适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种适用于磷光寿命衰减法的寿命‑温度标定装置及标定方法。该寿命‑温度标定装置包括：激光光源、激光传输系统、双色系统、加热系统、辐射光传输系统、信号采集系统和数据处理系统；所述加热系统包括加热炉、待测样品和热电偶；所述待测样品放置在加热炉内的夹具上；待测样品表面涂覆有磷光涂层；所述热电偶焊接在待测样品背面；所述加热炉安装有一个光学窗口。本发明专利技术利用加热炉及其配套光学通道为待测样品提供可控高温环境及光路传输通道，有效模拟航空发动机高温环境，能够测得待测样品所辐射的特定波长的磷光的衰变时间常数随温度的变化规律，为寿命衰减法测温提供基础数据支持；并且通过双色系统的巧妙设置，大大简化了实验装置。

【技术实现步骤摘要】
适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置及标定方法
本专利技术涉及非接触固体表面温度测量
，特别是涉及一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置及标定方法。
技术介绍
航空发动机涡轮前温度直接决定着航空发动机整机的效率和输出功，因此实际航空发动机要提高推力和热效率就必须提高涡轮前温度。然而涡轮前温度提高的同时，也对涡轮盘、涡轮叶片等热端部件的设计提出了极高要求。在设计阶段，航空发动机热端部件的温度水平和温度梯度直接决定了热端部件的安全性和使用寿命，而温度水平和温度梯度则取决于高温部件的冷却设计和发动机热分析系统的精度，这就离不开热端部件表面温度的准确获取。在使用以及维护方面，实时温度测量可以用来监测热防护系统、关键部件的实时性能，及时排故，提升航空发动机的可靠性及安全性，并能够预测关键组件的剩余寿命。然而受复杂燃气环境、高温、高转速等苛刻条件影响，航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等高温固体表面温度的准确获取，是当今航空测量技术中的一大难题。传统的测温技术均存在一定的缺陷。红外测温法由于受到发光火焰、反射辐射、表面发射率变化以及光学系统清洁度降低等因素限制，其应用十分困难；热电偶受到造价、对待测部件干扰、不利于更换拆卸以及引线等因素的影响，且只能实现单一点测温。磷光测温法可以有效克服上述问题，并且不受航空发动机复杂燃气成分的影响。该技术是利用掺杂了镧系元素的陶瓷具有随温度变化的发光特性进行测温。为了测量表面温度，将一层此类涂料涂在材料表面上，用紫外光等激发光源照射，通过对受激光情况的测量即可获取表面温度。寿命衰减法是磷光测温法的一种，磷光涂层受到激发时，会辐射出磷光，在停止激发后，余晖衰减速率随温度变化而改变，因此实际应用时，需要对磷光的衰减速率和温度的对应关系曲线进行标定，衰减速率用衰变时间常数表征，衰变时间常数则是指光强从最大值衰减到最大值的1/e所需要的时间。当前测量荧光寿命光谱主要采用荧光分光光度计测量，但其设备结构复杂，且无法为样品提供可控高温环境，不能获得样品磷光衰减特性随温度的变化规律，不适用于寿命衰减法测温。因此开发设计一种能够实现样品温度可控且温度上限较高，能够适用于寿命衰减法的标定装置是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置及标定方法，以解决当前测量荧光/磷光寿命光谱的设备结构复杂，且无法为样品提供可控高温环境，不能获得样品磷光衰减特性随温度的变化规律，不适用于寿命衰减法测温的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置，所述寿命-温度标定装置包括：激光光源、激光传输系统、双色系统、加热系统、辐射光传输系统、信号采集系统和数据处理系统；所述激光光源用于产生激发待测样品磷光的激光；所述激光传输系统位于所述激光光源的出射光路上；所述双色系统分别位于所述激光传输系统的反射光路和所述加热系统的出射光路上；所述加热系统位于所述双色系统的反射光路上；所述辐射光传输系统位于所述双色系统的透射光路上；所述信号采集系统位于所述辐射光传输系统的出射光路上；所述信号采集系统分别与所述激光光源和所述数据处理系统连接；所述加热系统包括加热炉、待测样品和热电偶；所述待测样品放置在所述加热炉内的夹具上；所述待测样品表面涂覆有磷光涂层；所述热电偶焊接在所述待测样品背面；所述加热炉面向所述双色系统的一侧设置有光学窗口。可选的，所述激光传输系统包括功率计、分束器和反射镜；所述分束器设置在所述激光光源的出射光路上；所述功率计设置在所述分束器的反射光路上；所述反射镜设置在所述分束器的透射光路上。可选的，所述双色系统包括二向色镜；所述二向色镜设置在所述反射镜的反射光路上；所述加热炉设置在所述二向色镜的反射光路上；经所述二向色镜反射的激光透过所述光学窗口照射到所述待测样品上。