用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统及方法

摘要

本发明提供一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统及方法，解决现有涡轮叶片集成薄膜温度传感器无法采用工业热电偶测温标定方式的问题。该系统包括加热箱、瞬时加热单元、成像单元、标准热电偶、检验仪和控制单元；瞬时加热单元包括激光器、聚光单元和转台；聚光单元位于加热箱侧壁观察口外侧及激光器出射光路上；聚光单元设在转台上；成像单元安装在加热箱观察口外侧；标准热电偶数量与待测涡轮叶片上薄膜温度传感器的数量相等，且位置一一对应；薄膜温度传感器和标准热电偶分别与检验仪连接；控制单元控制激光器的出射能量，以及与转台相连；控制单元对薄膜温度传感器和标准热电偶获得的温度进行比较，判断薄膜温度传感器性能是否合格。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器测试领域，具体涉及一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统及方法。

背景技术

航空发动机是在高温高压高速旋转的恶劣环境下工作的复杂机械，其对材料和制造工艺的要求极高。据研究，航空发动机的涡轮进口温度每提高100℃，发动机的推力可以增加20％，热效率可以提高8％。为了追求更高的性能和更经济的能耗，现代航空发动机的研究工作主要在于将涡轮前温度进一步提高。涡轮叶片作为将热能转换成机械能的主要部件，其可靠性设计成为新型发动机设计的关键。为提高涡轮叶片可靠性，需要测量分析涡轮叶片表面温度场分布，以便在材料、冷却、结构、工艺等方面采取有效措施。

薄膜热电偶是直接在涡轮叶片表面制备的瞬态温度传感器，不干扰涡轮叶片内部换热、不影响燃气气流，是解决涡轮叶片表面温度测量的理想测量技术，目前已有研究及部分试应用。

作为测量用传感器，热电偶在投入使用前需进行测试和标定。薄膜热电偶是直接在涡轮叶片上制备的，与涡轮叶片是一体设计，无法像一般的工业热电偶如热电偶丝和铠装热电偶一样，单独进行测试标定。目前，工业热电偶的检定一般采用比较法，通过将被检热电偶和标准热电偶放入高温检定炉，同时加热至恒定温度实现对热电偶的测量。但是，由于高温检定炉升温及保温时间较长，被测件长时间处于高温环境，对薄膜热电偶和涡轮叶片的寿命都会产生不利的影响。对于薄膜热电偶，受保护层厚度的限制，现阶段其在最高温度的工作寿命仅为10h左右，即使进行工艺持续优化，考虑使用环境和发动机试验要求，设计寿命也仅可达到数十小时。另外，对于涡轮叶片，其在工作中通过热障涂层和气膜冷却等多种技术的应用，金属表面温度会比表面燃气温度低200-300℃，内部温度更低。但是在高温检定炉的静态环境中，气冷措施无法使用，长时间温度恒定后，热障涂层的绝热效果也明显下降，使涡轮叶片金属温度可能会超过其合理工作温度，造成不可逆的损伤。

发明内容

为了解决现有涡轮叶片集成薄膜温度传感器无法采用工业热电偶测温标定方式，持续高温会对涡轮叶片和薄膜温度传感器寿命产生不利影响的技术问题，本发明提供了一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统，其特殊之处在于：包括加热箱、瞬时加热单元、成像单元、标准热电偶、检验仪和控制单元；

所述加热箱内用于放置待测涡轮叶片，以及侧壁开设有观察口；

所述瞬时加热单元位于加热箱外部，其包括激光器、聚光单元和转台；聚光单元位于加热箱侧壁观察口的外侧以及激光器的出射光路上；聚光单元设置在转台上，转台用于调整聚光单元的位置，使激光器出射的激光束经聚光单元汇聚反射后，并经观察口照射至待测涡轮叶片的测温区；

