本發明涉及高溫高速粒子飛行參數測量技術領域，具體涉及一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置與方法。

背景技術：

高溫等離子體噴涂制備的熱障涂層和防護涂層被廣泛應用到航空發動機和燃氣輪機的葉片上，提高了葉片的使用壽命。影響高溫等離子體噴涂制備的涂層的工藝參數有很多且相互耦合，很難實現涂層質量的精確控制和可重復性生產。而影響涂層質量的本質參數是等離子體射流中飛行粒子的溫度、速度、粒徑的大小，通過在線監測粒子的參數，可以將多工藝參數問題轉化為控制粒子的溫度、速度、粒徑三個參數，大大提高了涂層的質量的可控性和可重復性，同時監測單個粒子飛行過程中的溫度的變化規律，可以對高溫等離子體與粉末粒子的反應過程進行研究。現有的粒子飛行參數通用測量裝置有兩種：DPV2000與SprayWatch 2i。其中，DPV2000每次只能測量單個粒子參數，測量周期長，采用雙光路，發射率引入誤差導致溫度測量準確度受到影響；SprayWatch 2i不能測量單個粒子的溫度及溫度的變化規律，只能測量溫度的平均值，同時采用雙光路，發射率引入誤差導致溫度測量準確度受到影響。上述兩種測量裝置難以獲得單個粒子飛行過程中的溫度的變化規律，并且不能同時完成多個粒子的溫度分布、速度分布、粒徑分布的統計分析。同時，兩種裝置結構相對復雜，成本較高。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提出一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置與方法，不僅能夠在線測量高溫等離子體射流中單個飛行粒子的溫度、速度、粒徑的大小，同時也能夠獲取單個粒子飛行過程中的溫度變化的規律，還可以一次性統計分析多個粒子的溫度、速度、粒徑的大小分布；此外，可以采用單光路測量，裝置結構簡單，能夠降低發射率誤差，提高溫度測量的準確度。

為了達到上述粒子參數測量的目的，本發明采用的技術方案是：

一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置，包括熱窗口片1，由等離子體射流中單個飛行粒子發出的熱輻射經熱窗口片1后，依次通過帶通濾波片2、相機鏡頭3，成像到單彩色CCD相機4的芯片上，高溫粒子自身的熱輻射經過帶通濾波片2，將等離子體射流中高強度的等離子體自身及粒子表面蒸發的元素的線狀光譜濾除后由相機鏡頭3聚焦到單彩色CCD相機4的芯片上，得到帶通濾波片2波段范圍的粒子的飛行軌跡，單彩色CCD相機4與第一計算機5連接，在線監測粒子參數。

所述的帶通濾波片2的帶通波段的選擇基于光譜分析方法得到，具體的選擇方法是：

(1)聚焦光路的搭建:聚焦光路包括光闌8，等離子體射流的強輻射光先經過光闌8后，再經過平凸透鏡9的聚焦作用，耦合到光纖探頭11中，光纖探頭11由光纖轉接板10固定；

(2)光譜采集裝置的搭建：采用高分辨率的測量波段在可見光到近紅外波段的光譜儀12作為光譜采集裝置的分析儀器，利用光纖轉接板10將光譜儀12和光纖探頭11連接起來，第二計算機13作為光譜數據存儲和顯示裝置；

(3)光譜的采集：YSZ和Al₂O₃兩種不同的陶瓷粉末注入到噴槍6中，噴槍6在機器手的帶動下沿著噴涂射流方向移動，光譜采集裝置捕捉不同位置處的光譜圖，第二計算機13顯示并保存采集到的光譜圖，通過第二計算機13中的光譜圖的波段選擇原則確定帶通濾波片2的帶通波段；

