[发明专利]一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统

说明书

本发明提供了一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统。系统包括待测对象、数字微镜阵列DMD及其控制模块、不同中心波长的光学滤波片、双通道信号采集系统、光电探测器和FPGA等；待测对象发出的光辐射通过DMD反射，DMD再按照一定的规律翻转，两束反射光通过两个中心波长不同的光学滤波片后被光电探测器接收到并转换为电信号输出，利用双通道信号采集模块对光强数据进行采集并导入FPGA中，再基于关联成像原理和比色法测温原理利用FPGA实时解算出待测对象的温度分布。本发明利用DMD两个方向同时探测获取待测对象两个波长的辐射光谱，进而利用FPGA获得温度分布，具有集成度高、响应迅速的特点，在表面温度测量领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，属于被动关联成像测温技术领域。

背景技术

但是随着工业化的逐步推进，工业的转型升级成为必然，但意味着利用更少的能源，生产出更高质量的工业产品，并同时降低对环境的污染。为了更好地控制工业过程，需要实时监测能反映其进行情况的参数，其中，最重要就是反应过程的温度信息。

以热电偶测温为代表的传统测温方法对待测物体表面有损伤性，并且在高温高压、强腐蚀性等恶劣环境下测量精度急剧降低。2021年Webster E等人发表在《计量学》(METROLOGIA)第58卷第2页的论文《常用的热电偶参考函数综述》(A critical review ofthe common thermocouple reference functions)回顾了热电偶合金的发展，并将其与现代热电偶合金和新的测试方法进行了对比，总结了热电偶的主要劣势，除了高温下材料的钝化情况外，其成分的微小变化也可能会影响可逆的晶体学排序效应，在恶劣情况下会导致测温结果的截然不同。2018年Khatri等人在《传感器和执行器A：物理》(Sensors andActuators A: Physical)第280卷第188页的论文《基于薄膜热电偶和热堆元件的批量生产兼容的多功能热敏传感器》(A batch fabrication-compatible multifunctionalthermal sensor based on thin film thermocouple and thermopile elements)提出了一种以耐火材料钨和钼作为薄膜热电偶组分，氧化镁作为保护涂层的能用于固体表面温度测量的高温多功能热传感器，该传感器能够使用行业标准的微细加工技术批量生产。薄膜热电偶和热电堆功能设计用于同时提供表面温度和表面热流数据。薄膜热电偶具有结构尺寸薄、响应速度快等优点，但存在引线连接困难，热电特性一致性较差的问题。1999年BhattHD等人在《固体薄膜》(THIN SOLID FILMS) 第342卷第1-2期第214-220页发表的论文《薄膜TiC/TaC热电偶》(Thin film TiC/TaC thermocouples)设计了并制造了一种沉积了TiC/TaC的热电偶薄膜，发现了该类型薄膜热电偶的各方面性能和沉积工艺中的参数有关，并通过优化沉积工艺增强了薄膜热电偶的整体性能，利用该薄膜热电偶在真空条件下进行了表面温度的测量，发现其最高可准确测温的上限达到1350K，这种热电偶在稳定的温度范围内能够产生可重复的输出，并在真空或惰性气氛下的高温薄膜温度传感器应用中具有极好的潜力。2013年Ian M.Tougas等人在《电气与电子工程师学会期刊》(Institute ofElectrical and Electronics Engineers)发表的论文《金属和陶瓷薄膜热电偶燃气涡轮发动机应用》(Metallic and ceramic thin film thermocouples for gas turbineengine application)中为了研究高温下燃气涡轮发动机中的各个部件的表面温度，研究了一些基于铂、钯、氮氧化铟、氮氧化铟锡及其氧化物对应物的薄膜热电偶，并证明它们比在这些高温氧化环境中运行的传统S型和K型薄膜热电偶更稳定，并且该型薄膜热电偶表现出显著的稳定性，具有与在相同温度范围内工作的线性热电偶相似的漂移率。2021年 Xu等人在《航空发动机》(Aeroengine)第47卷第91页发表的论文《航空发动机涡轮叶片涂层热电偶测温技术》(Coating Thermocouple Measurement Technique of Aeroengine TurbineBlade Temperature)设计了一种与涡轮叶片一体化集成的涂层热电偶传感器，并利用热喷涂技术进行了传感器试制，并用其进行了涡轮叶片的表面温度测量。发现该薄膜材料的喷涂厚度以及均匀程度等因素会影响到最终测量的精度，该方法是一种新型的热电偶测表面温度手段，虽然能够用于传统热电偶是其技术发展的并不成熟，其使用环境非常有限。