用于测量高温高速旋转目标温度场的两色荧光成像测温技术

《Measurement》：Two-color luminescence imaging thermometry for measuring temperature fields of high-temperature, high-speed rotating targets

　　•一种用于高温旋转表面的双色荧光成像测温方法被开发出来。•在700℃、3000转/分钟的条件下对旋转表面进行了实验性温度场测量。•提出了荧光衰减过程与旋转运动之间的耦合模型。•揭示了曝光时间与荧光信号强度之间的权衡关系。•建立了一种用于消除超高速旋转时运动模糊的解耦模型。

引言
在飞机发动机和燃气轮机中，对高温部件的温度测量对于结构设计及寿命评估至关重要[1]、[2]。尤其是对于高温高速旋转的涡轮叶片，精确测量其表面温度分布对于在极端条件下的运行监测和实验验证极为重要[3]、[4]、[5]。诸如热电偶之类的接触式温度传感器，在高速旋转条件下会因强大的离心力而出现结构故障和损坏。因此，非接触式光学测温技术逐渐成为测量旋转部件温度的重要方法[6]、[7]、[8]。Brunner等人[9]为瑞士ALSTOM GT26重型燃气轮机的低压涡轮转子叶片开发了一种单波长（1.55±0.1微米）的单点红外测温系统。该系统在230 - 1200℃的温度范围内可实现高达100千赫的测量频率。该研究假设物体为灰体，并忽略了燃烧室的热辐射反射，重点关注温度变化的趋势而非绝对温度值。Yan等人[10]则利用多光谱辐射测温技术来测量微型涡轮喷气发动机中高速旋转叶片的表面温度。他们选择了一个弱气体辐射带（970–1700纳米），并假设在较窄波长范围内发射率与波长无关，从而实现了对高温金属表面的温度测量，其旋转速度可达58000转/分钟，温度可达到1016开尔文。在复杂的热环境中，热辐射测温技术会受到强烈背景辐射以及发射率变化的限制，这就凸显出提升测量精度和稳定性的必要性。

与热辐射测温技术相比，荧光测温是一种主动式光学测量方法[11]、[12]、[13]、[14]。它通过激发荧光材料，然后检测荧光强度或荧光寿命随温度的变化来实现温度感知[15]、[16]。这种方法不受表面发射率的影响，能够选择受热辐射干扰最小的波长，从而在复杂热环境中实现高精度和高稳定性。根据空间分辨率能力，荧光测温系统通常分为单点测量模式和场分布测量模式[17]、[18]。在测量涡轮转子叶片等旋转部件时，高速旋转会导致单点测量模式下荧光衰减曲线的信号失真，或在场分布测量模式下荧光图像出现运动模糊。Feist等人[19]在罗尔斯·罗伊斯Viper Mk 201发动机测试台上，对转速高达13500转/分钟的转子叶片进行了单点温度测量。他们利用叶片表面Y3Al5O12（YAG）:Eu涂层的荧光寿命，测得了大约733开尔文的表面温度。为了解决旋转引起的荧光衰减曲线信号失真问题，Xavier等人[20]建立了荧光信号与温度及转速变化之间的定量关联关系。在实验室条件下，他们使用Mg4FGeO5,6（MFG）:Mn荧光涂层，对旋转的火焰保持器表面进行了单点温度测量。通过利用荧光寿命测温技术，他们能够在转速高达7600转/分钟、温度高达600℃的条件下进行测量。Jenkins等人[21]开发了一种基于双离子荧光衰减曲线时间依赖性比值的温度测量方法。该方法旨在消除旋转过程中几何位置变化对单离子衰减信号采集的影响。他们在两个相邻的转子叶片上分别涂覆了荧光寿命差异较大的YAlO3（YAP）:Tm和YAG:Dy荧光涂层，通过衰减曲线比值来确定有效荧光寿命。利用这一策略，他们能够在转速高达32750转/分钟、温度范围为786 - 1040开尔文的条件下，对叶片表面进行单点温度测量。在旋转部件的温度分布测量领域，Peng等人[22]使用双快门CCD相机，在脉冲激励下荧光衰减过程的不同时间间隔内，捕捉温度敏感涂料（TSP）的时域强度比值。这种方法使得能够在转速高达150000转/分钟、最高温度为323开尔文的条件下，对涡轮增压器压缩机叶片的表面温度分布进行测量。Cheng等人[23]开发了一种基于双CMOS相机的温度分布测量系统。他们利用BaMgAl10O17（BAM）:Eu荧光涂层的荧光强度比值（LIR），对转速为1000转/分钟、温度可达300℃的旋转圆盘进行了温度分布测量实验。

