一種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用激光反射原理測量高速旋轉(zhuǎn)物體在高溫環(huán)境下變形的方法，屬于 固體力學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天，火力、核能發(fā)電等領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)的使用非常廣泛，在 發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)中的地面考核測試中，其熱端部件的變形是評價(jià)考核結(jié)果的重要因 素，渦輪葉片、轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸等旋轉(zhuǎn)部件作為熱端部件的重要組成部分，其在高溫環(huán)境下高 速旋轉(zhuǎn)的變形測量對于評估其壽命及熱力學(xué)指標(biāo)具有重要指導(dǎo)意義，是對現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行 改進(jìn)以及探索和預(yù)研新一代發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的基礎(chǔ)保證因素，也是研發(fā)進(jìn)口溫度更高，功率更 大的重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。除此之外，在渦輪葉片、轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸等旋轉(zhuǎn)部件在高 溫環(huán)境下服役時(shí)，對這些部件的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測也非常重要，通過測量高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn) 中的部件變形信息可以預(yù)測結(jié)構(gòu)受損程度，進(jìn)而提前采取相應(yīng)措施可以有效減少人力物力 的損失和消耗。
[0003] 目前比較完備的測量物體表面變形的方法有接觸法測量和非接觸測量兩種方式， 前者通過在物體表面粘貼應(yīng)變片來測量應(yīng)變，將應(yīng)變積分可得到相應(yīng)的變形信息；后者通 過激光干涉法、云紋法、數(shù)字圖像處理等技術(shù)直接獲得物體表面的變形信息。但在物體處于 高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，已有的兩種測量方式均不再適用。
[0004] 激光具有方向性好亮度高等特點(diǎn)，結(jié)合高速攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)，獲得高溫 環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形，該變形由熱膨脹導(dǎo)致的變形和離心力導(dǎo)致的變形組成，對評 估發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片地面考核的性能及提出相應(yīng)的改進(jìn)方案有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形測量裝置及方法，該裝置 可實(shí)現(xiàn)對高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形記錄，同時(shí)在此裝置基礎(chǔ)上提出高溫環(huán)境下高速 旋轉(zhuǎn)物體的變形測量方法，該方法可對高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的表面徑向變形和周向變 形進(jìn)行非接觸、實(shí)時(shí)測量。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0007] -種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形測量裝置，其特征在于:該裝置包括安裝在 待測區(qū)域的一組徑向激光反射片、安裝在待測區(qū)域的一組周向激光反射片、點(diǎn)激光發(fā)射器、 線激光發(fā)射器、激光接收器、激光接收屏、高速相機(jī)、信號觸發(fā)器和計(jì)算機(jī);一組徑向激光反 射片包含兩個(gè)平行布置的第一徑向激光反射片和第二徑向激光反射片，且沿被測物體旋轉(zhuǎn) 方向徑向安裝;一組周向激光反射片包含兩個(gè)平行布置的第一周向激光反射片和第二周向 激光反射片，沿被測物體旋轉(zhuǎn)方向周向安裝;被測物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，點(diǎn)激光發(fā)射器發(fā)射的激光照 射到周向激光反射片上并被反射，反射光被激光接收器接收并形成脈沖信號;所述線激光 發(fā)射器發(fā)射的線激光沿被測物體旋轉(zhuǎn)方向徑向照射，且被測物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，線激光發(fā)射器照 射到徑向激光反射片上并被反射到激光接收屏上形成激光光斑，所述高速相機(jī)拍攝記錄所 述激光光斑的位置和大小;所述計(jì)算機(jī)用以存儲激光接收器的脈沖信號和高速相機(jī)所拍攝 的激光光斑圖像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0008] 優(yōu)選地，所述徑向激光反射片包含的兩個(gè)平行布置的徑向激光反射片之間的距離 小于被測物體被測方向長度的1 /10。
[0009] 優(yōu)選地，所述周向激光反射片包含的兩個(gè)平行布置的周向激光反射片之間的距離 小于被測物體被測方向長度的1 /10。
[0010] 優(yōu)選地，所述徑向激光反射片和周向激光反射片均由耐高溫材料制成，呈長條形， 且表面光滑。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案中，當(dāng)被測物體包含多個(gè)沿旋轉(zhuǎn)方向徑向無交叉的待測區(qū)域 時(shí)，在每個(gè)待測區(qū)域分別安裝一組徑向激光反射片和一組周向激光反射片。
