一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统及方法

1.本发明属于光学测温领域，涉及一种静态温度标定方法，尤其是一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统及方法。


背景技术：

2.航空发动机是一种在高转速、高负荷和高温环境下的叶轮机械，其结构复杂，零部件数量众多。随着推重比的提升需求，对航空发动机性能提出了更高要求，提高涡轮前温度成为主要解决思路，而该技术的发展需要使用更优秀的气动力学设计、更优秀的材料及工艺。与此同时，这也对关于热端部件的检测技术提出了很高的要求。航空发动机热端部件长期工作在高温高压的极端环境下极易发生裂纹、热蚀、疲劳等严重故障问题，已经成为限制发动机寿命的主要部件。其中，高压涡轮转子件是工作条件最恶劣的部件，也是发动机最核心的做功部件，是航空发动机定寿的关键件之一。涡轮转子叶片复杂的工况，是航空发动机热端部件面临的最大检测难题，尤其是是如何解决温度场及应力场检测问题。
3.由于工作在高温、高压、高振动、高转速、气动载荷大的恶劣工况，热端部件的工作状态/健康状态无法直接检测，必须借助于其他方式间接检测，即通过检测热端部件的应变场、温度场等多物理场耦合信息，再对多物理场耦合的信息进行解耦，排除热冲击载荷、气动载荷等影响，间接推算出热端部件结构自身的疲劳损伤情况，从而对服役寿命进行预测。
4.对于热端部件的温度场检测而言，所研发的高温传感器/仪器是新的技术手段，采用的测量原理和数据处理方式与现有技术手段不同，必须经过校准，才能获得令人信服的测量结果，而现有的校准方式并非针对此种传感器，不能直接使用，因此必须解决校准的问题。同时，目前用于进行温度传感器校准的系统大多为高温炉，加热速度慢，且需要在封闭环境下加热，非接触式温度传感器的组件无法置于炉中承受高温，因此很难进行测量。
5.综上所述，需要通过对标定理论的研究分析开发一套可进行温度标定的感应加热装置来检验所研发的非接触式高温温度场传感器的性能并确保其精度达到相关指标，该校准系统能提供项目要求的温度范围，同时其本身的控温能力应满足一定的精度要求，完成光学测温探头的标定工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有非接触式高温传感器标定系统加热慢，效率低，无法进行非接触式测量的问题，提供一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统及方法。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，包括：
9.感应加热装置，所述感应加热装置上设置有用于对标准件进行加热的加热线圈；
10.保温腔，所述保温腔设置在加热线圈的外侧，能够将标准件和加热线圈包围，形成加热空间；
11.测温装置，所述测温装置包括接触式温度传感器和非接触式温度传感器，所述接触式温度传感器设置在标准件的表面，非接触式温度传感器用于测量标准件局部区域的温度数值，与接触式温度传感器的数据进行对比分析，实现非接触式温度传感器的标定。
12.上述系统的进一步改进在于：
13.所述标准件通过高温夹具固定。
14.所述非接触式温度传感器设置于正对标准件的位置，并与标准件之间留有间隙。
15.所述接触式温度传感器包括标准热电偶和薄膜热电偶，标准热电偶和薄膜热电偶均安装在标准件的表面，且均为已经经过计量的温度传感器。
16.所述标准件和非接触式温度传感器之间设置有密度场装置，用于改变标准件和非接触式温度传感器之间的气体密度。
17.所述标准件为哑铃形状，中间测量区域平行长度为80mm，宽30mm，厚4mm，总长度280mm，结构尺寸满足gb/t 228.1-2010国家标准。
18.所述高温夹具采用陶瓷材料制成。
19.所述保温腔采用石墨材料制成。
20.所述保温腔上开设有用于非接触式温度传感器对标准件进行测量的开口。
21.一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的方法，包括以下步骤：
22.启动感应加热装置，对标准件加载温度载荷，使其达到相应的温度并处于稳定状态，利用标准件表面的接触式温度传感器测得温度值，与待标定的非接触式温度传感器测得的数据进行对比，分析其线性度、灵敏度、重复性和迟滞性的静态特性指标，完成温度传感器的标定工作；
23.通过调节密度场装置改变标准件和非接触式温度传感器之间气体的密度，来测试气体密度对非接触式温度传感器精度的影响。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明替代传统的电阻加热方法，并采用自行设计的耐高温陶瓷夹具，能够进行1400℃及以下的高温实验，完成非接触式温度传感器的标定工作，相较于市场上的以高温炉作为温度加载平台的高温加热设备，具有加热速度快、效率高等优点。本发明方案合理，系统结构简单，易于实现，能够实现1400℃及以下高温环境的非接触式温度传感器的标定，且有着较高的标定精度。
