本發(fā)明涉及工程材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

高溫合金及復(fù)合材料由于其良好的力學(xué)特性和抗高溫性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、核能等領(lǐng)域。特別在航空高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)材料中，飛行器外形承受的氣動(dòng)熱隨著飛行器速度的增加而增大，在超高聲速飛行情況下，飛行器表面的結(jié)構(gòu)材料被由于氣動(dòng)燒蝕發(fā)生氧化。通常為了模擬飛行器高空高超速飛行環(huán)境，采用高溫模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)材料的耐高溫性能進(jìn)行測(cè)試，其中一類重要的模擬手段即是通過(guò)高溫風(fēng)洞對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核。對(duì)于高溫合金及復(fù)合材料高溫風(fēng)洞中的燒蝕氧化，現(xiàn)有方法大多是通過(guò)對(duì)比材料燒蝕前和燒蝕后形態(tài)，記錄材料最終經(jīng)過(guò)高溫風(fēng)洞燒蝕之后的狀態(tài)，獲得燒蝕量和材料組分變化情況。對(duì)于材料在燒蝕過(guò)程中的變化情況，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取整個(gè)燒蝕過(guò)程中的材料組分動(dòng)態(tài)變化信息。

高溫風(fēng)洞模擬高超聲速飛行器飛行服役環(huán)境為飛行器結(jié)構(gòu)及材料提供了理想的測(cè)試環(huán)境，現(xiàn)有高溫風(fēng)洞通常為燃?xì)怙L(fēng)洞和電弧風(fēng)洞。高光譜成像技術(shù)是一種將光譜分析與光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合的新型成像技術(shù)，可通過(guò)物體不同組分對(duì)不同光譜的吸收特性實(shí)現(xiàn)材料組分分析。但材料在高溫風(fēng)洞的燒蝕過(guò)程中，材料表面高溫輻射光對(duì)輻射光譜會(huì)有影響，使得不能準(zhǔn)確測(cè)量材料在高溫風(fēng)洞中燒蝕過(guò)程化學(xué)組分變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，對(duì)被測(cè)材料在燒蝕過(guò)程中生成氧化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以測(cè)得被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度分布，再利用高光譜技術(shù)測(cè)定材料組分變化時(shí)去除被測(cè)材料本身燒蝕過(guò)程中輻射光的干擾。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置。

本發(fā)明的高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置包括：高溫風(fēng)洞、高光譜相機(jī)、紅外測(cè)溫儀和圖像處理單元；其中，被測(cè)材料置于高溫風(fēng)洞中進(jìn)行高溫?zé)g；高溫風(fēng)洞的側(cè)壁上設(shè)置有密封的透明的觀察窗口；高光譜相機(jī)和紅外測(cè)溫儀通過(guò)同步線連接，并且二者連接至圖像處理單元；高光譜相機(jī)透過(guò)高溫風(fēng)洞側(cè)壁上的觀察窗口對(duì)被測(cè)材料的表面進(jìn)行拍攝，得到高光譜圖像，高光譜圖像包括一系列多張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，并傳輸至圖像處理單元；紅外測(cè)溫儀透過(guò)觀察窗口對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面，得到被測(cè)材料表面的一個(gè)點(diǎn)的溫度，作為基準(zhǔn)溫度，并傳輸至圖像處理單元；圖像處理單元選取兩張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，計(jì)算對(duì)應(yīng)的相同點(diǎn)的亮度比色值，基于紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度；圖像處理單元利用被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度對(duì)高光譜圖像進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，利用溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料燒蝕過(guò)程中氧化實(shí)時(shí)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

高光譜成像技術(shù)是一種將光譜分析與光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合的新型成像技術(shù)，可通過(guò)物體不同組分對(duì)不同光譜的吸收特性實(shí)現(xiàn)材料組分分析。根據(jù)普朗克輻射定律，隨著物體溫度的升高，其表面熱輻射也隨之增加，而且不同波段的輻射相對(duì)值也發(fā)生變化，所以在高溫下根據(jù)物體的光譜圖像分析化學(xué)組分變化，需要去除溫度變化引起的輻射變化。因此，本發(fā)明利用高光譜圖像定量分析材料化學(xué)組分變化，同步獲取材料表面溫度分布，利用被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度對(duì)高光譜圖像進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，去除溫度變化引起的輻射變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料在高溫風(fēng)洞中燒蝕過(guò)程中生成氧化物進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

高溫風(fēng)洞采用燃?xì)怙L(fēng)洞或電弧風(fēng)洞。

高光譜相機(jī)拍攝得到高光譜圖像傳輸至圖像處理單元，高光譜圖像包括一系列多張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，光譜范圍在400nm～1700nm之間。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕的測(cè)量方法。

本發(fā)明的高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕的測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)被測(cè)材料置于高溫風(fēng)洞中，開(kāi)啟高溫風(fēng)洞對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行燒蝕；

