本發(fā)明屬于微/納燃料顆粒的燃燒溫度測量，具體涉及一種微/納燃料顆粒燃燒溫度的三維表征方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，超音速飛行器憑借其高效、快速的特點，成為未來空天探索的重要方向。在超音速飛行中，推進(jìn)系統(tǒng)對飛行器性能的影響至關(guān)重要，而固體燃料因其高能量密度、存儲安全性和穩(wěn)定性，成為超音速推進(jìn)系統(tǒng)的主要選擇之一。特別是在高超音速條件下，固體燃料的燃燒特性對飛行器的推力、效率和熱管理性能具有決定性影響。

2、近年來，為進(jìn)一步提升固體燃料的性能，研究者們逐漸聚焦于微/納燃料顆粒的應(yīng)用。這些微/納燃料顆粒因其高比表面積和獨特的反應(yīng)特性，能夠顯著提升燃燒速率和效率。同時，它們在極端環(huán)境中的適應(yīng)性使其成為推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化的重要研究方向。然而，微/納燃料顆粒的燃燒過程極為復(fù)雜，涉及快速的熱質(zhì)傳遞和多尺度的物理化學(xué)過程，其燃燒溫度分布直接影響了燃燒效率和尾氣排放特性。因此，對微/納燃料顆粒燃燒溫度的精確表征成為研究其性能的核心課題。

3、目前，針對微/納燃料顆粒燃燒溫度的測量手段主要依賴于紅外熱成像和高速攝像技術(shù)。然而，這些方法存在明顯的局限性：紅外熱成像技術(shù)受限于溫度測量范圍，難以捕捉燃燒過程中溫度的快速變化；高速攝像技術(shù)則受幀率限制，無法完整捕捉燃燒過程。此外，這些技術(shù)僅能提供二維溫度信息，難以實現(xiàn)燃燒過程的三維空間分布測量。這種技術(shù)瓶頸極大限制了研究者對微/納燃料顆粒燃燒特性的全面理解和優(yōu)化設(shè)計。

4、針對上述問題，本發(fā)明提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)微/納燃料顆粒燃燒溫度三維表征的新方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供更加全面和精確的溫度測量手段。不僅突破了二維溫度測量的限制，還能夠為微/納燃料顆粒燃燒過程的熱力學(xué)分析和性能優(yōu)化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種微/納燃料顆粒燃燒溫度的三維表征方法及裝置。

2、一種微/納燃料顆粒燃燒溫度的三維表征方法，具體包括如下步驟：

3、步驟一、將待測燃料顆粒放置于基底上，然后將基底固定于微/納顆粒載物平臺s2上方；微/納顆粒載物平臺s2通過壓電陶瓷促動器s1固定在電動平臺上，通過電動平臺帶動微/納顆粒載物平臺s2移動，使得基底中待測燃料顆粒位于顯微光學(xué)系統(tǒng)s3的物鏡下方高速相機成像面中心；設(shè)定壓電陶瓷促動器在軸向的單次位移量為△z。

4、步驟二、初始時刻，高速相機成像面位于基底表面，當(dāng)燃料粒子開始燃燒后，同步控制模塊控制高速相機進(jìn)行圖像拍攝，得到初始成像面的輻射信號。

5、步驟三、在高速相機進(jìn)行初始圖像拍攝后，通過同步控制模塊控制壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷促動器，帶動微/納顆粒載物平臺s2基底以每次△z的位移量向下位移，通過高速相機拍攝每次位移后的火焰圖像，直至微/納顆粒載物平臺s2向下移動到指定位置，定義第n次移動后成像平面相對于基底平面高度為，得到n組不同高度的待測燃料顆粒燃燒火焰二維溫度數(shù)據(jù)，對n組二維溫度數(shù)據(jù)和步驟二獲取的初始二維溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行三維溫度重構(gòu)后即可得到待測燃料顆粒燃燒火焰該檢測周期內(nèi)的三維溫度分布數(shù)據(jù)。

6、三維溫度重構(gòu)具體為：

7、將高速相機測量的n組不同高度的火焰二維溫度數(shù)據(jù)結(jié)合比色測溫算法得到zk處的二維溫度分布；

8、；式中，m，n為高速相機拍攝所得像素坐標(biāo)，初始時刻zk=0。

9、在顯微光學(xué)系統(tǒng)、高速相機以及s2平臺相對位置固定且高速相機靶面完全準(zhǔn)直于s2平臺的工況下，通過在s2平面放置帶有刻度的顯微標(biāo)尺對高速相機進(jìn)行標(biāo)定進(jìn)而得到高速相機像素坐標(biāo)（m,n,z）與物理世界實際坐標(biāo)（x,y,z）的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即：；