26.进一步的，本发明高温夹具由高温结构陶瓷制成，具有较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，在1400℃左右也能保证一定的强度；鉴于陶瓷材料难以进行机械加工的特性，将夹具分成形状结构简单的两个组件，通过形状配合组装到一起，在安装时施加一定的拉力预紧力，便可以起到夹持作用。
27.进一步的，本发明感应加热装置拥有精准的温度控制系统，可通过红外测温仪和标准热电偶等高精度温度传感器测量标准件温度实现反馈，根据实际温度与设定温度的温差控制功率大小，在1400℃时可以实现
±
1℃的精度大小；同时，温度控制系统还支持自校准功能，在每次使用高温拉伸系统之前进行自校准，可以排除环境因素的干扰，进一步提高标定精度。
28.进一步的，本发明保温腔采用石墨材料制成，石墨也可以进行感应加热，相比于单纯的莫来石等隔温材料，能够提高加热效率，提高周围环境温度，进而减小标准件表面的温
差，提高高温拉伸系统的标定精度。
29.进一步的，本发明密度场装置可以改变非接触式温度传感器和待测区域之间的气体密度大小，非接触式温度传感器基于光学原理制成，气体密度可能导致折射率发生变化，进而影响传感器的精度，此装置可以深入探究待标定传感器的性能水平，提高标定结果的可靠性。
附图说明
30.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1为本发明的斜二测结构示意图；
32.图2为本发明无保温腔时的斜二测结构示意图；
33.图3为本发明的正视剖面结构示意图；
34.其中，1-标准件，2-高温夹具，3-感应加热装置，4-加热线圈，5-保温腔，6-标准热电偶，7-薄膜热电偶，8-非接触式温度传感器，9-密度场装置。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中
间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
42.参见图1和2，本发明实施例公开了一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，包括标准件1(高温合金)通过高温夹具2固定，同时标准件1位于感应加热装置3的加热线圈4的中间，可利用加热线圈4对标准件1进行快速加热至所需温度，保温腔5将标准件1和加热线圈4包围起来形成近似密闭空间；如图3所示，标准件1的表面安装标准热电偶6、薄膜热电偶7等已经过计量的接触式温度传感器对标准件的温度数据进行测量；基于多光谱测温原理的光学探头8在距标准件一定距离处测量标准件局部区域的温度数值，与接触式温度传感器的数据进行对比分析，实现非接触式温度传感器的标定工作；除此之外，密度场装置9位于标准件1和非接触式温度传感器8之间，可以通过改变气体的密度探究密度场对基于光学原理的非接触式温度传感器精度的影响。
43.标准件1采用航空发动机涡轮叶片的实际材料，形状为哑铃型，中间测量区域平行长度为80mm，宽30mm，厚4mm，总长度280mm，结构尺寸满足gb/t 228.1-2010国家标准。
44.高温夹具2采用陶瓷材料制成，具有优良的耐高温性能，在1400℃左右也能保证一定的强度。
45.感应加热装置3利用电磁感应原理，感应加热电源产生的交变电流通过加热线圈4产生交变磁场，具有导磁性的标准件1内部产生涡流，从而起到加热的效果，本感应加热装置3的电流频率为60khz左右，相较于传统的电阻式加热，感应加热具有加热速度快、可以对特定区域进行局部加热的优点。
46.保温腔5采用石墨材料制成，石墨材料具有导磁性，可进行感应加热，提高标准件周围环境温度并形成近似密闭空间，使得标准件表面的温度分布更加均匀、减小温差，有利于提高传感器的标定精度；同时，非接触式温度传感器安装在在保温腔5外一定距离处的工装夹具上，保温腔5留有专门用于非接触式温度传感器对标准件进行测量的开口。
47.在标准件1表面安装一系列已经过计量的接触式温度传感器对其表面的温度状态进行监测，上述传感器均可在1400℃以下的高温环境正常工作，且精度较高，满足标定要求。
48.非接触式温度传感器8是基于多光谱测温原理研制而成；如将该传感器换成非接触式温度/应变传感器，当标准件在高温环境下进行拉伸时，可通过热力解耦算法分别得到其温度和应变数据，实现高温下的应变标定。
49.本发明还公开了一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的方法，包括以下步骤：