然而，为了满足在恶劣环境下对如旋转叶片这类高温部件的温度场测量需求，目前尚未有关于针对高温（≥300℃）和高速旋转（≥2000转/分钟）目标使用荧光测温技术进行温度场测量的报道。现有的测量技术远远无法满足实际需求，主要面临以下挑战[24]、[25]、[26]、[27]：(1) 在高转速（即高线速度）运行条件下，一个关键问题是高温下的荧光寿命与测量门控时间之间的时间匹配问题。快速旋转导致叶片在测量视野内的停留时间极短，这就要求荧光寿命足够短，以确保能够完整获取信号。虽然高温环境有助于缩短荧光寿命，但同时也对材料在高温下的荧光量子效率提出了更高要求。(2) 曝光时间与信噪比（SNR）之间的固有权衡也是另一个挑战。虽然缩短曝光时间可以抑制运动模糊效应，但这不可避免地会降低荧光信号强度，从而导致信噪比下降。(3) 荧光衰减过程与旋转运动之间的动态耦合也是一个难题：如何将二者定量解耦，从而提取出不受旋转影响的固有荧光强度图像。

因此，本研究基于双色荧光成像测温技术，对高温高速旋转目标的温度场测量进行了研究。首先，建立了荧光衰减过程与旋转运动之间的耦合模型，以便在成像传感器的曝光时间内对旋转目标的荧光信号进行定量表征。研究了曝光时间和荧光寿命对动态荧光成像的影响，揭示了运动模糊与时间积分信号强度之间的权衡关系。其次，基于脉冲激光激励、同轴光路用于荧光检测以及双波长同步光谱成像技术，建立了一种双色荧光成像测温系统。同时还构建了一个感应加热、温度约为700℃且转速为3000转/分钟的测试平台。该研究使用YAG:Dy荧光涂层对温度场进行了实验测量。最后，为了解决超高速旋转（>10000转/分钟）时荧光成像中不可避免的模糊问题，提出了一种基于动态荧光强度分布解耦模型的方法，用以有效抑制运动模糊并准确重建荧光强度分布。这项工作为在高速旋转条件下进行高精度温度场测量提供了支持。

测量原理
对于涡轮转子叶片这类典型的旋转测量对象，为说明测量原理，可将测量目标简化为图1所示的圆盘结构。使用荧光测温技术对旋转部件进行温度场测量可分为两种类型：荧光寿命测温法和荧光强度比值测温法[28]。

模型
LIR测温法在旋转部件的温度分布测量方面具有显著的应用优势，也是本研究的重点。本节将建立荧光衰减过程与旋转运动之间的耦合模型。如图3所示，以旋转圆盘的中心为原点建立笛卡尔坐标系，将圆盘中心标记为(0,0)，圆盘半径记为R。激励光斑的中心标记为(xc,yc)。

超高速旋转条件（≥10000转/分钟）下的测量模式
在常规的高速旋转条件下，通过选择合适的荧光材料并匹配成像传感器的曝光时间，可以将旋转运动引起的运动模糊控制在可接受的范围之内，从而消除其对测量精度的影响。然而，当旋转速度增加到≥10000转/分钟时，测量区域的线速度会急剧增加。这就需要进一步缩短曝光时间，以抑制……

结论
为满足高温高速旋转条件下的温度场测量需求，本研究基于双色荧光成像测温技术，对这类目标的温度场测量进行了研究。首先，建立了荧光衰减过程与旋转运动之间的耦合模型，从而能够在传感器曝光时间内对旋转目标的荧光信号进行定量表征。该研究还探讨了……

CRediT作者贡献声明
张玉航：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，研究调查，形式分析，数据整理，概念构建。吴宇松：验证，方法论，研究调查，数据整理，概念构建。傅泰然：概念构建，资金获取，项目管理，资源协调，监督指导，写作——审阅与编辑，形式分析，方法论，验证。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所汇报工作的财务利益或个人关系。

致谢
本项目得到了中国国家重点研发计划（2025YFF0521400）以及国家自然科学基金优秀研究群体项目（编号52488101）的支持。

张玉航|吴宇松|傅泰然