帶通濾波片2的光譜圖的波段的選擇原則：

a.選擇波段時，要避開等離子體自身及粒子表面蒸發的元素的線狀光譜；

b.選擇的波段范圍要在可見光波段400-700nm范圍內，同時盡可能靠近近紅外波段；

c.選擇單彩色CCD相機4芯片高量子效率值對應的光譜波段；

d.波段的半波帶寬在50nm左右。

所述的一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

(1)相機鏡頭3的調節：調節相機鏡頭3的焦距，聚焦到噴槍6的中心平面上；調節相機鏡頭3的光圈大小，使單個粒子軌跡能夠在第一計算機5中顯示出來；

(2)單彩色CCD相機4的調節：根據粒子在線監測界面顯示的R和G通道強度大小和粒子飛行軌跡情況，調節單彩色CCD相機4的曝光時間；

(3)粒子軌跡圖像處理：單彩色CCD相機4捕捉到飛行粒子軌跡圖像后，需要提取有效粒子軌跡，圖像處理的步驟是：

a.原始彩色RGB圖像灰度化；

b.增強圖像對比度；

c.灰度圖像二值化；

d.分割圖像；

e.圖像中邊界粒子軌跡的去除；

f.最小強度值法去除低信噪比和過聚焦的粒子軌跡；

g.去除重疊粒子軌跡，利用兩種方法：

①最小寬度法：圖像處理中，提取圖像中單個粒子軌跡的最小值作為最小寬度法的基礎，通過統計分析，去除寬度方向上重疊的粒子軌跡；

②長度閾值法：圖像處理中，統計分析所有粒子軌跡長度的范圍，去除長度方向上重疊的粒子軌跡；

(4)粒子參數在線顯示：粒子軌跡圖像處理后，得到單幀圖像中有效的粒子軌跡，提取有效粒子軌跡上單個像素點的R和G通道強度值，利用R/G彩色式比色測溫法得到單個像素點的溫度值，對單個粒子軌跡上所有像素點的溫度取平均得到平均溫度；提取粒子軌跡的飛行方向的長度，結合曝光時間，求得單個粒子飛行的平均速度；根據粒子軌跡的寬度，求得單個粒子的直徑大小。

本發明的有益效果為：

(1)利用R/G彩色式比色測溫方法搭建的粒子參數在線測量裝置，可以利用單光路進行粒子參數的測量，不僅裝置結構簡單，還能夠降低發射率引入的誤差，提高高溫范圍內溫度測量準確度。

(2)帶通濾波片2的帶通波段的選擇過程中，聚焦光路的搭建能夠限制光譜采集區域的大小，防止等離子體電弧源的輻射的光譜的干擾，準確地獲得對應采集區域的輻射的光譜信息，利于光譜分析。

(3)光譜圖波段的選擇原則能夠確定帶通濾波片2的帶通波段，避免等離子體射流中非熱輻射源的干擾，擴大測溫范圍，適用于所有噴涂粒子的溫度的測量。

(4)粒子軌跡圖像處理步驟能夠獲得單幀圖像中有效的粒子軌跡，去除信噪比過低、過聚焦和重疊的粒子軌跡，提高圖像處理速度，便于在線顯示粒子的參數信息。

附圖說明

圖1是本發明裝置的結構示意圖。

圖2是選擇帶通濾波片2的聚焦光路示意圖。

圖3是選擇帶通濾波片2的光譜采集裝置示意圖。

圖4是實施例采集到的一幀噴涂粒子軌跡圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。

參照圖1，一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置，包括噴槍6，噴槍6噴涂高溫飛行粒子到基片7上，由等離子體射流中單個飛行的高溫粒子發出的熱輻射經熱窗口片1后，依次通過帶通濾波片2、相機鏡頭3，成像到單彩色CCD相機4的芯片上，高溫粒子自身的熱輻射經過帶通濾波片2，將等離子體射流中高強度的等離子體自身及粒子表面蒸發的元素的線狀光譜濾除后由相機鏡頭3聚焦到單彩色CCD相機4的芯片上，得到帶通濾波片2波段范圍的粒子的飛行的軌跡，單彩色CCD相機4與第一計算機5連接，在線監測粒子參數。

所述的帶通濾波片2的帶通波段的選擇基于光譜分析方法得到，具體的選擇方法是：

(1)聚焦光路的搭建：為了限制光譜采集區域的大小，使得等離子體射流對應區域的光譜信息不受到等離子體電弧源處的干擾，搭建聚焦光路。參照圖2，聚焦光路包括光闌8，等離子體射流的強輻射光經過光闌8后，經過平凸透鏡9的聚焦作用，耦合到光纖探頭11中，光纖探頭11由光纖轉接板10固定；

(2)光譜采集裝置的搭建：參照圖3，高分辨率的光譜測量波段在可見光到近紅外波段的光譜儀12作為光譜采集裝置的分析儀器，利用光纖轉接板10將光譜儀12和光纖探頭11連接起來，第二計算機13作為光譜數據存儲和顯示裝置，組成了光譜采集裝置，實現對等離子體射流的輻射光的光譜分析；