50.在进行传感器的静态标定时，标准件1表面有通过mems工艺集成的薄膜热电偶7，利用高温夹具2夹持标准件1并施加一定的预紧力，然后安装标准热电偶6使其热结点接触标准件表面进行测温。启动感应加热装置3，对标准件1加载温度载荷，使其达到相应的温度并处于稳定状态，利用其表面的接触式温度传感器测得温度值，与待标定的非接触式温度传感器测得的数据进行对比，分析其线性度、灵敏度、重复性和迟滞性等静态特性指标，完成温度传感器的标定工作。除此之外，通过调节密度场装置9改变标准件1和非接触式温度传感器8之间气体的密度来探究气体密度对基于光学原理的非接触式温度传感器精度的影
响，如无影响，则可扩大温度传感器的应用范围。
51.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，包括：感应加热装置(3)，所述感应加热装置(3)上设置有用于对标准件(1)进行加热的加热线圈(4)；保温腔(5)，所述保温腔(5)设置在加热线圈(4)的外侧，能够将标准件(1)和加热线圈(4)包围，形成加热空间；测温装置，所述测温装置包括接触式温度传感器和非接触式温度传感器(8)，所述接触式温度传感器设置在标准件(1)的表面，非接触式温度传感器(8)用于测量标准件(1)局部区域的温度数值，与接触式温度传感器的数据进行对比分析，实现非接触式温度传感器的标定。2.根据权利要求1所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述标准件(1)通过高温夹具(2)固定。3.根据权利要求1所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述非接触式温度传感器(8)设置于正对标准件(1)的位置，并与标准件(1)之间留有间隙。4.根据权利要求3所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述接触式温度传感器包括标准热电偶(6)和薄膜热电偶(7)，标准热电偶(6)和薄膜热电偶(7)均安装在标准件(1)的表面，且均为已经经过计量的温度传感器。5.根据权利要求1所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述标准件(1)和非接触式温度传感器(8)之间设置有密度场装置(9)，用于改变标准件(1)和非接触式温度传感器(8)之间的气体密度。6.根据权利要求1-5任一项所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述标准件(1)为哑铃形状，中间测量区域平行长度为80mm，宽30mm，厚4mm，总长度280mm，结构尺寸满足gb/t 228.1-2010国家标准。7.根据权利要求1-5任一项所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述高温夹具(2)采用陶瓷材料制成。8.根据权利要求1-5任一项所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述保温腔(5)采用石墨材料制成。9.根据权利要求1-5任一项所述的用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统，其特征在于，所述保温腔(5)上开设有用于非接触式温度传感器(8)对标准件(1)进行测量的开口。10.一种采用权利要求1-9任一项所述系统的用于对光学测温探头进行静态温度标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：启动感应加热装置(3)，对标准件(1)加载温度载荷，使其达到相应的温度并处于稳定状态，利用标准件(1)表面的接触式温度传感器测得温度值，与待标定的非接触式温度传感器(8)测得的数据进行对比，分析其线性度、灵敏度、重复性和迟滞性的静态特性指标，完成温度传感器的标定工作；通过调节密度场装置(9)改变标准件(1)和非接触式温度传感器(8)之间气体的密度，来测试气体密度对非接触式温度传感器(8)精度的影响。

技术总结
本发明公开了一种用于对光学测温探头进行静态温度标定的系统及方法，包括：感应加热装置、保温腔和测温装置，感应加热装置上设置有用于对标准件进行加热的加热线圈；保温腔设置在加热线圈的外侧，能够将标准件和加热线圈包围，形成加热空间；测温装置包括接触式温度传感器和非接触式温度传感器，接触式温度传感器设置在标准件的表面，非接触式温度传感器用于测量标准件局部区域的温度数值，与接触式温度传感器的数据进行对比分析，实现非接触式温度传感器的标定。本发明采用自行设计的耐高温陶瓷夹具，能够进行1400℃及以下的高温实验，完成非接触式温度传感器的标定工作，具有加热速度快、效率高等优点。效率高等优点。效率高等优点。


技术研发人员：田边 李浩 张仲恺 刘兆钧 雷嘉明 李水敏 蔡荣富
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25