用于三维弯曲表面的红外测温修正方法、装置及系统

本发明属于航空测温，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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

1、本发明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。

2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

3、本发明首先提供一种三维弯曲表面的红外测温修正方法，包括：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、本发明还提供一种三维弯曲表面的红外测温修正装置，包括：

9、温度采集模块，用于获取高温下三维弯曲表面的温度数据；

10、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。

11、本发明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：

12、弯曲叶片，用于作为被测温物体以及提供背景辐射；

13、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；

14、陶瓷加热片，用于给三维弯曲叶片表面加热；

15、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；

16、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；

17、温度巡检仪，用于记录热电偶测量得到的温度；

18、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；

19、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；

20、旋流预混燃烧器：用于产生高温燃气，模拟高温燃气的环境；

21、烟气分析仪：用于测量高温燃气的组分和浓度；

22、压力传感器：用于测量高温燃气的压力；

23、以及

24、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。本发明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。

25、有益效果

26、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,ωd>、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。本发明普适性强，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。

技术特征：

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：

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：

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：

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：

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个发射率测量区域步骤中，叶片的表面类型根据磨碎及腐蚀程度划分。

6.根据权利要求5所述的三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，根据磨碎及腐蚀程度，将叶片表面分为至少三种表面类型，包括没有磨损和腐蚀的表面类型、磨损腐蚀重的表面类型及介于没有磨损和腐蚀的表面类型与磨损腐蚀重的表面类型之间的至少一种表面类型。

7.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，为高温背景叶片上的不同空间位置r′对测量叶片可视区域r微元间的角系数xr′,r，按照设定的弯曲叶片间距l(r,r′)和表面形状函数s(r)进行计算：

8.根据权利要求2所述的复三维弯曲表面的红外测温修正方法，其特征在于，按照设定的弯曲表面所处环境的燃气组分yi、浓度ci、压力p、温度tg计算获得高温燃气的影响系数μ，带入到修正模型进行温度修正，包括：

9.一种三维弯曲表面的红外测温修正装置，其特征在于，包括：

10.一种用于复杂背景下三维弯曲表面的红外测温修正系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明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。

技术研发人员：张彪,张天宇,吴嘉雯,李健,许传龙
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13