所述成像单元安装在加热箱观察口外侧，用于拍摄待测涡轮叶片，并将拍摄的视频信号输入至控制单元；

所述标准热电偶的数量与待测涡轮叶片上薄膜温度传感器的数量相等，且安装位置与薄膜温度传感器所处涡轮叶片测温区位置一一对应；

所述薄膜温度传感器和标准热电偶分别与检验仪连接，检验仪采集薄膜温度传感器和标准热电偶的温度，并将采集的温度数据输入至控制单元；

所述控制单元与激光器相连，用于控制激光器的出射能量，以及与转台相连，用于根据视频信号控制转台带动聚光单元转动；

所述控制单元对薄膜温度传感器和标准热电偶获得的温度进行比较，判断薄膜温度传感器性能是否合格。

进一步地，所述聚光单元为凹面反光镜；

或者，所述聚光单元包括沿激光器出射光路依次设置的汇聚镜和反射镜。

进一步地，所述加热箱内设置有用于放置待测涡轮叶片的平台。

进一步地，所述加热箱采用不锈钢板焊接加工，内壁填充有陶瓷保温材料，加热箱内设置有陶瓷加热器，加热箱上设置有温度传感器；

所述激光器外周安装有接近传感器。

进一步地，所述激光器为大功率CO

所述转台为二轴伺服转台；

所述标准热电偶和薄膜温度传感器与检验仪均通过补偿导线连接。

同时，本发明还提供了一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将集成有薄膜温度传感器的待测涡轮叶片放置于加热箱内，并在涡轮叶片的测温区安装标准热电偶，将待测薄膜温度传感器和标准热电偶分别连接至加热箱外的检验仪；

其中，标准热电偶的数量与涡轮叶片上薄膜温度传感器的数量相等，且位置一一对应；

2)开启成像单元，拍摄涡轮叶片图像，并在图像上标定激光加热点；

其中，激光加热点的数量与涡轮叶片测温区的数量相等，且位置一一对应；

3)使加热箱内腔温度升至预热温度；

4)转台带动聚光单元转动，使聚光单元的出射光束瞄准步骤2)的其中一个激光加热点，然后开启激光器，激光器出射的激光束经聚光单元反射并汇聚后，通过观察口照射至涡轮叶片上与该激光加热点相对应的测温区，进行瞬时加热，重复该过程，完成涡轮叶片所有测温区的加热；

5)检验仪采集每个激光加热点处标准热电偶获得的温度并输入至控制单元；

6)控制单元根据每个标准热电偶获得的温度数据实时控制激光器照射相对应激光加热点的能量，使每个标准热电偶所处的测温区按照预设温度曲线升温，检验仪实时采集每个激光加热点处标准热电偶获得的温度并输入至控制单元；

同时，在每个标准热电偶获得的温度数据达到设定温度点时，检验仪实时采集薄膜温度传感器获得的温度并输入至控制单元；

7)控制单元将每个激光加热点在每个设定温度点所对应的标准热电偶获得温度与薄膜温度传感器获得温度进行对比，若两者差值均在允差范围内，则激光加热点所对应的薄膜温度传感器性能正常；若否，薄膜温度传感器性能不达标。

进一步地，步骤6)中，激光器不同出射能量是通过改变激光器的发射功率和累计时间实现的。

进一步地，还包括：

步骤8)控制单元记录激光器加热开始时间和薄膜温度传感器阶跃响应输出时间，通过二者差值获得薄膜温度传感器热响应时间，并将薄膜温度传感器热响应时间与允差范围进行比较，若薄膜温度传感器热响应时间在允差范围内，则薄膜温度传感器响应时间正常，若否，薄膜温度传感器响应时间不达标。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明测试系统及方法通过加热箱将涡轮叶片预热至对材料安全的高温区间，在不影响涡轮叶片和薄膜温度传感器寿命的情况下，通过控制激光束对测温区局部瞬态加热，避免长时间高温对薄膜温度传感器和涡轮叶片造成损伤。

2、本发明测试系统通过控制单元控制激光束对测温区局部瞬态加热，可以在极短的时间内控制薄膜温度传感器的温度变化，避免持续高温环境对薄膜温度传感器和涡轮叶片的寿命影响；同时，通过控制单元控制激光器的发射功率和累计照射时间，可以灵活调整温度变化曲线，实现对发动机内部温度变化的模拟；进而可以更精准的温度控制，实现对薄膜温度传感器进行更全面的测试。