10、式中，m,n為圖像像素坐標(biāo)，p為像素坐標(biāo)至世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

11、完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，得到：

12、；

13、進(jìn)行n次掃描后，得到zk處二維溫度分布數(shù)據(jù)二維溫度分布，因此待測目標(biāo)三維溫度分布通過如下公式表示：；

14、對每層二維溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值處理，即對于處于zk與zk+1層之間的某點溫度數(shù)據(jù)通過如下公式表征：。

15、得到待測目標(biāo)在該檢測周期內(nèi)的三維溫度分布圖。

16、步驟四、隨后通過同步控制模塊控制壓電陶瓷驅(qū)動器移動微/納顆粒載物平臺s2與其上方基底，使待測燃料顆粒位于顯微光學(xué)系統(tǒng)s3的物鏡下方高速相機成像面中心。重復(fù)多次步驟三的操作直至燃燒火焰熄滅，得到多組待測燃料粒子燃燒火焰二維溫度數(shù)據(jù)。依據(jù)多組待測燃料粒子燃燒火焰為維溫度數(shù)據(jù)，繪制多張三維溫度分布圖，得到燃燒過程中所有時刻的溫度信息。

17、為實現(xiàn)上述方法有如下微/納燃料顆粒燃燒溫度的三維表征裝置，該裝置包括高速相機、同步控制模塊、壓電陶瓷驅(qū)動器、電動位移平臺、壓電陶瓷促動器s1、微/納顆粒載物平臺s2、顯微光學(xué)系統(tǒng)s3。

18、高速相機、顯微光學(xué)系統(tǒng)s3的物鏡、微/納顆粒載物平臺s2、壓電陶瓷促動器s1均位于同一軸線上，微/納顆粒載物平臺s2和壓電陶瓷促動器s1緊固連接，壓電陶瓷促動器s1受控于壓電陶瓷驅(qū)動器并固定在電動位移平臺上方；

19、微/納顆粒載物平臺s2為用于放置載有待測燃料顆粒的基底的平臺，為保證成像效果在微/納顆粒載物平臺s2中部開有通孔。

20、高速相機內(nèi)部二維圖像傳感器通過顯微光學(xué)系統(tǒng)s3的物鏡獲取在微/納顆粒載物平臺s2上方形成“成像面”的輻射信號；通過電動位移平臺可將微/納顆粒載物平臺s2上方基底內(nèi)的微/納燃料粒子移動至高速相機成像面。

21、通過同步控制模塊控制高速相機、壓電陶瓷驅(qū)動器與壓電陶瓷促動器進(jìn)行同步輻射信號捕獲與微小位移控制。

22、壓電陶瓷驅(qū)動器可接收數(shù)字信號或模擬信號，并根據(jù)接收信號向壓電陶瓷促動器輸出工作電壓，壓電陶瓷促動器根據(jù)驅(qū)動器所輸出工作電壓在軸線方向上進(jìn)行形變，進(jìn)而實現(xiàn)微/納顆粒載物平臺s2以及上方基底位移。

23、壓電陶瓷促動器與壓電陶瓷驅(qū)動器協(xié)同工作，根據(jù)同步控制模塊發(fā)出的信號實現(xiàn)可控微小位移。

24、顯微光學(xué)系統(tǒng)為以顯微物鏡為主體的光學(xué)組件，以顯微物鏡為主體，與透鏡共同實現(xiàn)顯微成像；

25、高速相機用于提取成像面對應(yīng)像素通道特定波長輻射信號，通過系統(tǒng)內(nèi)部電路將輻射信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，最終通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

26、高速相機通過標(biāo)定校準(zhǔn)后即可測量得到待測物體特定波長輻射信號；采用比色測溫公式將高速相機所捕獲的通過成像面的輻射信號中特定波長的輻射信號轉(zhuǎn)化為待測目標(biāo)溫度，實現(xiàn)待測目標(biāo)某一成像面的二維溫度分布表征。

27、作為優(yōu)選，所述的壓電陶瓷促動器選用芯明天型號為xe-509.s3的壓電陶瓷促動器，壓電陶瓷驅(qū)動器選用芯明天型號為e503的壓電陶瓷驅(qū)動器。所述的高速相機為高速cmos相機或高速ccd相機。所使用電動位移平臺型號為tsa50-c&&czf40-200。

