高速摄像在航空发动机方面应用介绍

【试验工程师·公益学习营】第六期第4讲

【试验工程师·公益学习营】总第29讲，于2020年7月24日如期举行，本期讲师毕业于北京科技大学测控技术与仪器专业，为北京瑞风协同科技股份有限公司高级应用工程师，在试验测控领域有多年工作经验，曾参与多个大型试验系统的规划和建设，主要研究方向为数据采集和高速摄像系统的现场试验。
本期课程重点围绕以下四个方面与大家进行分享：高速摄像机介绍、高速摄像在航空发动机的应用、相关拍摄方法分享和高速摄像试验设计。
一、高速摄像机介绍
在1872年，美国加利福尼亚州，斯坦福和科恩两个人发生了激烈的争执：
1、起因：斯坦福和科恩，争执马奔跑时蹄子是否都着地。
2、难点：单凭人的眼睛实在难以看清快速奔跑的马蹄是如何运动的。
3、办法：英国摄影师爱德华?麦布里奇，将24架照相机的快门连上24根线，在极短的时间里，使照相机依次拍下24张照片。

4、新的问题：如何用一架单镜头的摄影机来代替多镜头的相机或者一组摄像机，就成了解决连续摄影的关键问题。
5、发展：看清人眼无法捕捉的动态过程，是高速摄像机技术发展和进步的一贯原因。

由于高速摄像机能拍摄到肉眼无法看清楚的图像和运动过程，捕捉高速运动物体的运动趋势和轨迹，因此在现代工业应用中应用广泛，尤其在发动机的研制试验中更是少不了高速摄像机的参与。

二、高速摄像在航空发动机的应用
航空发动机试验特点：高速运动过程、不方便布置常规传感器、对区域的测量、需要对火焰或气体的测量。

? 包容舱试验：
包容舱试验也叫发动机机匣包容性试验或叶片飞脱试验，其试验目的是测试发动机机匣包容能力和断裂叶片飞行轨迹及姿态，其特点是破坏性试验和成本较高。包容舱试验方法包括：预制裂纹法、预埋炸药法和鸟撞试验。以下介绍鸟撞试验部分经验：

发动机鸟弹试验特点：
撞击部位：风扇叶片部分
关注目标：鸟弹运行轨迹、撞击前的姿态、撞击部位、时间以及试验件的变形、破碎过程等。
试验目的：检查鸟弹撞击后发动机的损伤情况，包括：试验件变形、破碎、尾喷口喷火(或不喷火)、发动机喘振等。
试验现场：需要全面观察不留死角，因此需要多台摄像机从不同角度，进行同步拍摄。这对摄像机的帧率和分辨率都有一定要求，并可能需要摄像机具备一定的防护等级。

? 发动机点火试验：
发动机点火试验是为了进行燃烧的诊断。其中包括针对点火、连焰、爆燃等现象的研究，通常在实验舱内拍摄燃烧室或者发动机尾喷口进行试验。试验难点在于点火前后的画面亮度变化剧烈，需要在拍摄前提前预备光源和预估点火后所需要的参数。发动机点火试验燃烧相关拍摄技术包括：纹影技术、PIV技术、窄带成像技术和激光诱导荧光技术。

? DIC试验：
数字图像相关法(简称DIC)又称为数字散斑相关法(DSC)，是一种非接触式现代官学测量试验技术。DIC试验类型分为材料试验、强度试验和力学性能测试，试验原理为：通过跟踪(或匹配)物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的全场位移。DIC系统一般由摄像机、照明光源、图像采集卡及计算机组成，其技术优势为：无需接入传感器，不会影响变形过程；测试环境要求低，测试过程更简单；全场面位移，信息量更大；动态测量，快速记录过程。DIC试验仍需改进的方面为：测试精度、运算速度和对人员要求高。

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三、相关拍摄方法分享
在高速摄像试验中常见的拍摄方法为纹影技术和PIV技术。
? 纹影技术
纹影法是一种通过拍摄光线投影来达到试验目的的拍摄方法，类似的方法还有阴影法和干涉法，而纹影法也分为黑白纹影和彩色纹影。纹影法是利用光在被测流动介质中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流动中的密度梯度转变为所记录图片上光强的相对变化，获得流动中密度变化的可观察、可分辨的图像。纹影拍摄技术的优势为：原理简单，易实现；高空间分辨率；精度高，清晰显示流体内部结构。纹影拍摄技术的劣势则为：像差难以消除和定量测试复杂。

? PIV技术
PIV拍摄方法又叫粒子图像测速法，是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法，其基本原理是选择具有良好流动跟随性和光散射性的微小示踪粒子播散于流场中，用激光片光源把被测流场的某一测试平面照明，通过图像采集系统，分别记录下t1、t2时刻的流场粒子图像，通过数字图像处理，计算出拍摄时间间隔内粒子的位移，即可算出速度场。现在由于技术进步，也可以通过多台相机组成立体PIV图像。PIV系统主要由激光光源、光源辅助设备、相机、同步器、示踪粒子发生器及图像处理设备组成。PIV相机特点是：高分辨率；高ISO；具备外部触发功能；可以接外部时钟信号，同步级别高；曝光时间短；最小跨帧时间短。

四、高速摄像试验设计
规划设计高速拍摄试验需要考虑的七大要素包括：
1、被拍摄的是什么物体？
2、要研究的是什么样的过程？
3、预测的运动速度？（拍摄速度和曝光时间）
4、需要拍摄的范围是多大？
5、是否有足够的空间进行相机和光源的安装？
6、是否需要一些辅助功能？（10Gb、RAM容量、备用触发、电池、闪存介质）
7、是否需要特殊的成像技术？（PIV、窄带激光照明、纹影成像schlieren、投影成像shadowgraph）
以上简单概括了7条确定条件，在实际的试验设计阶段，需要考虑更多的因素，并根据实际情况和试验要求来对场景和摄像机指标做出方案。