红外热像仪在发动机静止构件表面温度测量中的应用

黄梦薇 周峰 詹禄禄

摘  要：通常情况下，接触法测温能比较准确地得到测量值，但无法直接接触被测表面，或在被测表面安装接触式传感器会严重破坏温度场的情况下，需要利用非接触法测温。本文简要介绍了最常用的非接触测温设备红外热像仪的成像原理和结构组成，阐述了红外热像仪在航空发动机静止构件表面温度测量中的应用。为了验证红外热像仪的测量准确性，对发动机排气管采用热电偶测温、示温漆测温、红外热像仪测温三种方法进行了表面温度测量，并分析了影响红外测温准确度的因素和改进措施。

关键词：红外热像仪;温度测量;航空发动机

Abstract：Contact temperature measurement can guarantee precise measurement results in most cases，but noncontact temperature measurement has to be adopted under circumstances where direct contact with the surface is not feasible，or sensors installed on the surface will greatly damage the temperature field，need to use non-contact method to measure temperature. This paper briefly introduces the imaging principle and structure of infrared thermal imager，which is the most commonly used non-contact temperature measurement equipment，and expounds the application of infrared thermal imager in surface temperature measurement of aeroengine stationary components. In order to verify the measurement accuracy of infrared thermal imager，the surface temperature of engine exhaust pipe is measured by three methods：thermocouple temperature measurement，temperature paint temperature measurement and infrared thermal imager temperature measurement. The factors affecting the accuracy of infrared temperature measurement and the improvement measures are analyzed.

Keywords：infrared camera;temperature measurement;aero engine

0  引  言

在發动机静止构件表面温度测量中，根据测温方法的不同，分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温基于热平衡原理，主要包括热电偶、热电阻、示温漆和晶体测温法等。热电偶、热电阻测温法技术成熟，测量精度高，主要针对单点测量;示温漆可以进行大面积的测量，但其测量精度不高，且只能记录零件表面经历的最高温度。非接触测温一般为基于热辐射定律的光学测温法，最常用的设备是红外热像仪，它不破坏被测温场和发动机表面，准确度高、响应快、测量范围广，尤其适于测高温，在航空发动机温度测量中有良好的应用前景。

1  红外测温的技术基础

1.1  普朗克（planck）定律

一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式不停地向周围空间辐射能量。其辐射能包括各种波长，其中波长范围在0.76～1000μm之间的称为红外光波。在红外辐射技术的研究和应用中，设定了具有理想中最大辐射功率的物体，称之为黑体。红外测温技术的理论基础是普朗克分布定律，它揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学表达式为：

斯蒂芬-玻耳兹曼定律又称为辐射四次方定律，是热辐射工程计算的基础。四次方定律表明，随着温度的上升，辐射力急剧增加。实际物体的辐射力总是小于同温度下黑体的辐射力，两者的比值称为实际物体的发射率，也称黑度，记为ε。因此，实际物体的辐射力可以表示为：

从上式可以看出，实际物体的红外辐射能量的大小与它的表面温度和发射率有着十分密切的关系。因此，通过对物体发射率的测量，能准确地测定它的表面温度，这是红外辐射测温所依据的客观基础。

2  红外热像仪的测温原理与结构

2.1  红外成像的物理原理

红外热像仪是一种成像测温装置，它利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，形成“热像”。由于人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光转变为可见光的功能，将红外图像变为可见图像。

2.2  红外热像仪的结构

红外热像仪由光学系统、红外探测器、数字式红外转换系统、显示输出等几部分组成。热像仪通过红外探测器捕获目标体的辐射能量，经转换系统将目标体辐射的功率信号转换成电信号，该信号经过放大器和信号处理电路，按照仪器内部的算法运算校正后转变为被测目标的温度值，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。其原理结构如图1所示。

3  红外热像仪在航空发动机静止构件表面温度测量中的应用

为了试验红外热像仪在发动机静止构件表面温度实时测量的可行性，对发动机部分壳体在不同工况下的表面温度进行了测量。

试验选取SAT某型号红外热像仪，其工作波段为8～ 13μm，测温范围为-10～600℃，测温精度为±2℃，空间分辨率为1.3mrad，帧频为50帧/秒。具体过程如下：

