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    基于光學(xué)原理的二維/三維溫度場測量技術(shù)1)

    2024-01-25 07:16:06黃文丹張宏業(yè)劉戰(zhàn)偉
    力學(xué)與實(shí)踐 2023年6期
    關(guān)鍵詞:紋影層析測溫

    封 偉 * 黃文丹 * 郝 策 張宏業(yè) ** 劉戰(zhàn)偉 *

    *(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

    ?(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司,上海 201306)

    **(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)

    溫度是用于表征物質(zhì)的冷熱程度、確定物質(zhì)狀態(tài)的物理量。它密切關(guān)系著物理[1-3]、化學(xué)[4]、冶金[5]等學(xué)科中所研究的基本規(guī)律。溫度的測量和控制在許多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)都有著重要的作用,如國防、科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6-7],尤其是在航空、航天、能源與材料等領(lǐng)域。如,航空發(fā)動機(jī)燃燒流場檢測和燃燒室出口溫度分布的測量,是評價發(fā)動機(jī)性能的主要參數(shù),對于研究推進(jìn)劑的燃燒過程(溫度范圍、極值)、優(yōu)化發(fā)動機(jī)的特性具有重要意義[8]。另外溫度的監(jiān)測可以減少污染和意外事故的發(fā)生[9-10],提高電站燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t等工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性,同時可以為工業(yè)設(shè)備的改進(jìn)提供依據(jù)。因而,進(jìn)行高精度的溫度測量研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

    對溫度場的測量可以追溯到20 世紀(jì)中期[11-13],隨后溫度測量方法逐漸豐富,根據(jù)是否與溫度場接觸,可分為兩類:接觸式測溫法,如用熱電偶或光纖進(jìn)行測量[14-15];非接觸測溫法,如多光譜測溫、全息干涉測溫等[16]。接觸式測溫法是傳感器與目標(biāo)物體進(jìn)行直接接觸,如熱電偶測溫是通過一定時間的熱交換作用,使得兩者達(dá)到熱平衡,進(jìn)而使得傳感器獲得與被測目標(biāo)相同的溫度[17-18]。非接觸測溫法目前主要有兩個主流的研究方向,即光學(xué)測溫法和聲學(xué)測溫法。光學(xué)溫度測量是利用折射率、輻射能量或激光光譜信息的變化來測量溫度場。聲學(xué)測溫法主要分為聲速測溫法和頻率測溫法,通過計(jì)算聲波在溫度場的傳播速度或頻率[19-20],得到溫度場的內(nèi)部信息,往往需要布置多組聲波發(fā)射–接收裝置,并且由于只能單組進(jìn)行聲波的發(fā)射與獲取,多組測量需要一定的時間周期,因此不能實(shí)時地獲取具有較高分辨率的重建數(shù)據(jù)。而光學(xué)原理測溫由于測量精度和設(shè)備靈敏度較高[21],且實(shí)時性較好被廣泛應(yīng)用于測量各種類型的溫度場演化過程,本文主要介紹基于光學(xué)原理測溫法的研究現(xiàn)狀。

    本文介紹基于光學(xué)原理的測溫法,主要包括基于折射率變化的測溫法、輻射測溫法和激光光譜診斷測溫法等,并探討了它們在三維溫度場測量中的發(fā)展與應(yīng)用。通過梳理基于光學(xué)原理的測溫法,詳細(xì)介紹了多種溫度檢測技術(shù)的原理以及應(yīng)用特點(diǎn),有助于研究者在熱傳導(dǎo)、燃燒過程、材料行為等研究過程中選取合適的測溫技術(shù)。未來,隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些測溫方法將進(jìn)一步完善和創(chuàng)新,為二維/三維溫度場測量提供更高分辨率、更準(zhǔn)確的結(jié)果。

    1 光學(xué)原理測溫法

    應(yīng)用光學(xué)原理測量溫度的方法可以根據(jù)采集物理信息的不同將其分為:基于折射率變化的測溫法、輻射測溫法和激光光譜診斷測溫法。

    1.1 基于折射率變化的測溫法

    由于待測場中的溫度等物理量分布不均勻,因此待測場折射率的分布也會產(chǎn)生相應(yīng)變化。基于折射率變化重建待測物理場的本質(zhì)是應(yīng)用光學(xué)方法測量待測場的折射率分布,再根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程計(jì)算溫度等其他物理參量。因此,這種方法對于可以引起折射率變化的物理量(密度[22]、溫度)均有較好的測量應(yīng)用。