可选的，所述辐射光传输系统包括长通滤波器和凸透镜；所述信号采集系统包括依次连接的单色仪、光电倍增管和示波器；所述二向色镜还设置在所述加热炉的出射光路上；所述长通滤波器和所述凸透镜依次设置在所述二向色镜的透射光路上；所述待测样品在激光诱导下辐射出的磷光从所述光学窗口出射后，经过所述二向色镜透射至所述长通滤波器，再经所述长通滤波器透射至所述凸透镜，由所述凸透镜将所述磷光聚焦于所述单色仪的入口狭缝处。可选的，所述数据处理系统包括计算机；所述示波器还分别与所述激光光源和所述计算机连接；所述单色仪用于从磷光信号中分离出单一波长的单色光信号输入至所述光电倍增管；所述光电倍增管将所述单色光信号转换成模拟电信号并输入至所述示波器；所述模拟电信号中包含所述单色光信号的光强信息；所述示波器将从所述光电倍增管输入的所述模拟电信号转换为数字光强信号并发送至所述计算机。可选的，所述计算机用于根据所述数字光强信号随时间的变化计算出每个激光脉冲下的衰变时间常数；所述计算机还与所述热电偶连接，用于获取所述待测样品表面的温度；所述计算机还用于根据所述温度和对应的衰变时间常数生成衰变时间常数随温度的变化曲线作为标定曲线。一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定方法，所述寿命-温度标定方法基于所述的寿命-温度标定装置；所述寿命-温度标定方法包括：将待测样品安装固定到加热炉内的夹具上；设定所述加热炉的加热温度，启动所述加热炉对所述待测样品进行加热；待所述加热炉内的温度稳定后，启动激光光源、激光传输系统、双色系统、辐射光传输系统、信号采集系统和数据处理系统；所述信号采集系统在受到所述激光光源触发后，采集所述待测样品辐射出的磷光信号并将其转化成数字光强信号传入所述数据处理系统；所述数据处理系统根据所述信号采集系统在多个激光脉冲内的数字光强信号随时间的变化计算出标准衰变时间常数；所述待测样品背面安装的热电偶采集所述待测样品表面的温度并发送至所述数据处理系统；所述数据处理系统根据所述温度和对应的所述标准衰变时间常数生成衰变时间常数随温度的变化曲线作为标定曲线。可选的，所述信号采集系统采集所述待测样品辐射出的磷光信号并将其转化成数字光强信号传入所述数据处理系统，具体包括：所述信号采集系统包括依次连接的单色仪、光电倍增管和示波器；所述单色仪从所述磷光信号中分离出单一波长的单色光信号输入至所述光电倍增管；所述光电倍增管将所述单色光信号转换成模拟电信号并输入至所述示波器；所述模拟电信号中包含所述单色光信号的光强信息；所述示波器将从所述光电倍增管输入的所述模拟电信号转换为数字光强信号并发送至所述数据处理系统。可选的，所述数据处理系统根据所述信号采集系统在多个激光脉冲内的数字光强信号随时间的变化计算出标准衰变时间常数，具体包括：所述数据处理系统根据所述信号采集系统在每个激光脉冲内的数字光强信号随时间的变化计算出每个脉冲下的衰变时间常数；所述数据处理系统将同一温度下的多个激光脉冲对应的多个衰变时间常数进行平均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述寿命-温度标定装置包括：激光光源、激光传输系统、双色系统、加热系统、辐射光传输系统、信号采集系统和数据处理系统；/n所述激光光源用于产生激发待测样品磷光的激光；所述激光传输系统位于所述激光光源的出射光路上；所述双色系统分别位于所述激光传输系统的反射光路和所述加热系统的出射光路上；所述加热系统位于所述双色系统的反射光路上；所述辐射光传输系统位于所述双色系统的透射光路上；所述信号采集系统位于所述辐射光传输系统的出射光路上；所述信号采集系统分别与所述激光光源和所述数据处理系统连接；/n所述加热系统包括加热炉、待测样品和热电偶；所述待测样品放置在所述加热炉内的夹具上；所述待测样品表面涂覆有磷光涂层；所述热电偶焊接在所述待测样品背面；所述加热炉面向所述双色系统的一侧设置有光学窗口。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于磷光寿命衰减法的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述寿命-温度标定装置包括：激光光源、激光传输系统、双色系统、加热系统、辐射光传输系统、信号采集系统和数据处理系统；
所述激光光源用于产生激发待测样品磷光的激光；所述激光传输系统位于所述激光光源的出射光路上；所述双色系统分别位于所述激光传输系统的反射光路和所述加热系统的出射光路上；所述加热系统位于所述双色系统的反射光路上；所述辐射光传输系统位于所述双色系统的透射光路上；所述信号采集系统位于所述辐射光传输系统的出射光路上；所述信号采集系统分别与所述激光光源和所述数据处理系统连接；
所述加热系统包括加热炉、待测样品和热电偶；所述待测样品放置在所述加热炉内的夹具上；所述待测样品表面涂覆有磷光涂层；所述热电偶焊接在所述待测样品背面；所述加热炉面向所述双色系统的一侧设置有光学窗口。