将红外热像仪置于测点1m处，调节三脚架高度及红外热像仪角度，使之处于测量最佳位置，并使用电缆通过RS232接口将热像仪与计算机相连。通电后，依照发动机表面材料发射率测量试验结果，设置发射率参数值，打开红外热像仪配套的红外图像处理软件，调焦使显示屏上的图像清晰。试验后，在需要的时候选取图像并保存，便可得到发动机所测部位的热像图，如图2所示。

分别在发动机的慢车和最大状态进行了测量，应用分析软件得到排气管安装边、保温层、波纹管三处在慢车和最大状态的温度，如表1所示。

从热图的明暗程度可以直观地了解温度的高低，随着温度不断升高，热图像的亮度也随之变化，其颜色从暗逐渐变亮。

4  红外热像仪测温与其他测温方法的比较

为了验证红外热像仪对发动机静止构件表面温度测量的准确性，在试验台同时用热电偶、示温漆、红外热像仪三种测量方法对发动机排气管的表面温度进行了测量。

在排气管的表面焊接了3支壁面热电偶，热电偶信号由数据采集系统进行测量，3个测点的名称分别为T壁前、T壁中、T壁后。同时在试验件排气管的表面喷涂示温漆。

调节加温器的出口温度，至排气管的表面温度稳定5分钟。记录壁面热电偶的测量值，同时应用红外热像仪得到排气管的热图像，如图3所示。

重复前述步骤，得到壁面热电偶的测量值。运行“红外图像分析处理软件”，按发射率测量试验结果设置发射率参数值，得到分别与3个测量点P01、P02、P03对应的温度值。试验后对排气管的示温漆测量结果进行判读。结果如表2所示。

由此试验可知，热电偶测温可实现定量测温，测量精度高，但是只能测量点的温度;红外热像仪测温和示温漆测温不干扰气流状态和部件表面，可实现大面积测温功能，但两种测温方法精度皆不高，且示温漆测温只能得到零件表面的最高温度。

4  误差分析

4.1  误差分析

由于红外测温是非接触式的，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要在以下几个方面：

（1）发射率。发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。不同物质的发射率是不同的，同种物质在不同温度下的发射率也是不同的，这些都给发射率的准确测量带来了巨大的难度;

（2）距离系数。距离系数K对红外测温的精确度有很大的影响，距离系数就是热像仪到目标的距离与测温目标直径的比值，K越大，分辨率越高。如何取一个合适的K值，这是一个难题;

（3）环境因素。红外热像仪接收到的有效辐射包括部分目标自身辐射、环境反射辐射和大气辐射三个部分，被测物体所处的环境对测量的结果不可避免地产生影响。

4.2  改进措施

下面是一些减小测量误差的改进措施：

（1）提高发射率测量的精度：将发射率测量试验所用的设备都换成高精度的;对所得结果多次测量，取平均值;

（2）尽量使发射率测量试验和红外热像仪测温试验在相同的背景环境下;

（3）应该选择适当的测试角度和位置，或设置必要的屏蔽措施，以消除反射的影响，尽量减小辐射亮度的测量误差;

（4）做好前期準备工作，根据试验要求确定测温范围、测点位置及尺寸，选择最佳的距离系数，选择适当的工作波段。

5  结  论

本文分析了红外热像仪的原理和特点，利用它对航空发动机静止构件表面实现了“非接触”实时测量，并进行了实验验证。在此基础上，可以得出两点结论：第一，采用红外测温法可以实现发动机表面温度的“非接触”测量;第二，红外测温、热电偶、示温漆三种方法各有特点，相互补充，共同构成发动机温度测量体系，在具体试验中，应根据测试要求和发动机被测部位选用合适的测量方法。

参考文献：

[1] 张健，杨立，刘慧开.环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响 [J].红外技术，2005（5）：419-422.

[2] 杨永军，蔡静.特殊条件下的温度测量 [M].北京：中国计量出版社，2009.

[3] 王魁汉.温度测量实用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：黄梦薇（1988-），女，汉族，湖南湘潭人，工程师，硕士研究生，研究方向：发动机测试。