    1.1.1 干涉法

    干涉法被廣泛應(yīng)用于全場溫度測量和局部換熱率的評估,最早可以追溯到20 世紀(jì)30 年代。其工作原理是將兩束頻率相同、相位差恒定、方向相同的光束重新組合形成干涉圖。在溫度測量中,一束光通過待測溫度場,從而引起該束光與另一束光存在相位差異而形成干涉現(xiàn)象,通過分析干涉條紋,再分析溫度和折射率的關(guān)系,即可得到高溫區(qū)的內(nèi)部溫度信息[23]。目前大多數(shù)研究都是用經(jīng)典的雙光束干涉,如馬赫–曾德爾干涉(Mach–Zehnder interferometer,MZI)[24]或全息技術(shù)[25-26],較為經(jīng)濟(jì)方便的剪切散斑法[27-29]、透射相干梯度敏感[30]方法也在同步發(fā)展,各干涉測溫法都具有高靈敏度[31-32]測量特點(diǎn)。

    1.1.2 紋影法

    紋影法作為一種非接觸式光學(xué)測量方法,在火焰的溫度測量中得到了廣泛地應(yīng)用,主要包括紋影和陰影法。該方法的主要測量原理[33]是由于溫度引起的折射率變化導(dǎo)致光偏轉(zhuǎn),通過接收灰度不均勻的圖像信息完成溫度場的重建。20 世紀(jì)80 年代開始,相關(guān)學(xué)者開始研究應(yīng)用紋影和陰影法的定量測量技術(shù)[34],目前可定量檢測的紋影技術(shù)主要有:傳統(tǒng)紋影、背景紋影(background oriented schlieren, BOS)、彩色紋影、聚焦紋影等。傳統(tǒng)紋影和彩色紋影[35],由于操作簡單、設(shè)備簡易,在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的溫度分布、流場密度和溫度測量中均得到了廣泛應(yīng)用[36]。背景紋影法由于沒有了透鏡大小對測量范圍的限制,可用于測量大型透明或特殊光束可穿透的不均勻場(比如溫度、密度)變化以滿足工程需要,如,風(fēng)洞測量[37-38]、葉片旋流測量、氣體射流測量等。聚焦紋影法能夠?qū)Σ煌郎y場中的某些位置進(jìn)行聚焦,由于成本低并且對觀測區(qū)域的不均勻梯度很敏感,可以應(yīng)用于觀測風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中尾跡、激波和邊界層的細(xì)節(jié)檢測[39],以及觀測大視場[40]等區(qū)域整體檢測[41]。

    1.2 輻射測溫法

    輻射測溫法是基于黑體輻射定律發(fā)展而來的通過采集溫度場所產(chǎn)生的輻射能來計(jì)算溫度的方法,在利用特定波長輻射強(qiáng)度信息獲取溫度的方法中根據(jù)測量波長數(shù)量可分為3 種,單色測溫法、比色測溫法和多光譜測溫法;利用特定波段輻射強(qiáng)度信息計(jì)算溫度的方法主要有紅外熱成像測溫法。

    1.2.1 單色測溫法

    單色測溫法出現(xiàn)于20 世紀(jì)初期,是根據(jù)某一波長的輻射能與物體溫度變化的關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度測量。1978 年,Knorre 等[42]利用單色溫度計(jì)原理對乙炔氣體在不同壓強(qiáng)下的爆炸溫度進(jìn)行測量。Zeng 等[43]通過單點(diǎn)標(biāo)定法擬合了輻射信息與溫度的函數(shù)關(guān)系,從而估測出光譜發(fā)射率系數(shù),又利用單色輻射測溫方法對溫度測量。然而,單色測溫法需要估計(jì)發(fā)射率,這種估計(jì)方法的測量結(jié)果與真溫有所差異,故在一些精確檢測中使用較少。

    1.2.2 比色測溫法

    20 世紀(jì)50 年代比色測溫技術(shù)[44]開始興起,用兩種波長下的輻射強(qiáng)度做比值計(jì)算溫度,可以消除一定的發(fā)射率及環(huán)境影響。隨后利用三波長、四波長比色測溫的方法不斷提出[45]。然而,雙波段測量以其簡易的計(jì)算公式和較高的測溫精度被更廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)檢測。