[0012] 本發(fā)明提供的一種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形測量方法，其特征在于該方法 包括如下步驟：
[0013] 1)在被測物體的待測區(qū)域上安裝一組徑向激光反射片和一組周向激光反射片，在 被測物體的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，使第一周向激光反射片先被點(diǎn)激光發(fā)射器照射，激光反射后 被激光接收器接收，產(chǎn)生第一脈沖信號，該脈沖信號通過信號觸發(fā)器控制高速相機(jī)開始拍 攝;隨后，第一徑向激光反射片和第二徑向激光反射片同時(shí)被線激光發(fā)射器照射，之后反射 到激光接收屏上形成激光光斑，并被正在運(yùn)行的高速相機(jī)拍攝記錄，獲得激光光斑圖像;之 后，第二周向激光反射片被點(diǎn)激光發(fā)射器照射，激光反射后被激光接收器接收，產(chǎn)生第二脈 沖信號，該脈沖信號通過信號觸發(fā)器控制高速相機(jī)結(jié)束拍攝;激光接收器所產(chǎn)生脈沖信號 及高速相機(jī)所拍攝激光光斑圖像均被存儲在計(jì)算機(jī)上；
[0014] 2)下一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，重復(fù)以上步驟;測試結(jié)束時(shí)，得到多組脈沖信號和多組激光 光斑圖像的數(shù)據(jù)；
[0015] 3)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對所拍攝的激光光斑圖像進(jìn)行處理，得到徑向變形值： 將拍攝的多組激光光斑圖像進(jìn)行二值化處理，獲取兩激光光斑的中心點(diǎn)坐標(biāo)( X1，y〇和(X2， y2)，則第一徑向激光反射片和第二徑向激光反射片之間變形后的距離Ur為：
[0016]
[0017]其中，m為圖像上單位像素代表的長度值，根據(jù)變形后距離ur和初始距離urQ，得到 第一徑_激和第二徑向激光反射片(2b)之間的徑向應(yīng)變er:
[0018]
[0019] 求得多組徑向變形后距離Uri，得到隨時(shí)間變化的多組徑向應(yīng)變值^1;
[0020] 4)通過信號處理技術(shù)對所產(chǎn)生脈沖信號進(jìn)行處理，得到周向變形值:識別出計(jì)算 機(jī)記錄的多組脈沖信號的峰值處對應(yīng)的時(shí)間，設(shè)相鄰兩個(gè)脈沖信號峰值處對應(yīng)時(shí)間為七和 t2，被測物體轉(zhuǎn)速為R，第一周向激光反射片和第二周向激光反射片距旋轉(zhuǎn)中心距離為Dc，則 第一周向激光反射片和第二周向激光反射片(3b)之間變形后距離u。為：
[0021] uc = 23TDcR(t2-ti)
[0022] 根據(jù)變形后距離uc和初始距離UcQ，得到第一周向激光反射片和第二周向激光反射 片之間的周向應(yīng)變ε。： η.-鉍e -鉍
[0023] &c---- Mc0
[0024] 求得多組周向變形后距離ucl，得到隨時(shí)間變化的多組周向應(yīng)變值ecl。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:設(shè)計(jì)了高溫環(huán)境下高速旋 轉(zhuǎn)物體變形測量裝置，實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體變形測量，填補(bǔ)了高溫環(huán)境下高速 旋轉(zhuǎn)物體變形測量的空缺，為目前發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的地面在線考核提供重要的 參考數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明提供的一種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體變形測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意 圖，圖2是對高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的徑向變形測量裝置被測物體的待測區(qū)域中激光反 射片安裝位置的詳細(xì)演示。
[0027]圖中：1 -被測物體、2-徑向激光反射片、2a_第一徑向激光反射片、2b_第二徑向激 光反射片、3-周向激光反射片、3a-第一周向激光反射片、3b-第二周向激光反射片、4-點(diǎn)激 光發(fā)射器、5-線激光發(fā)射器、6-激光接收器、7-激光接收屏、8-高速攝像機(jī)、9-信號觸發(fā)器、 1 〇-計(jì)算機(jī)、11 -待測區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作過程和實(shí)施方式。
[0029] 圖1是一種高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)物體的變形測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖，該裝置 包括安裝在待測區(qū)域的一組徑向激光反射片2、安裝在待測區(qū)域的一組周向激光反射片3、 點(diǎn)激光發(fā)射器4、線激光發(fā)射器5、激光接收器6、激光接收屏7、高速相機(jī)8、信號觸發(fā)器9和計(jì) 算機(jī)10;-組徑向激光反射片2包含兩個(gè)平行布置的第一徑向激光反射片2a和第二徑向激 光反射片2b，且沿被測物體1旋轉(zhuǎn)方向徑向安裝;一組周向激光反射片3包含兩個(gè)平行布置 的第一周向激光反射片3a和第二周向激光反射片3b，沿被測物體1旋轉(zhuǎn)方向周向安裝;被測 物體1旋轉(zhuǎn)時(shí)，點(diǎn)激光發(fā)射器4發(fā)射的激光照射到周向激光反射片上并被反射，反射光被激 光接收器6接收并形成脈沖信號;所述線激光發(fā)射器5發(fā)射的線激光沿被測物體1旋轉(zhuǎn)方向 徑向照射，且被測物體1旋轉(zhuǎn)時(shí)，線激光發(fā)射器5照射到徑向激光反射片上并被反射到激光 接收屏7上形成激光光斑，所述高速相機(jī)8拍攝記錄所述激光光斑的位置和大小;所述計(jì)算 機(jī)10用以存儲激光接收器6的脈沖信號和高速相機(jī)8所拍攝的激光光斑圖像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理;徑向激光反射片2包含的兩個(gè)平行布