2.根据权利要求1所述的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述激光传输系统包括功率计、分束器和反射镜；所述分束器设置在所述激光光源的出射光路上；所述功率计设置在所述分束器的反射光路上；所述反射镜设置在所述分束器的透射光路上。


3.根据权利要求2所述的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述双色系统包括二向色镜；所述二向色镜设置在所述反射镜的反射光路上；所述加热炉设置在所述二向色镜的反射光路上；经所述二向色镜反射的激光透过所述光学窗口照射到所述待测样品上。


4.根据权利要求3所述的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述辐射光传输系统包括长通滤波器和凸透镜；所述信号采集系统包括依次连接的单色仪、光电倍增管和示波器；
所述二向色镜还设置在所述加热炉的出射光路上；所述长通滤波器和所述凸透镜依次设置在所述二向色镜的透射光路上；所述待测样品在激光诱导下辐射出的磷光从所述光学窗口出射后，经过所述二向色镜透射至所述长通滤波器，再经所述长通滤波器透射至所述凸透镜，由所述凸透镜将所述磷光聚焦于所述单色仪的入口狭缝处。


5.根据权利要求4所述的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述数据处理系统包括计算机；所述示波器还分别与所述激光光源和所述计算机连接；
所述单色仪用于从磷光信号中分离出单一波长的单色光信号输入至所述光电倍增管；所述光电倍增管将所述单色光信号转换成模拟电信号并输入至所述示波器；所述模拟电信号中包含所述单色光信号的光强信息；所述示波器将从所述光电倍增管输入的所述模拟电信号转换为数字光强信号并发送至所述计算机。


6.根据权利要求5所述的寿命-温度标定装置，其特征在于，所述计算机用于根据所述数字光强信号随时间的变化计算出每个激光脉冲下的衰变时间常...

【专利技术属性】
技术研发人员：全永凯，徐国强，殷秋洋，刘臻丽，闻洁，董苯思，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11