试测量和电信号传导的硬件，第二部分是位于pc端的用于运算和成像、控制的软件。电阻抗成像系统的硬件部分主要包含多通道开关系统、精密直流电源、高精度数据采集系统及电极装置。电极装置具有一定的耐高温性能，能在高温环境中准确传导电信号。电阻抗成像系统的软件部分包含电阻率分布的计算、成像及对硬件的程序控制等主要功能。

陶瓷基复合材料高温部件温度实时测量的分析方法是利用陶瓷基复合材料电阻率随温度的变化关系将电阻抗成像系统计算得到的陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布结果转换为温度分布结果从而实现高温部件温度分布测量的一种方法。陶瓷基复合材料电阻率随温度变化的函数关系一般由试验获得的试件电阻值随温度变化的关系进一步计算得到。陶瓷基复合材料高温部件一般为薄板件，如涡轮导向叶片。

如图1、图2所示的基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：制作电极。围绕被测结构件如涡轮导向叶片1的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列2(即传感器阵列)；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置，例如采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热等手段。

步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统3。实现微小恒定电流的稳定传输、多通道切换以及微弱电压数据的精确采集。多通道测试测量硬件系统具有较高的测试稳定度和测量精度，以满足弱电信号的传输及采集。

步骤3：设计电阻抗实时成像软件。自主编译程序控制硬件，实现自动测试和测量；基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统3采集到的电压数据，自主编译程序实现电阻率分布的计算及成像。控制及计算程序统一集成到计算机4中的人机交互软件中。重建算法的计算速度应较高，以满足实时性的要求。

步骤4：确立电阻率随温度变化的函数关系。

开展试验，同步测量高温环境下陶瓷基复合材料试件两端电阻值以及沿着试件长度方向不同位置处的温度值。一种同步测量试件电阻值及温度值的试验装置如图3所示。在夹具5的夹持下，长条状陶瓷基复合材料试件6处于高温炉加热装置中。其中，7为高温炉外壳，8为保温砖，9为高温炉内腔。沿着试件长度方向温度分布不均匀，同时温度的分布具有对称性，因此在距试件中心由近及远的五个位置布置铠装式热电偶探头10，热电偶测试线与多路温度测试仪11相连进行实时测温及存储，进而获得试件上温度与位置的对应关系。同时，试件两端之间的电阻值由精密电阻测试仪12实时测量及存储。

由电阻-电阻率关系式推导得到电阻-温度关系式其中r表示测量电阻值，ρ表示电阻率，l和s分别表示试件长度及截面积，t为温度。ρ(t)为拟定的电阻率随温度变化的函数关系，例如温度t与位置l的函数关系t(l)通过上述试验获得的曲线拟合得到。根据试验测量结果，联立不同时刻下的电阻-温度关系式，求解出拟定函数中的待定系数c1及c2，即可确立电阻率随温度变化的函数关系。

步骤5：由电阻率分布计算结果获得温度分布情况。根据步骤4建立的电阻率随温度变化的函数关系式，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为温度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上温度分布的实时有效测量。获得的温度分布结果示意图如图4所示，颜色的不同显示了温度值的不同，其中深色区域为高温区域。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。