    (1)方法的改進(jìn)與提高方面。孫元等[46]針對輻射體周圍和測溫光路上存在煙霧干擾的工況,發(fā)展了一種利用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)比色測溫中煙霧干擾的濾波與溫度校正算法,該算法有效提高了該工況下的測溫精度。馮馳等[47]利用實(shí)驗(yàn)研究了比色測溫法中雙波長的選取問題,徐寶昌等[48]針對高溫火焰溫度場的測量,在一定程度上提高了比色測溫的測量精度和實(shí)用性。黃文丹等[49]針對單波長測溫和比色測溫過程中測溫范圍較窄的問題,推導(dǎo)了相機(jī)傳感器動態(tài)范圍和工作波長對測溫范圍影響的理論公式。

    (2)系統(tǒng)改進(jìn)與提高方面。傳統(tǒng)比色測溫系統(tǒng)一般利用雙相機(jī)搭建,使得測溫系統(tǒng)的體積較大,目前主流的研究方向是優(yōu)化光路與系統(tǒng)設(shè)計(jì),研制基于單相機(jī)的測溫設(shè)備。2020 年,Hao 等[50]自主研制了基于比色測溫原理的單相機(jī)雙通道熔池溫度場測量系統(tǒng),如圖1(a)所示,2022 年該團(tuán)隊(duì)根據(jù)激光選區(qū)熔化的工作原理以及比色測溫原理設(shè)計(jì)了單臺高速相機(jī)熔池測溫系統(tǒng)[51],隨后進(jìn)行了增材制造過程中的缺陷檢測[52],如圖1(b)所示。

    圖1 利用溫度場測量系統(tǒng)對增材制造過程進(jìn)行缺陷檢測[50,52]Fig.1 Defect detection in additive manufacturing process using temperature field measurement system[50,52]

    1.2.3 多光譜測溫法

    隨著多波長高溫計(jì)的研制,在20 世紀(jì)70 年代末,能夠同時得到溫度和發(fā)射率的多光譜測量方法開始出現(xiàn),Svet[53]提出發(fā)射率假設(shè)模型,當(dāng)方程組中方程的個數(shù)與未知數(shù)的個數(shù)相等時,通過求解方程組得到目標(biāo)真溫及光譜發(fā)射率[54]。1980 年Gardner 提出了應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理多波長高溫計(jì)測量數(shù)據(jù),隨后各種模擬數(shù)據(jù)計(jì)算方法開始發(fā)展,如線性最小二乘法[55]、非線性最小二乘法[56]、蒙特卡洛方法[57]和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[58-59]。

    1.2.4 紅外熱成像測溫

    從 1800 年英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外線[60],紅外熱成像測溫經(jīng)歷了長時間的發(fā)展已趨于成熟,在二維溫度場測量方面,應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)的測溫系統(tǒng)已較為完善,商業(yè)化的紅外熱像儀在科研和工業(yè)領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用[61-62]。其主要應(yīng)用的領(lǐng)域有醫(yī)藥[63]、維修及工藝監(jiān)控[64]、建筑檢測[65]、無損檢測[66]等。

    紅外熱成像測溫系統(tǒng)是利用紅外光學(xué)系統(tǒng)將待測目標(biāo)的溫度特征反映在紅外焦平面探測器上,按焦平面探測器的材質(zhì)不同,可分為制冷型和非制冷型紅外熱像儀,目前制冷型測溫儀可實(shí)現(xiàn)高達(dá)微秒級的高速測量,且測溫精度在3000℃范圍內(nèi)誤差小于1%。非制冷型測溫儀的測溫性能相對較差,但造價低。Jiao 等[67]將熱成像技術(shù)應(yīng)用于熱障涂層的缺陷檢測,熱響應(yīng)特征在缺陷處有明顯變化,如圖2 所示。

    圖2 熱響應(yīng)特征在缺陷處的變化[67]Fig.2 The variation of thermal response characteristics at the defect[67]

    1.3 激光光譜診斷測溫法

    待測場內(nèi)部某溫度下的粒子數(shù)、粒子尺度等物理參數(shù),會影響激光穿過待測場的散射、吸收或輻射過程。因此待測場在特定激光照射下,可通過獲取的光譜信息計(jì)算待測場內(nèi)部的粒子情況,從而獲取溫度、密度等信息。

    以測溫方面為例,激光光譜診斷[68]具有非線性、在線測量、高分辨率和可視化等優(yōu)點(diǎn)。在具體的測量方法上,又分為線性和非線性的方法,其中Rayleigh 散射技術(shù)、自發(fā)Raman 散射技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence, LIF)等都屬于線性的方法,這些方法的信號強(qiáng)度和探測組分濃度線性相關(guān);相干反Stokes Raman散射法(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)技術(shù)、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技術(shù)是非線性測量方法中較為成熟的。

