[发明专利]用于涡轮叶片集成薄膜温度传感器的测试系统及方法

说明书

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。

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；