一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置的制作方法

1.本发明涉及一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，属于热学计量技术领域。


背景技术：

2.材料的热扩散率是描述物体受热升温直至内部温度均匀能力的参数。在同一温度下，热扩散率值越小，表示其材料内部温度达到的能力就越弱，因此热扩散率决定着热障材料的隔热性能，在非稳态导热过程中，材料的热扩散率是一个非常重要的参数。例如，高超音速飞行器经受不同程度的非稳态的气动加热阶段，大面积温度达1200℃，端头驻点温度可达2900℃甚至更高。对于主动式热防护系统，要求热障材料热扩散率较低，减缓气动加热过程中高温对飞行器主体材料和零部件的冲击。因此，热扩散率对热防护系统在高温极端环境下的设计和服役性能提高具有重要的指导价值。
3.热扩散率原级测量方法为激光闪光法，其是根据样品受脉冲加热后的温升信号计算而得，因此温升信号的质量直接影响着材料的热扩散率测量的准确性。但是，在高温条件下，背景噪声逐渐升高，材料表面发射率减小反射率增大，信噪比会大幅度减小，导致信号识别难度增大，在很大程度上会影响热扩散率的测量值。另外，国内目前仅可测量1000℃以下，而高超服役温度高达2800℃以上，只能依靠国外相关测量仪器进行测量。因此，需要针对在超高温条件下温升信号的特点并结合仿真结果及理论分析，研制温升信号识别处理装置，提高高温条件下温升信号识别的准确度，进而提高材料热扩散率的测量速率及准确度。本发明最高温度可达3000℃，可为热防护材料从室温到最高服役温度范围内的导热性能进行测量表征，同时为界面温度分布以及热力耦合失效机理研究提供必要的热物性参数。


