炮體表面瞬態(tài)溫度分布的散斑干涉測試研究

郎文杰, 陳國光，田曉麗，辛長范

1. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051 2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051

炮體表面瞬態(tài)溫度分布的散斑干涉測試研究

郎文杰1, 陳國光2，田曉麗2，辛長范2

1. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051 2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051

為了可以實(shí)現(xiàn)對炮體表面瞬態(tài)溫度分布變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)克服傳統(tǒng)瞬態(tài)高溫測試儀器單點(diǎn)探測以及熱慣性大等局限性，設(shè)計(jì)了基于散斑干涉與光譜頻域分析相結(jié)合的瞬態(tài)溫度分布測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用散斑干涉技術(shù)將炮體瞬態(tài)溫度變化引發(fā)的微小形變轉(zhuǎn)換成散斑干涉條紋，再由傅氏變換完成干涉條紋形變到光譜分布的函數(shù)轉(zhuǎn)換，從而通過光譜分布函數(shù)反演任意采樣時(shí)刻上的溫度分布。實(shí)驗(yàn)采用ZX-FB1型光纖測溫儀測試單點(diǎn)位置上瞬態(tài)溫度作為標(biāo)準(zhǔn)值，再由555 nm激光器與面陣CCD采集散斑干涉條紋，分別使用圖像識別法與傅氏變換法完成干涉條紋與瞬態(tài)溫度的算法匹配，從而反演瞬態(tài)溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種方法均能實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)溫度檢測，但基于傅氏變換頻譜分析的散斑干涉法精度更高，并且可以有效地克服由表面瑕疵、漆面磨損等問題造成的粗大誤差。

瞬態(tài)溫度分布； 散斑干涉技術(shù)； 頻譜分析； 傅氏變換

引 言

火箭彈是陸軍機(jī)械化武器中的重要組成部分，由于其具有殺傷力強(qiáng)、成本低、機(jī)動性高的特點(diǎn)而被廣泛使用，雖然精度低于制導(dǎo)武器，但隨著彈體結(jié)構(gòu)的不斷完善，使其打擊精度也在不斷地提升[1]。在彈體可靠性測試中主要包括彈體的材料力學(xué)特性、彈體飛行過程中空氣動力學(xué)特性以及抗干擾能力等。而對于彈體瞬態(tài)溫度場分布的研究對測試控制飛行姿勢、調(diào)整打擊精度具有重要意義[2]。

瞬態(tài)溫度場分布特性的測試被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如彈藥爆炸過程分析、炮管炮體溫度應(yīng)變特性、材料合成溫度變化特性分析等[3-4]。在傳統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場測試過程中，一般采用測溫網(wǎng)絡(luò)的方法，將大量的溫度傳感器至于被測表面或被測區(qū)域中，然后實(shí)時(shí)記錄每個(gè)位置上的溫度變化，通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各點(diǎn)位的溫度數(shù)據(jù)傳給處理器進(jìn)行分析。其中有熱電阻探測器、熱電偶探測器、數(shù)字溫度計(jì)以及光纖光柵探頭等[5-9]。不同的測溫探測器應(yīng)用略有不同，大部分主要適用于低溫測試，或者溫度緩變的條件，并且以上檢測方法均屬接觸式測溫方法，限制了其應(yīng)用范圍。

散斑干涉檢測技術(shù)是通過對被測物表面微小形變量的測定從而反演其瞬時(shí)溫度變化的一種非接觸式溫度檢測方法[10]，其被廣泛應(yīng)用于器件加工、材料合成測試、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面[11-12]。該技術(shù)是利用圖像采集與處理的手段將散斑干涉圖中反映被測表面形變的信息提取出來，再反演被測物溫度場瞬態(tài)變化的，具有非接觸、高實(shí)時(shí)性、高精度等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用散斑干涉技術(shù)結(jié)合傅氏變換獲取其光譜分布函數(shù)，對炮體瞬態(tài)溫度場分布進(jìn)行分析，相比單純采用散斑干涉與圖像識別的溫度測試方法具有更好的系統(tǒng)魯棒性。

1 溫度場分布測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于散斑干涉的瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)包括激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束鏡、CCD以及處理電路等組成，如圖1所示。激光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直到合理的光斑尺寸后進(jìn)入分光棱鏡，分為兩束后一束照射被測物表面，另一束通過補(bǔ)償鏡照射在反射鏡上，兩束光反射后再次進(jìn)入分束棱鏡后聚焦于CCD探測器上。在CCD上形成的散斑干涉條紋被采集并傳遞給處理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析后最終計(jì)算得到被測物的瞬態(tài)溫度信息。

1.1 理論分析

對于特定的被測物體而言，其溫度的改變量會引起物體發(fā)生形變，雖然溫度引起的形變量通常很小，但是由于采用散斑干涉技術(shù)，非常微弱的形變也會在其干涉圖樣中有所體現(xiàn)，故依據(jù)熱力學(xué)定律可知，設(shè)壓強(qiáng)不變時(shí)，單位溫度所產(chǎn)生的物體變化可表示為

