[發明專利]一種基于關聯成像的物體表面溫度分布測量方法與系統

在審

• 申請號: 202210444910.3
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114777931A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 曹章;徐立軍;李微卿;張宏宇;張萬鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01J5/48
• 分類號: G01J5/48;G01J5/60;G01J5/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種基于關聯成像的物體表面溫度分布測量方法與系統。系統包括待測對象、數字微鏡陣列DMD及其控制模塊、不同中心波長的光學濾波片、雙通道信號采集系統、光電探測器和FPGA等；待測對象發出的光輻射通過DMD反射，DMD再按照一定的規律翻轉，兩束反射光通過兩個中心波長不同的光學濾波片后被光電探測器接收到并轉換為電信號輸出，利用雙通道信號采集模塊對光強數據進行采集并導入FPGA中，再基于關聯成像原理和比色法測溫原理利用FPGA實時解算出待測對象的溫度分布。本發明利用DMD兩個方向同時探測獲取待測對象兩個波長的輻射光譜，進而利用FPGA獲得溫度分布，具有集成度高、響應迅速的特點，在表面溫度測量領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于關聯成像的物體表面溫度分布測量方法與系統，屬于被動關聯成像測溫技術領域。

背景技術

但是隨著工業化的逐步推進，工業的轉型升級成為必然，但意味著利用更少的能源，生產出更高質量的工業產品，并同時降低對環境的污染。為了更好地控制工業過程，需要實時監測能反映其進行情況的參數，其中，最重要就是反應過程的溫度信息。

以熱電偶測溫為代表的傳統測溫方法對待測物體表面有損傷性，并且在高溫高壓、強腐蝕性等惡劣環境下測量精度急劇降低。2021年Webster E等人發表在《計量學》(METROLOGIA)第58卷第2頁的論文《常用的熱電偶參考函數綜述》(A critical review ofthe common thermocouple reference functions)回顧了熱電偶合金的發展，并將其與現代熱電偶合金和新的測試方法進行了對比，總結了熱電偶的主要劣勢，除了高溫下材料的鈍化情況外，其成分的微小變化也可能會影響可逆的晶體學排序效應，在惡劣情況下會導致測溫結果的截然不同。2018年Khatri等人在《傳感器和執行器A：物理》(Sensors andActuators A: Physical)第280卷第188頁的論文《基于薄膜熱電偶和熱堆元件的批量生產兼容的多功能熱敏傳感器》(A batch fabrication-compatible multifunctionalthermal sensor based on thin film thermocouple and thermopile elements)提出了一種以耐火材料鎢和鉬作為薄膜熱電偶組分，氧化鎂作為保護涂層的能用于固體表面溫度測量的高溫多功能熱傳感器，該傳感器能夠使用行業標準的微細加工技術批量生產。薄膜熱電偶和熱電堆功能設計用于同時提供表面溫度和表面熱流數據。薄膜熱電偶具有結構尺寸薄、響應速度快等優點，但存在引線連接困難，熱電特性一致性較差的問題。1999年BhattHD等人在《固體薄膜》(THIN SOLID FILMS) 第342卷第1-2期第214-220頁發表的論文《薄膜TiC/TaC熱電偶》(Thin film TiC/TaC thermocouples)設計了并制造了一種沉積了TiC/TaC的熱電偶薄膜，發現了該類型薄膜熱電偶的各方面性能和沉積工藝中的參數有關，并通過優化沉積工藝增強了薄膜熱電偶的整體性能，利用該薄膜熱電偶在真空條件下進行了表面溫度的測量，發現其最高可準確測溫的上限達到1350K，這種熱電偶在穩定的溫度范圍內能夠產生可重復的輸出，并在真空或惰性氣氛下的高溫薄膜溫度傳感器應用中具有極好的潛力。2013年Ian M.Tougas等人在《電氣與電子工程師學會期刊》(Institute ofElectrical and Electronics Engineers)發表的論文《金屬和陶瓷薄膜熱電偶燃氣渦輪發動機應用》(Metallic and ceramic thin film thermocouples for gas turbineengine application)中為了研究高溫下燃氣渦輪發動機中的各個部件的表面溫度，研究了一些基于鉑、鈀、氮氧化銦、氮氧化銦錫及其氧化物對應物的薄膜熱電偶，并證明它們比在這些高溫氧化環境中運行的傳統S型和K型薄膜熱電偶更穩定，并且該型薄膜熱電偶表現出顯著的穩定性，具有與在相同溫度范圍內工作的線性熱電偶相似的漂移率。2021年 Xu等人在《航空發動機》(Aeroengine)第47卷第91頁發表的論文《航空發動機渦輪葉片涂層熱電偶測溫技術》(Coating Thermocouple Measurement Technique of Aeroengine TurbineBlade Temperature)設計了一種與渦輪葉片一體化集成的涂層熱電偶傳感器，并利用熱噴涂技術進行了傳感器試制，并用其進行了渦輪葉片的表面溫度測量。發現該薄膜材料的噴涂厚度以及均勻程度等因素會影響到最終測量的精度，該方法是一種新型的熱電偶測表面溫度手段，雖然能夠用于傳統熱電偶是其技術發展的并不成熟，其使用環境非常有限。