(3)光譜圖的采集：參照圖3，YSZ和Al₂O₃兩種不同的陶瓷粉末注入到噴槍6中，噴槍6噴涂高溫粒子到基片7上，噴涂過程中，噴槍6在機器手的帶動下沿著噴涂射流方向移動，光譜采集裝置捕捉不同位置處的光譜圖，第二計算機13顯示并保存采集到的光譜圖，通過第二計算機13中的光譜圖的波段選擇原則確定帶通濾波片2的帶通波段；

帶通濾波片2的光譜圖的波段的選擇原則：

a.選擇波段時要避開等離子體自身及粒子表面蒸發元素的線狀光譜，等離子體自身及粒子表面蒸發元素的光譜形狀以線狀光譜形式存在，粒子參數在線測量裝置直接捕捉飛行粒子軌跡測溫時，會影響溫度測量的準確性，選擇波段時要避開線狀光譜波段；

b.選擇的波段范圍要在可見光波段400-700nm范圍內，同時盡可能靠近近紅外波段，待測量的飛行粒子的溫度往往低于3000K，由維恩位移定律可知，峰值波長均高于966nm,為了擴大裝置的測溫范圍，選擇帶通濾波片2的帶通波段靠近近紅外波段；同時，采用R/G彩色比色式測溫法時，單彩色CCD相機4要捕捉飛行粒子軌跡的彩色圖像，因此選擇的波段范圍要在可見光波段400-700nm范圍內，同時盡可能靠近近紅外波段；

c.選擇單彩色CCD相機4的芯片高量子效率值對應的光譜波段，單彩色CCD相機4的芯片的響應曲線在不同的波段范圍內有不同的量子效率值，選取的帶通濾波片的波段只有滿足高量子效率時，才會有高光電子轉化效率，提高測量的靈敏度同時，保證芯片的電荷存儲空間能夠最大化的利用，提高信噪比的大小；

d.半波帶寬50nm左右，如果選擇窄帶寬，能夠避免發射率的變化對測溫的精確度的影響，降低線狀光譜對測溫的干擾，但是此時單彩色CCD相機4設置長曝光時間才能夠保證有足夠的光子入射，保證信噪比，長曝光時間會導致粒子軌跡的重合，圖像處理時難以分割出單個粒子軌跡；如果選擇寬帶寬，則會引入發射率的誤差。帶寬50nm左右是合適的。

所述的一種等離子噴涂中粒子飛行參數的在線測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

(1)相機鏡頭3的調節：根據待測量的等離子體射流的寬度大小和安全的工作距離，調節相機鏡頭3的焦距，聚焦到噴槍6的中心平面上；調節相機鏡頭3的光圈大小，使單個粒子軌跡能夠在第一計算機5中顯示出來；

(2)單彩色CCD相機4的調節：根據粒子在線監測界面顯示的R和G通道強度大小和粒子飛行軌跡情況，調節單彩色CCD相機4的曝光時間；

(3)粒子軌跡圖像處理：單彩色CCD相機4捕捉到飛行粒子軌跡圖像后，需要提取有效粒子軌跡，圖像處理的步驟是：

a.原始彩色RGB圖像灰度化；

b.增強圖像對比度：提高圖像對比度，將前景背景圖像明顯區分開，便于后續的圖像分割；

c.灰度圖像二值化；

d.分割圖像中粒子軌跡；

e.圖像中邊界粒子軌跡的去除；

f.最小強度值法去除低信噪比和過聚焦的粒子軌跡；

g.去除重疊粒子軌跡利用兩種方法：

①最小寬度法：圖像處理中，提取圖像中單個粒子軌跡的最小值作為最小寬度法的基礎，通過統計分析，去除寬度方向上重疊的粒子軌跡；

②長度閾值法：圖像處理中，統計分析所有粒子軌跡長度的范圍，去除長度方向上重疊的粒子軌跡；

(4)粒子參數在線顯示：粒子軌跡圖像處理后，得到有效的粒子軌跡，提取粒子軌跡上單個像素點的RG強度值，利用R/G彩色式比色測溫法得到單個像素點的溫度值，對單個粒子軌跡所有像素點的溫度取平均得到平均溫度；提取粒子軌跡的飛行方向的長度，結合曝光時間，求得單個粒子飛行的平均速度；根據粒子軌跡的寬度，求得單個粒子的直徑大小，采集到的一幀噴涂粒子軌跡圖如圖4所示。