(1)

Fig.1 Transient temperature measurement system based on Speckle Pattern Interferometry

同理，當(dāng)溫度不變時(shí)，單位壓強(qiáng)產(chǎn)生的物體變化可表示為

(2)

由此可得，被測物形變滿足以下方程

V(T，p)=[1+α(T-T0)-kp]V0(T0，0)

(3)

由于被測物炮體為鋼材，可近似看作彈性體，故有

(4)

將式(4)代入式(3)化簡可得

(5)

式中Δl為被測物表面形變量，ΔT為溫度改變量，l為初始長度，α為被測材料的溫度系數(shù)，kT為被測材料的壓強(qiáng)系數(shù)。

1.2 形變檢測的改進(jìn)方法

傳統(tǒng)的散斑干涉測溫技術(shù)常常將采集得到的干涉圖像直接應(yīng)用圖像處理軟件計(jì)算，通過圖像灰度變化量與溫度變化量的線性關(guān)系計(jì)算，該種方法運(yùn)算簡單，速度快。但對于炮體瞬態(tài)溫度變化過程而言，其溫度變化范圍較大，該種方法引入的非線性明顯，對溫度測試精度影響大。

本系統(tǒng)對此進(jìn)行改進(jìn)，采用傅氏變換技術(shù)，將干涉條紋形變引起的頻譜變化與瞬態(tài)溫度建立函數(shù)關(guān)系，溫度與形變量是否線性不再影響系統(tǒng)對瞬態(tài)溫度的求解，而取決于時(shí)頻變換后中心波長的偏移量及振幅信息。故光譜分布函數(shù)為

(6)

式中，x表示形變量，I(x)表示x位置上的光強(qiáng)值，λ表示波長，ν表示波數(shù)。

2 瞬態(tài)溫度分布的計(jì)算

由于散斑干涉條紋與被測物表面的溫度相關(guān)，則在發(fā)生溫度變化前的反射波與參考波有以下函數(shù)關(guān)系

E(x，y)=a0eiφ0(x，y)+areiφr(x，y)

(7)

將式(7)及其共軛表達(dá)式相乘可得初始狀態(tài)下的光強(qiáng)表達(dá)式有

(8)

當(dāng)炮體溫度發(fā)生瞬態(tài)改變時(shí)，其回波光的相位也發(fā)生相應(yīng)的改變，其光強(qiáng)可表示為

(9)

通過將溫度瞬態(tài)變化過程中兩個(gè)不同時(shí)刻所產(chǎn)生的中心波長對應(yīng)的幅值比求解出來就可以推導(dǎo)出其瞬態(tài)溫度了，其光強(qiáng)絕對值有

I(x，y)=|It-I0|=4a0ar|sin[(φ0-φr)+nπ]sin(nπ)|

(10)

其中，n=0, ±1, ±2, …。

而回波光相位可以表示為初始光相位為0時(shí)，兩光絕對值中的相位項(xiàng)，故有

(11)

綜上所述，將式(5)和式(10)代入式(11)，化簡可得

(12)

式中k表示壓強(qiáng)系數(shù)，α表示溫度系數(shù)，T0表示初始溫度，l表示材料長度，λ表示激光波長和E表示激光光波能量函數(shù)。由式(12)可知，當(dāng)激光器選定時(shí)(實(shí)驗(yàn)采用660 nm激光器)，其波長及功率為常數(shù)，故瞬態(tài)溫度主要由k和決定。

3 測溫實(shí)驗(yàn)

3.1 設(shè)備及結(jié)果

系統(tǒng)采用法國Oxxius公司SLIM系列激光器(中心波長555nm)，探測器采用SI7000型面陣CCD，光譜分析算法及軟界面采用VS平臺獨(dú)立開發(fā)。實(shí)驗(yàn)對某型炮管發(fā)射時(shí)炮體表面進(jìn)行散斑干涉測試，干涉圖樣如圖2所示。

Fig.2 Speckle interference fringe at the time t0 and tx

圖2(a)中是初始時(shí)刻(t0)CCD采集得到的干涉條紋數(shù)據(jù)，圖2(b)中是tx時(shí)刻后CCD采集得到的干涉條紋數(shù)據(jù)。為了盡量減小由于彈體發(fā)射所造成震動等對溫度測試的影響，在實(shí)際測試過程中，t0的選取并不是從0時(shí)刻起算的，而是從彈體射出后炮體穩(wěn)定的時(shí)刻計(jì)算的，每次的測試是隨反饋閾值給定的，故不具體標(biāo)注單次的起始時(shí)間值。從干涉圖樣可以看出，散斑干涉條紋發(fā)生扭曲，在圖像中雖然能看出有形變，但形變量并不明顯，而在本方法中采用傅里葉變換對該干涉條紋進(jìn)行頻譜分析時(shí)，微小的形變量會被光譜分布函數(shù)的中心波長振幅偏移量及其比值精確地反演出來，從而得到精確的瞬態(tài)溫度分布數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)對比