技术实现要素：

4.针对超高温条件下环境辐射噪声大，信噪比大幅度减小导致信号识别难度增大的难题，本发明主要目的是提供一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，采用焦距可自动变化的红外探测光路系统，确保只“看到”样品背面，消除周围辐射背景噪声的影响；同时匹配低噪声放大电路和自适应处理算法，结合辐射高温计和高温热电偶实时校准测量，使得能够在3000℃高温条件下仍能够准确提取仅为10℃的温升信号，提高热扩散率的准确性，提升热扩散率测量温度上限。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
6.本发明公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，包括红外光学系统、红外探测系统、高速采集系统和数据处理系统；所述红外光学系统内置透镜组、镜组支架、光阑、镜桶、电机齿轮和ccd视频阵列；所述红外探测系统，包括红外探测器和微弱温升信号调理电路模块；所述高速采集系统，包括高速采集卡；所述数据处理系统包括、温升信号起点确定模块、温升信号识别模块和热扩散率计算模块，温升信号识别模块通过温升信号识别算法实现温升信号识别，热扩散率计算模块实现热扩散率计算算法实现热扩
散率计算。
7.所述红外光学系统透镜组采用定心车加工法，用于保证镜头安装精度；所述红外光学系统电极齿轮通过旋转带动镜片前后移动，具备调焦功能，同时将温升光学信号汇聚输入至外探测器中，使得红外探测器只“看到”样品表面，不采集任何来自周边环境的温度信号，得到最优视野；所述外光学系统特制反射镜为“半透半反”式，能够将90％的温升信号透射，将10％的温升信号水平方向整90
°
；所述红外光学系统ccd视频阵列通过线缆与数据处理系统连接，用于对被测样品进行彩色视频瞄准和动态过程监控。
8.所述红外探测系统中的红外探测器为0.9～3μm制冷型红外探测器，红外探测器和微弱温升信号调理电路模块联合响应时间优于2μs；所述红外探测系统中微弱温升信号调理电路模块主要分为两部分，分别是信号放大电路、电源电路。其中，放大电路分为温升信号放大电路与触发信号放大电路；电源电路分为数字电源电路与模拟电源电路。
9.作为优选，所述微弱温升信号调理电路模块采用开尔文开关技术选择放大倍数，在各增益选择环路中引入两个开关，一个用于将跨阻/运放输出连接到反馈网络，另一个用于将反馈网络输出连接到下游元件，传统模拟开关的导通电阻会引起电压和温度相关的增益误差，漏电流会引起失调误差，特别是在高温时，采用开尔文开关技术降低所述增益误差和失调误差。所述高速采集系统的高速采集卡采集频率为1mhz，量程(-10～10)v，双通道分别采集温升信号和触发信号且为同步采集。
10.在所述数据处理系统中，温升信号起点确定模块的工作方法为：样品温度稳定后，开始同步采集触发和温升信号通道的测量值，锁定触发信号最大值所对应的时间，将该时间作为温升信号的起点t0；温升信号自适应处理算法为采集的带有噪声的温升信号经频谱分析检测各频率的信号强度后，根据频谱分析结果，通过带通设置带通滤波的频率参数得到有用信号所在频率波段的信号，而后通过设置低通参量对干扰信号进行衰减，经历完低通滤波提取其中的直流分量即为有用温升信号；但是电源的谐波信号也会带来信号的干扰，通过设置带阻参量，能够消除所述频率范围内的绝大部分干扰信号；最终在通过平滑处理消除脉冲带来的干扰脉冲信号得到平滑的温升曲线；热扩散率计算方法为：将温升信号最大值一半的数值与温升信号通道的所有采样点进行逐一比较确定到该数值的采集次数n，n乘以采样周期即是从数据处理系统开始运行时到温升信号最大值一半的数值所运行的时间t1，t1减t0即为半数时间t
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，根据paker模型计算热扩散率。
11.有益效果：
12.1、本发明公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，采用激光闪光法测量样品热扩散率时，采用焦距可自动变化的可视化红外光学系统，确保只“看到”样品背面，能够消除周围辐射背景噪声的影响，提升热扩散率测量精度。
13.2、本发明公开的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，匹配低噪声放大电路和自适应处理算法，结合辐射高温计和高温热电偶实时校准测量，使得能够在3000℃高温条件下仍能够准确提取仅为10℃的温升信号，在提高热扩散率的准确性同时提升热扩散率测量温度上限。
附图说明
14.图1是本发明的一种在超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置的组成框
图；
15.图2是本发明的温升信号处理算法流程图。
16.其中：1-透镜、2-透镜、3-透镜、4-透镜、5-可动镜架、6-光阑、7-镜桶、8-电机齿轮、9-套筒、10-ccd视频阵列、11-反射镜、12-滤光片、13-红外探测器、14-线缆、15-微弱温升信号调理电路模块、16-高速采集卡。
具体实施方式
17.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
18.如图1所示，本实施例公开的一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置，包括红外光学系统、红外探测系统、高速采集系统16以及数据处理系统17；红外光学系统位于红外探测系统前方，主要是将温升信号准确且高信噪比投射到红外探测系统中；红外探测系统通过机械方式与套筒9连接；红外探测系统通过线缆14与高速采集卡16连接；高速采集卡通过线缆14与数据采集系统17连接。
19.红外光学系统，包括镜片1、镜片2、镜片3、镜片4、可动镜片架5、光阑6、镜桶7、电机齿轮8、反射镜11、ccd视频阵列10和滤光片12，共十一部分共同组成样品温升光学信号消灾汇聚系统，用于将将温升信号准确且高信噪比投射到红外探测系统中。镜片1、镜片2、镜片3、光阑6和滤光片12通过胶粘方式与镜桶7连接，进一步对温升信号进行消杂光处理，通过镜片1、镜片2、镜片3、镜片4、可动镜片架5、光阑6、镜桶7对波段进行选择。所述滤光片12在隔绝激光同时能够对光的波段进行选择。镜片4通过辊边和压圈两种方式实现可动镜片架5连接；可动镜架5通过机械固定方式与镜桶7连接，电极齿轮通过机械固定方式与套筒9连接，进一步旋转带动可动镜架5前后移动；电机8能够根据被测样品的大小实时调整可接受光斑的大小。反射镜11与透镜组中心水平对齐并成45
°
倾斜，进一步将10％的温升信号水平方向调整90
°
；ccd视频阵列10通过机械固定方式与套筒9连接，进一步探测特制反射镜11反射的10％温升信号，进一步对目标进行彩色视频瞄准和动态过程监控。
20.红外探测系统，包括红外探测器13和微弱温升信号调理电路模块15；红外探测器13响应波长为0.9～3μm，进一步将温升光信号进行光电转换；微弱温升信号调理电路模块15主要分为两部分，分别是信号放大电路、电源电路。其中，放大电路分为温升信号放大电路与触发信号放大电路；电源电路分为数字电源电路与模拟电源电路。作为优选，所述微弱温升信号调理电路模块采用开尔文开关技术选择放大倍数，在各增益选择环路中引入两个开关，一个用于将跨阻/运放输出连接到反馈网络，另一个用于将反馈网络输出连接到下游元件，解决了漏电引起的失调误差的问题，进一步传统模拟开关的导通电阻会引起电压和温度相关的增益误差，漏电流会引起失调误差，进一步对红外探测器13光电转换后的温升信号做放大处理。
21.高速采集卡16采集频率为1mhz，量程(-10～10)v，双通道分别采集温升信号和触发信号且为同步采集。
22.如图2所述，数据处理系统包括温升信号起点确定部分、温升信号自适应处理算法以及热扩散率计算修正，三部分共同组成温升信号的数据处理系统，用于对温升信号滤波去噪、热扩散率计算及修正。其中温升信号起点确定的方法为：样品温度稳定后，开始同步
采集触发和温升信号通道的测量值，锁定触发信号最大值所对应的时间，将该时间作为温升信号的起点t0；温升信号自适应处理算法为采集的带有噪声的温升信号经频谱分析检测各频率的信号强度后，根据频谱分析结果，通过带通设置带通滤波的频率参数得到有用信号所在频率波段的信号，而后通过设置低通参量对干扰信号进行衰减，经历完低通滤波提取其中的直流分量即为有用温升信号；但是电源的谐波信号也会带来信号的干扰，通过设置带阻参量，可以消除这一频率范围内的绝大部分干扰信号；最终在通过平滑处理消除脉冲带来的干扰脉冲信号得到平滑的温升曲线；热扩散率计算方法为：将温升信号最大值一半的数值与温升信号通道的所有采样点进行逐一比较确定到该数值的采集次数n，n乘以采样周期即是从数据处理系统17开始运行时到温升信号最大值一半的数值所运行的时间t1，t1减t0即为半数时间t1/2，根据paker模型计算热扩散率。
23.本实施例公开的一种超高温条件下测量热扩散率用温升信号识别装置的工作方法为：红外光学系统对原始温升信号消杂和汇聚后入射至红外探测系统中，红外探测系统对温升信号进行光电转换并放大成电压信号输入至高速采集卡16中，高速采集卡16进行ad转换，最后进入数据处理系统17行处理和计算，实现热扩散率测量。
24.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。