    激光光譜診斷測溫技術(shù)中,可以根據(jù)不同的檢測需求,選取相應(yīng)的測量技術(shù)。如,Rayleigh散射可以去除環(huán)境中的散射影響,如粒子Mie 散射和燃燒室壁面雜散光干擾,更好地應(yīng)用于燃燒場的測量[69]、葉片旁邊的空氣熱流特性[70]等高速湍流環(huán)境。對于Raman 散射測量,則要認(rèn)真地進(jìn)行激光源和優(yōu)化信號接收系統(tǒng)的選擇,由于其光譜的不重疊性被廣泛地應(yīng)用于燃燒系統(tǒng)的測量[71-72]。LIF 技術(shù)[73]是一種共振的探測技術(shù),在固體推進(jìn)劑燃燒[74]、高超聲速流場等分子變化較劇烈的環(huán)境中有較好的應(yīng)用。而CARS 技術(shù)[75]最為成熟是一種非線性的相干過程,比自發(fā)Raman光譜強(qiáng)幾個數(shù)量級,尤其納秒CARS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加熱爐、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、超燃發(fā)動機(jī)、航發(fā)等實(shí)際燃燒裝置的測量當(dāng)中[76-77]。另外,為了更好地反映待測場內(nèi)部的情況,可以將粒子圖像測速法與激光光譜診斷測溫技術(shù)應(yīng)用于同一待測場,同時獲取粒子速度和溫度的信息[78-81]。

    可以看出,在基于折射率變化的測溫法中,干涉法雖然靈敏度較高,但由于設(shè)備的使用條件較為苛刻,故主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢測,紋影法更適用于工業(yè)檢測但測量精度相對較低。激光光譜測量方法與干涉法類似,同樣在實(shí)驗(yàn)室中有著高精度的測量能力。輻射測溫法由于測量設(shè)備簡單,測溫精度較高等因素,能夠較好地適用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)檢測。

    2 三維溫度場測量

    在發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒室等大部分重要的高溫測量領(lǐng)域,三維溫度場的表征具有更重要的意義。光學(xué)計(jì)算層析(computerized tomography, CT),在光學(xué)領(lǐng)域中是重要的交叉應(yīng)用之一,是用于三維溫度場測量的一種有效且重要的方法,其具有穩(wěn)定、實(shí)時和非接觸等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)被測流場物理參量的無損、瞬態(tài)、非接觸、三維定量測量及全場三維顯示,因此該技術(shù)在流動顯示、燃燒測量、風(fēng)洞場測量、爆炸場測量等方面有較大的優(yōu)勢[82-83]。

    CT 技術(shù)應(yīng)用于溫度場測量主要可分為兩類:一是主動發(fā)射激光來干涉待測場而形成的透射層析技術(shù)(transmission spectral tomography,TST),二是探測器接受待測場輻射光譜而形成的發(fā)射層析技術(shù)(emission spectral tomography,EST),兩者最大的區(qū)別在于是否將外部的檢測光源引入到光路中。

    第一節(jié)中描述的大部分二維溫度場測量方法可與CT 結(jié)合,實(shí)現(xiàn)三維測量。對于中心對稱或準(zhǔn)中心對稱的溫度場,可利用一個方向的投影數(shù)據(jù),使用Abel 逆變換重建出溫度場內(nèi)部的信息[84]。但對于大部分缺乏對稱性的溫度場,則需要通過設(shè)置多角度的測量裝置或者旋轉(zhuǎn)試件,通過重建算法找到溫度場內(nèi)部的最優(yōu)解。目前大部分研究均采用布置多角度測量系統(tǒng),如Mohri 等[83]搭建了一套24 臺CCD 普通相機(jī)組合的多角度層析測量系統(tǒng),該系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖3 所示。

    圖3 24 臺CCD 相機(jī)組成的層析測量系統(tǒng)[83]Fig.3 A tomography measurement system consisting of 24 CCD cameras[83]