實(shí)驗(yàn)的測試溫度區(qū)間為800～1 800 ℃，標(biāo)定采用ZX-FB1型光纖測溫儀，溫度測試精度為1 ℃，測溫范圍滿足實(shí)驗(yàn)要求。分別采用基于圖像識別的傳統(tǒng)散斑干涉法(image recognition-speckle pattern interferometry, IR-SPI)和基于傅氏變換頻譜分析法(Fourier transform-speckle pattern interferometry, FT-SPI)對某型炮彈發(fā)射過程中炮體(發(fā)射筒前框)溫度進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

Fig.3 Comparison of the test data for gun body transient temperature

由圖3中溫度測試數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算分析可知，采用IR-SPI和FT-SPI兩種方法均能有效地將被測物表面的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)檢測出。通過數(shù)據(jù)圖可以看出，隨著時(shí)間的推遲，檢測效果與標(biāo)準(zhǔn)值越接近。其中，IR-SPI的溫度測試誤差約為±2.0%，而FT-SPI的溫度測試誤差優(yōu)于±1.0%。FT-SPI方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，同時(shí)，采用基于圖像識別的IR-SPI方法得到的數(shù)據(jù)中存在個(gè)別偏差較大的測試點(diǎn)，分析其產(chǎn)生的原因是由于被測表面存在細(xì)紋及漆面磨損造成的，在采用光滑鋼板實(shí)驗(yàn)時(shí)此現(xiàn)象消失，故表面的瑕疵在IR-SPI檢測方法下會導(dǎo)致溫度測試粗大誤差的出現(xiàn)。而采用FT-SPI方法由于其工作機(jī)理是整體條紋的頻譜分析，故不受個(gè)別點(diǎn)位的影響，所以被測表面的瑕疵、漆面磨損等對溫度檢測的影響可以忽略。在此基礎(chǔ)上，由于測試過程中的炮體材料基本均勻，不存在明顯溫度畸變點(diǎn)，故采用溫度標(biāo)定的方法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)溫度測試的準(zhǔn)確度。標(biāo)定方法是將標(biāo)準(zhǔn)溫度在相應(yīng)測試區(qū)間中選取多個(gè)參考點(diǎn)，以此對FT-SPI方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正系數(shù)，從而引入下一次測試中，由此系統(tǒng)的溫度測試誤差可達(dá)到±0.5%。

4 結(jié) 論

由于目前瞬態(tài)測試設(shè)備主要采用單點(diǎn)溫度檢測，不能對被測表面整體范圍監(jiān)測，并且熱慣性較大，瞬態(tài)變化過程難于捕獲，故設(shè)計(jì)開發(fā)了基于散斑干涉與光譜頻域分析相結(jié)合的瞬態(tài)溫度分布測試系統(tǒng)，該工作機(jī)理不受熱慣性影響，其測溫時(shí)間僅取決于系統(tǒng)散斑干涉條紋的采樣速度，大大提高了其瞬態(tài)測溫能力。與此同時(shí)，采用傅氏變換的頻譜分析技術(shù)使系統(tǒng)克服由表面瑕疵、漆面磨損等問題造成的粗大誤差。綜上所述，本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地獲取炮體瞬態(tài)溫度分布，符合設(shè)計(jì)要求。

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Testing Research of Transient Temperature Distribution for the Barrel Surface by Speckle Pattern Interferometry

LANG Wen-jie1, CHEN Guo-guang2, TIAN Xiao-li2, XIN Chang-fan2

1. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China 2. School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China

There are some problems in the traditional transient temperature test equipment. The thermal inertia is great, and can only be a single point of detection. To be able to achieve real-time monitoring for transient temperature distribution change of the gun body surface, the test system for transient temperature distribution was designed based on Speckle Pattern Interferometry (SPI) and spectroscopy. In the system, transient temperature change of the barrel led to slight deformation, and it was converted into speckle interference fringes by SPI technology. Spectral distribution function was obtained by the interference fringes by the Fourier transform, so the information of interference fringe deformation was incorporated into the frequency domain. The data of temperature distribution can be inverted on any sampling time by spectral distribution function. In experiments, the ZX-FB1 fiber optic thermometer was used to test transient temperature on a single point as the standard value. The center wavelength of the laser was 555 nm, and the speckle pattern interference fringes were collected by area array CCD. Image Recognition-Speckle Pattern Interferometry (IR-SPI) and Fourier Transform-Speckle Pattern Interferometry (FT-SPI) were used in experiments, the calculation of transient temperature was completed through two methods. Experimental results are that both methods can achieve transient temperature detection. But the FT-SPI is higher in terms of accuracy, and it can effectively overcome the gross error caused by the surface defects, paint wear and other similar problems.

Transient temperature distribution; SPI; Spectral analysis; Fourier transform

Aug. 12, 2015; accepted Dec. 21, 2015)

2015-08-12，

2015-12-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305409)和兵科院縱向課題(JZ2009100)資助

郎文杰，1977年生，中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授 e-mail: lwjnuc@163.com

O432

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0355-04