3、本发明测试系统基于视觉检测技术(成像单元拍摄激光光斑位置)的激光瞬态加温控制，可模拟复杂温度曲线，并减少对被测产品的寿命影响，适用于温度传感器的快速测试标定。

4、本发明测试系统通过成像单元检测激光光斑位置，并通过二轴伺服转台调整光斑位置，可对多个涡轮叶片加热，实现多个涡轮叶片上的多个薄膜温度传感器的测试。

附图说明

图1为本发明用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统结构示意图；

其中，附图标记如下：

1-加热箱，11-观察口，2-瞬时加热单元，21-激光器，22-聚光单元，23-转台，3-成像单元，4-标准热电偶，5-检验仪，6-控制单元，7-涡轮叶片，71-薄膜温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统，包括加热箱1、瞬时加热单元2、成像单元3、标准热电偶4、检验仪5和控制单元6。

加热箱1内用于放置待测涡轮叶片7，为了便于涡轮叶片7的放置，加热箱1内设置有用于放置待测涡轮叶片7的平台。本实施例加热箱1采用不锈钢板焊接加工，内壁填充有陶瓷保温材料；加热箱1内还设置有陶瓷加热器，用于对加热箱1内腔进行加热升温，使用温控器控制对加热箱1内部整体加热；加热箱1上设有温度传感器，用于测量加热箱1内腔的温度；加热箱1的侧壁上开设有观察口11。

瞬时加热单元2位于加热箱1外部，其包括激光器21、聚光单元22和转台23；激光器21安装在加热箱1外部，在激光器21外周安装有接近传感器，可避免在使用过程中人员接近造成伤害。聚光单元22位于加热箱1侧壁的观察口11外部以及激光器21的出射光路上，激光器21出射的激光束经聚光单元22反射并汇聚后，通过加热箱1侧壁的观察口11照射至待测涡轮叶片7上，进行快速瞬时加热；本实施例聚光单元22为凹面反光镜，凹面反光镜用于汇聚反射激光光束，激光聚光后通过观察口11照射到涡轮叶片7的测温区；在其他实施例中，聚光单元22可采用由沿激光器21出射光路依次设置的汇聚镜和反射镜组成。

激光器21与控制单元6相连，本实施例控制单元6为计算机，激光器21为大功率CO

转台23为伺服转台，凹面反光镜安装在伺服转台上，伺服转台由计算机控制，通过计算机驱动伺服转台转动，进而带动其上的凹面反光镜移动，调整凹面反光镜出射激光对涡轮叶片7的加热位置，使经凹面反光镜聚光后的激光瞄准涡轮叶片7的测温区。

成像单元3采用高清工业摄像机，使用千兆以太网连接计算机，成像单元3安装在加热箱1观察口11外部，用于拍摄待测涡轮叶片7，并将拍摄的视频信号输入计算机，计算机根据拍摄的涡轮叶片7测温区与激光照射的光斑位置，实时通过转台23调整聚光单元22的位置，使激光光斑位置和涡轮叶片7测温区的位置精准对准。

待测涡轮叶片7上每个测温区安装有薄膜温度传感器71，标准热电偶4的数量与薄膜温度传感器71的数量相等，且安装位置与薄膜温度传感器71所处涡轮叶片7测温区位置一一对应；本实施例以涡轮叶片7上安装2个薄膜温度传感器71为例，则标准热电偶4也为2个，且位置与2个薄膜温度传感器71一一对应，分别位于涡轮叶片7的2个测温区，标准热电偶4采用细偶丝，通过耐高温胶将测量端粘结在薄膜温度传感器71所处测温区位置。

薄膜温度传感器71和标准热电偶4均通过补偿导线连接至加热箱1外部的检验仪5，检验仪5采集薄膜温度传感器71和标准热电偶4的温度，并将采集的温度数据输入至计算机，计算机对薄膜温度传感器71和标准热电偶4获得的温度进行比较，根据两者的差值判断薄膜温度传感器71性能是否合格。

本实施例测试系统安装时进行一次图像标定，建立高温箱内测试位置、成像单元图像、伺服转台位置的空间对应关系。

本实施例测试系统对涡轮叶片7上薄膜温度传感器71的测试过程：

1)将集成有薄膜温度传感器71的待测涡轮叶片7放置于加热箱1内，使涡轮叶片7的测温区正对加热箱1的观察口11；并在涡轮叶片7的2个测温区分别安装标准热电偶4，将2个测温区的2个待测薄膜温度传感器71和2个标准热电偶4分别连接至加热箱1外的检验仪5；