28、進(jìn)一步的，所述的顯微光學(xué)系統(tǒng)中還包括中性密度濾光片用于調(diào)節(jié)待測火焰輻射亮度。

29、進(jìn)一步的，所述的高速相機的標(biāo)定包括離線標(biāo)定與在線標(biāo)定；

30、離線標(biāo)定過程過如下：

31、設(shè)定黑體爐工作溫度，從800℃逐漸升溫至3000℃，升溫步進(jìn)為100℃，使用固定白平衡曲線與成像參數(shù)對黑體爐靶面圖像進(jìn)行拍攝采樣對每個溫度點進(jìn)行圖像信號采集后，選擇黑體爐靶面中心區(qū)域取均值計算，得到各溫度標(biāo)定點rgb三通道的平均測量值。由于黑體爐輻射信號滿足黑體輻射定律，因此可通過該溫度標(biāo)定點測量值與理論黑體輻射三波長下的輻射強度相比即可得到各溫度點下的修正值kt，；

32、式中，t為黑體爐的實時溫度溫度，為相機r、g、b像素通道中心測得的波長。對各溫度點下的修正值kt進(jìn)行最小二乘擬合后即可得到高速相機的光譜響應(yīng)曲線。結(jié)合光譜響應(yīng)曲線與相機rgb三通道測量值即可正確表征待測目標(biāo)特定波長輻射信號，進(jìn)而通過比色測溫公式得到待測目標(biāo)溫度，即：。

33、式中，r、g、b分別為二維空間分辨比色測溫計各像素通道的響應(yīng)值，為高速cmos相機的光譜響應(yīng)曲線；為二維空間分辨比色測溫計各像素通道所對應(yīng)中心波長，為第二輻射常數(shù)，=hc/k=1.4388×10^(-2)?m，由普朗克黑體輻射定律得到。

34、完成離線標(biāo)定后，需要通過在線標(biāo)定以修正顯微光學(xué)組件中光譜透過率對于溫度測量的影響，通過在線標(biāo)定得到高速相機耦合光譜修正系數(shù)a2，以修正光路對輻射信號光譜信息帶來的影響；具體步驟如下：

35、首先，將經(jīng)過校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)鹵鎢燈放置于顯微物鏡前端的成像平面上，鹵鎢燈通電后預(yù)熱以保證工作穩(wěn)定性。鹵鎢燈預(yù)熱完成后，使用高速相機進(jìn)行信號采集，對高速相機拍攝所得圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將拍攝所得圖像中的鹵鎢燈靶面中心區(qū)域取均值計算，得到各像素三通道平均測量值。

36、然后，將高速相機分別直接對準(zhǔn)鹵鎢燈（不經(jīng)過顯微光學(xué)系統(tǒng)），使用高速相機進(jìn)行輻射信號采集，記錄高速相機拍攝所得圖像數(shù)據(jù)，將拍攝所得圖像中的鹵鎢燈靶面中心區(qū)域取均值計算，得到各像素三通道平均測量值。

37、最后，依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，得到cmos相機光譜修正系數(shù)a2。a2表達(dá)式如下：

38、。

39、得到系統(tǒng)成像面的二維空間分布表征為：

40、；

41、式中，r、g、b分別為二維空間分辨比色測溫計各像素通道的響應(yīng)值，為高速相機的光譜響應(yīng)曲線；為二維空間分辨比色測溫計各像素通道所對應(yīng)中心波長，為第二輻射常數(shù)，=hc/k=1.4388×10^(-2)?m，由普朗克黑體輻射定律得到。

42、本發(fā)明突破了傳統(tǒng)技術(shù)僅能獲取二維溫度信息的局限，實現(xiàn)了微/納燃料顆粒燃燒過程中的三維空間溫度分布表征。本發(fā)明針對微/納燃料顆粒物理尺寸小、燃燒時間短的特點，在裝置設(shè)計中采用了基于壓電陶瓷的平臺位移機構(gòu)和同步控制系統(tǒng)。壓電陶瓷的快速響應(yīng)特性使其能夠精確調(diào)整成像面高度，結(jié)合同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對燃燒過程的實時捕捉和多維度溫度信息的同步采集，顯著提升了測量系統(tǒng)的時間分辨率和空間分辨率，能夠精確表征微/納燃料顆粒燃燒過程中的三維溫度梯度分布。

43、通過精確表征微/納燃料顆粒燃燒過程中的三維溫度梯度分布，能為深入研究燃燒機理提供更加全面的數(shù)據(jù)支持，便于微/納燃料顆粒的設(shè)計與改進(jìn)。還可廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、材料、化工等領(lǐng)域的微/納燃料顆粒燃燒過程研究，為多學(xué)科的技術(shù)發(fā)展提供了新的工具和思路。