2)將高光譜相機(jī)透過(guò)高溫風(fēng)洞側(cè)壁上的觀察窗口對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面進(jìn)行拍攝，得到高光譜圖像，高光譜圖像包括一系列多張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，并傳輸至圖像處理單元；

3)紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面，得到被測(cè)材料表面的一個(gè)點(diǎn)的溫度，作為基準(zhǔn)溫度，并傳輸至圖像處理單元；

4)圖像處理單元選取兩張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，計(jì)算對(duì)應(yīng)的相同點(diǎn)的亮度比色值，基于紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度；

5)通過(guò)高光譜圖像得到被測(cè)材料光譜，通過(guò)被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度得到被測(cè)材料的高溫輻射光譜，圖像處理單元利用被測(cè)材料的高溫輻射光譜對(duì)被測(cè)材料光譜進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，利用溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料燒蝕過(guò)程中氧化實(shí)時(shí)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

其中，在步驟4)中，計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度，公式為：

其中，為被測(cè)材料的紅外測(cè)溫儀標(biāo)定點(diǎn)的圖像像素點(diǎn)在兩個(gè)不同光譜波段的亮度比色值，為高光譜相機(jī)的拍攝的被測(cè)材料上一點(diǎn)的圖像像素點(diǎn)在兩個(gè)不同光譜波段的亮度比色值，λ₁和λ₂分別為選取的兩個(gè)不同光譜波段的被測(cè)物體加熱時(shí)發(fā)射的波長(zhǎng)，T_o為紅外測(cè)溫儀標(biāo)定點(diǎn)溫度，通過(guò)公式逐點(diǎn)遍歷計(jì)算被測(cè)材料的圖像像素點(diǎn)，即可得到被測(cè)材料的表面溫度T，獲得被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度分布。

在步驟5)中，圖像處理單元利用被測(cè)材料的高溫輻射光譜對(duì)被測(cè)材料光譜進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，采用如下公式：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ)

其中，ρ(λ)為通過(guò)高光譜相機(jī)測(cè)得的被測(cè)材料光譜，ρ_T(λ)為被測(cè)材料的高溫輻射光譜，ρ'(λ)為進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜，λ為輻射光波長(zhǎng)。

在步驟5)中，利用溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析具體包括：采用溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜，根據(jù)不同化學(xué)組分的材料的光譜特性，與得到的被測(cè)材料光譜進(jìn)行比對(duì)，得到被測(cè)材料的化學(xué)組分及隨時(shí)間的變化，分析得到被測(cè)材料的表面氧化情況。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用高光譜相機(jī)拍攝得到被測(cè)材料的高光譜圖像，紅外測(cè)溫儀得到被測(cè)材料表面的一個(gè)基準(zhǔn)溫度；選取兩張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，計(jì)算對(duì)應(yīng)的相同點(diǎn)的亮度比色值，基于紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度，對(duì)高光譜圖像進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，然后對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料燒蝕過(guò)程中氧化實(shí)時(shí)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；本發(fā)明在高溫風(fēng)洞環(huán)境下燒蝕過(guò)程中氧化等化學(xué)組分變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且同步得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度分布，再利用高光譜技術(shù)測(cè)量被測(cè)材料氧化時(shí)去除溫度變化帶來(lái)的輻射影響。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕測(cè)量裝置包括：高溫風(fēng)洞1、高光譜相機(jī)3、紅外測(cè)溫儀4和圖像處理單5元；其中，被測(cè)材料6置于高溫風(fēng)洞1中進(jìn)行高溫?zé)g；高溫風(fēng)洞的側(cè)壁上設(shè)置有密封的透明的觀察窗口2；高光譜相機(jī)3和紅外測(cè)溫儀4通過(guò)同步線連接，并且二者連接至圖像處理單元5；高光譜相機(jī)3透過(guò)高溫風(fēng)洞側(cè)壁上的觀察窗口2對(duì)被測(cè)材料6的表面進(jìn)行拍攝；紅外測(cè)溫儀4透過(guò)觀察窗口2對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料6的表面。

在本實(shí)施例中，高溫風(fēng)洞1采用30MW電弧風(fēng)洞，高光譜相機(jī)3光譜范圍在400nm～1700nm之間；被測(cè)材料為C/SiC復(fù)合材料，尺寸為50mm×50mm×10mm。

被測(cè)材料在燒蝕過(guò)程中，發(fā)生氧化等一系列化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生化學(xué)組分改變。利用被測(cè)材料的不同組分光譜曲線的差異，采用高光譜相機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)探測(cè)被測(cè)材料在燒蝕過(guò)程中氧化生成氧化物的過(guò)程，從而分析得到被測(cè)材料的化學(xué)組分。高光譜成像技術(shù)在從紫外到近紅外的光譜范圍內(nèi)，利用高光譜相機(jī)在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光譜波段對(duì)目標(biāo)物體連續(xù)成像，在獲得被測(cè)材料的空間特征成像同時(shí)，也獲得被測(cè)材料的光譜信息。另外，根據(jù)普朗克輻射定律物體向外發(fā)出的熱輻射光強(qiáng)度E：