2)开启成像单元3，拍摄涡轮叶片7图像，并在图像上标定激光加热点；

其中，激光加热点的数量与涡轮叶片7测温区的数量相等，且位置一一对应，则本实施例激光加热点为2个；

3)计算机控制陶瓷加热器工作，将加热箱1内腔温度加热至预热温度，该预热温度在加热箱1、涡轮叶片7、薄膜温度传感器71和标准热电偶4的安全范围内；

4)计算机控制转台23转动，转台23带动聚光单元22转动，使经聚光单元22汇聚后的出射光束瞄准其中一个激光加热点，然后开启激光器21，激光器21出射的激光束经聚光单元22反射并汇聚后，通过观察口11照射至涡轮叶片7上与该激光加热点相对应的测温区，进行瞬时加热；

然后，计算机控制转台23转动，转台23带动聚光单元22转动，使经聚光单元22汇聚后的出射光束瞄准另一个激光加热点，然后开启激光器21，激光器21出射的激光束经聚光单元22反射并汇聚后，通过观察口11照射至涡轮叶片7上与该激光加热点相对应的测温区，进行瞬时加热；完成涡轮叶片7的2个测温区的激光瞬时加热；

5)检验仪5采集2个标准热电偶4获得的温度并输入至控制单元6；

6)控制单元6根据每一路标准热电偶4获得的温度数据，并实时控制激光器21的发射功率和累计时间，进而改变激光器21照射相对应激光加热点的能量，发射功率和累计时间的改变应满足：使每一路标准热电偶4所处的测温区按照预设温度曲线升温；在升温过程中，检验仪5实时采集激光器21不同出射能量下每个激光加热点处标准热电偶4获得的温度，并输入至控制单元6；

同时，在每个标准热电偶4获得的温度数据达到设定温度点时，检验仪5实时采集薄膜温度传感器71获得的温度并输入至控制单元6；

7)控制单元6将每个激光加热点在每个设定温度点所对应的标准热电偶4获得温度与薄膜温度传感器71获得温度进行对比，若两者差值均在允差范围内，则该激光加热点所对应的薄膜温度传感器71性能正常；若否，薄膜温度传感器71性能不达标。

本实施例测试过程还包括薄膜温度传感器71响应时间测试步骤，2个薄膜温度传感器71的测试方法相同，具体为：

控制单元6记录激光器21加热开始时间和薄膜温度传感器71阶跃响应输出时间，通过二者差值获得薄膜温度传感器71热响应时间，并将薄膜温度传感器71热响应时间与允差范围进行比较，若薄膜温度传感器71热响应时间在允差范围内，则该薄膜温度传感器71响应时间正常，若否，薄膜温度传感器71响应时间不达标。

整个测试过程完成后，加热箱1降温至室温，取出涡轮叶片7。

本实施例伺服转台也可为二轴伺服转台，可将多个安装有薄膜温度传感器71和标准热电偶4的涡轮叶片7放置于加热箱1内，计算机通过控制二轴伺服转台的转动角度，进而控制聚光单元22的出射激光光斑在平面移动，实现加热箱1内多个涡轮叶片7上薄膜温度传感器71的测试。

本实施例通过控制激光束对测温区局部瞬态加热，避免长时间高温对薄膜温度传感器和涡轮叶片造成损伤；通过视觉(成像单元)检测激光照射在涡轮叶片7测温区的激光光斑，并通过伺服转台调整光斑位置，可同时对多个涡轮叶片7多个薄膜温度传感器71进行加热，并进行性能测试；通过加热箱将涡轮叶片7预热至对材料安全的高温区间，在不影响涡轮叶片7和薄膜温度传感器71寿命的情况下，减小激光发射功率和时间，实现更精准的温度控制；本实施例通过计算机控制激光器21的发射功率和累计时间，实现基于计算机模拟复杂温度曲线控制，可对薄膜温度传感器71进行更全面的测试。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。