    2.1 干涉和紋影層析測量

    干涉層析采用了光學(xué)干涉原理結(jié)合層析技術(shù),通過從多個角度獲得物體內(nèi)傳播過程中的相位變化。利用干涉層析方法測量三維溫度場出現(xiàn)在20 世紀(jì)[85-86],1985 年,Hertz[87]通過MZI 干涉儀對非對稱火焰獲取多方向的干涉投影,并以此實(shí)現(xiàn)了基于干涉層析的二維火焰場測量且保證誤差在10%以內(nèi)。隨后該方法逐漸應(yīng)用于待測場的高速測量[88-89]、湍流的重建和可視化[90],以及流場的實(shí)時測量[91]等。在各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的不斷提高過程中,測量速度更快、精度更高的儀器也在不斷研制。2015 年,Zhang 等[92]利用莫爾層析原理通過設(shè)計(jì)一對光柵就能同步捕捉到6 個視角的條紋圖,如圖4 所示。

    圖4 莫爾層析光路圖[92]Fig.4 Moiré optical path image[92]

    紋影層析測量[93-94]與干涉層析[95]的三維重建思想一致,都是應(yīng)用穿透層析的理論,完成對溫度場的重建。2018 年,Grauer 等[96]利用背景定向紋影成像和斷層成像技術(shù),對湍流火焰的瞬時折射率場進(jìn)行了三維重建,為低成本的三維火焰測溫奠定了基礎(chǔ)。

    2.2 輻射層析測量

    輻射層析屬于光學(xué)層析技術(shù)中的發(fā)射層析,其原理是基于成像接收裝置得出所探測方向上的待測場輻射積分,進(jìn)而重建出待測場的三維輻射強(qiáng)度分布。輻射層析法獲取投影數(shù)據(jù)更加方便、成本更低、系統(tǒng)搭建更易實(shí)現(xiàn),因此使得重建復(fù)雜待測場的物理參數(shù)三維分布更加容易[97]。

    對于現(xiàn)代的檢測需求,裝置的改進(jìn)已成為輻射層析發(fā)展應(yīng)用的研究方向。Floyd 等[98]采用了間隔36°放置5 個CCD 的實(shí)驗(yàn)圓臺,其中加入了反射鏡,可以同時把2 個方向上的投影成像在1個CCD 上,同時獲得10 個方向上的投影信息。2016 年,Cai 等[99-100]研制了一個輻射層析裝置,通過將CCD 安裝在旋轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行了在不同視角下的投影測量,實(shí)現(xiàn)了高速火焰瞬態(tài)燃燒過程的三維重建,如圖5 所示。

    圖5 輻射層析裝置及測量圖像[99]Fig.5 Radiation chromatographic device and measurement image[99]

    2.3 激光光譜診斷層析測量

    層析吸收光譜法(tomographic absorption spectroscopy, TAS)是基于物體在不同溫度下的熱輻射特性會產(chǎn)生不同的光譜響應(yīng),從而可以建立溫度與光譜信號之間的關(guān)系。通過對物體發(fā)出或透過的光譜信號進(jìn)行采集和解析,可以反推出物體表面或內(nèi)部的溫度分布情況。TAS 還具有較高的物種特異性和敏感性,但由于需要先采取線測量,故需計(jì)算出平面溫度[101]。

    3 總結(jié)

    隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展,對溫度測量的需求已經(jīng)不滿足于只是測得某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)的溫度,而是希望在不破壞測量對象的前提下,實(shí)時地測量待測場在任一瞬間的溫度分布。因此利用各種光學(xué)原理非接觸測量溫度場的方法不斷發(fā)展。另外溫度測量在工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域中占據(jù)重要地位,但要利用光學(xué)原理在實(shí)際工程現(xiàn)場進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度場測量并非易事,因此,需要熟悉各種測量方法的原理及特點(diǎn),從而改進(jìn)原有測量技術(shù),滿足未來科技化的需求。

    (1)基于折射率變化的測溫法,主要包括干涉法和紋影法,干涉法測量結(jié)果最為準(zhǔn)確,但由于需要布置光路,無法測量大范圍或超高溫不透明物體;紋影法,更適用于較大視場、對溫度精度要求較低的溫度檢測。

    (2)輻射測溫法,在工業(yè)測量中已得到廣泛應(yīng)用,前提需要做好標(biāo)定或選好溫度計(jì)算模型。

    (3)激光光譜診斷測溫法,精度較高,但檢測區(qū)域小且需要激光進(jìn)行激發(fā),在實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)應(yīng)用中受到一定限制。

    基于光學(xué)原理的溫度場測量技術(shù)未來將朝著高分辨率、高精度測量和三維可視化的實(shí)時測量不斷發(fā)展,為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供更準(zhǔn)確、靈敏和可靠的溫度數(shù)據(jù),推動多個領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步。

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