式(1)中熱輻射光強(qiáng)度E(λ,T)為波長(zhǎng)λ和溫度T的函數(shù)，ε(λ,T)為被測(cè)材料的發(fā)射率，C₁和C₂分別為第一和第二普朗克常數(shù)。式(1)表明物體的輻射光譜隨溫度的變化而改變，所以在利用高光譜成像技術(shù)對(duì)燒蝕材料各組分進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需要考慮溫度變化對(duì)高光譜成像的影響。在高光譜相機(jī)拍攝得到的各個(gè)光譜波段的圖像中，選擇兩個(gè)光譜波段的圖像，根據(jù)比色法可以得到被測(cè)材料的表面溫度分布：

其中，ε(λ_R,T)和ε(λ_G,T)分別為物體紅光波段和綠光波段發(fā)射率，C₂為第二輻射常數(shù)C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R為被測(cè)材料加熱時(shí)發(fā)射的紅光波長(zhǎng)，λ_G為被測(cè)材料加熱時(shí)發(fā)射的綠光波長(zhǎng)，B_RG為高光譜相機(jī)采集的被測(cè)材料上的圖像像素點(diǎn)紅光波段的亮度與綠光波段的亮度比色值，為高光譜相機(jī)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)響應(yīng)函數(shù)，A_R和A_G分別為紅光和綠光的相機(jī)光敏單元輸出電流和圖像灰度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，U_R和U_G分別為紅光和綠光的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，t_R和t_G分別為紅光和綠光的曝光時(shí)間，和分別為紅光和綠光的光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，A_R、A_G、U_R、U_G、t_R、t_G、和均為常數(shù)。

本發(fā)明基于改進(jìn)的比色法，以紅外測(cè)溫儀測(cè)量被測(cè)材料試件表面一個(gè)點(diǎn)的溫度作為基準(zhǔn)溫度，基于紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，在本實(shí)施例中，選取紅光波段的被測(cè)材料的圖像和綠光波段的被測(cè)材料的圖像計(jì)算亮度比色值，計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度，其測(cè)量公式為：

其中，B_RGo為被測(cè)材料上紅外測(cè)溫儀標(biāo)定點(diǎn)的圖像像素點(diǎn)紅光波段的亮度與綠光波段的亮度比色值，T_o為紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，通過(guò)公式逐點(diǎn)遍歷計(jì)算被測(cè)材料表面圖像像素點(diǎn)，即可得到被測(cè)材料的表面溫度T，獲得試件表面全場(chǎng)溫度分布。利用被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度對(duì)高光譜圖像進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，利用修正后的圖像對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料燒蝕過(guò)程中氧化實(shí)時(shí)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。利用被測(cè)材料的高溫輻射光譜對(duì)被測(cè)材料光譜進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ) (4)

其中，ρ(λ)為高光譜相機(jī)測(cè)得的被測(cè)材料光譜，通過(guò)高光譜圖像得到被測(cè)材料光譜，ρ_T(λ)為被測(cè)材料的高溫輻射光譜，通過(guò)被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度得到被測(cè)材料的高溫輻射光譜，ρ'(λ)為進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜，λ為輻射光波長(zhǎng)。根據(jù)不同材料光譜特性，與得到的被測(cè)材料光譜進(jìn)行比對(duì)，得到被測(cè)材料的化學(xué)組分及隨時(shí)間的變化。

本實(shí)施例的高溫風(fēng)洞中材料氧化燒蝕的測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)被測(cè)材料置于高溫風(fēng)洞中，開(kāi)啟高溫風(fēng)洞對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行燒蝕；

2)將高光譜相機(jī)透過(guò)高溫風(fēng)洞側(cè)壁上的觀察窗口對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面進(jìn)行拍攝，得到高光譜圖像，高光譜圖像包括一系列多張不同光譜波段的被測(cè)材料的圖像，并傳輸至圖像處理單元；

3)紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面，得到被測(cè)材料表面的一個(gè)點(diǎn)的溫度，作為基準(zhǔn)溫度，并傳輸至圖像處理單元；

4)圖像處理單元分別選取兩張紅光波段和綠光波段的被測(cè)材料的圖像，計(jì)算對(duì)應(yīng)的相同點(diǎn)的亮度比色值，基于紅外測(cè)溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，根據(jù)下式計(jì)算得到被測(cè)材料表面的全場(chǎng)溫度：

5)圖像處理單元利用被測(cè)材料的高溫輻射光譜對(duì)被測(cè)材料光譜進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，利用溫度補(bǔ)償修正后的被測(cè)材料光譜對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行化學(xué)成分分析：

ρ'(λ)＝ρ(λ)-ρ_T(λ)

根據(jù)不同化學(xué)組分的光譜曲線差異，分析得到被測(cè)材料的表面氧化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料燒蝕過(guò)程中氧化實(shí)時(shí)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。