[发明专利]一种恶劣环境下材料表面温度的非接触式测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面温度的测量方法及装置，尤其涉及一种恶劣环境下材料表面温度的非接触式测量方法及装置。

背景技术

高超声速飞行器的研究已成为各国航空航天技术发展的重要领域。其中，基于非烧蚀或低烧蚀防热结构和材料为主的热防护系统，是高超声速飞行器在飞行服役恶劣环境中可靠运行的重要保证。为保证服役环境中防/隔热材料满足耐高温、烧蚀、抗热冲击等使用性能，需要对材料进行大量的基础性试验研究工作。由于在线服役测试成本高昂，次数有限，参数无法大量精确控制等限制，通过在线服役测试来进行基础性研究工作是不切实际的。

基于对材料热防护性能研究的需求，国内外学者开发并研制了诸如高频风洞、MESOX、JAXA等实验装置，模拟飞行环境中高温、等离子体等恶劣气动环境，实现了恶劣环境防热材料地面实验研究。地面实验过程中，材料表面温度是影响其高温性能的关键参数，实现材料表面温度的精确测量，进而精确控制是非常重要的。然而，由于地面模拟实验中高温、高频电磁场等恶劣的环境，材料表面受到高速高焓气流的直接冲击，使得测试样品周围的环境达到很高的温度。此外，高焓气流物质在很强的高频电磁场作用下发生离解，形成等离子体环境，气相离解物质会在测试材料表面发生剧烈的吸附、解吸、氧化和催化等物理化学反应，这些恶劣环境都对材料表面温度的精确测量带来很大的挑战。

针对地面恶劣实验环境的特殊要求，用于材料表面温度测量装置需要满足以下技术条件：(1)装置材料耐高温、抗烧蚀；(2)抗电磁干扰；(3)不干扰气动环境流场；(4)具有化学稳定性，不与环境发生化学反应。

吴大方等(申请公布号CN102183312A)利用压力弹力相互作用的原理，基于硅钼红外辐射加热，热电偶测温的方法对非金属防热材料平面试验件表面高温进行了测量，但是该方法对被测试材料的放置方位有限制，温度只能达到1400℃，并且由于热电偶感温部件与材料必须紧密接触，这些限制条件都无法使其在高频风洞环境中使用。吴建德等(申请公布号CN103207031A)基于多种电路和温度传感器开发的非接触式温度测量装置及方法也无法应用于高频风洞的环境中，因为强的电磁场和高温等恶劣环境会对测试信号造成强烈干扰，高温等恶劣环境对装置本身也具有非常大的损害。

中国空气动力研究与发展中心的李明等人基于高超声速低密度风洞建立了一种利用红外热图(红外线热像仪)，通过调节红外反射镜的角度对被测物表面温度进行测量。但是该方法利用红外线热像仪进行测量，需要准确输入材料表面发射率才能获得准确的温度值。材料表面发射率是温度、测试角度的函数，因此，在不同温度、测试角度的条件下表面发射率是变化且未知的，因此，该方法假设表面发射率是常数而获得的表面温度是不准确的。

因此，现有技术中存在对恶劣环境下材料表面温度的非接触式测量技术的需要。

发明内容

本发明的实施例提供了一种恶劣环境下材料表面温度的非接触式测量方法及装置，能够在高温、高压、剧烈物理化学反应、高频电磁场干扰等恶劣环境下对材料表面温度进行测量，测量精度高，成本较低，应用范围广。

根据本发明的一个方面，提供了一种恶劣环境下材料表面温度的非接触式测量方法，包括：

S1、使高焓高速气流喷口的轴线与测量窗口平行，获取所述测量窗口与所述喷口之间的轴向距离；使待测材料的中心与所述喷口同轴，获取所述喷口所在平面与所述测量窗口中心线之间的轴向距离；使第一反射镜的反射面与所述喷口处于同一平面内，获取第一反射镜中心与所述喷口之间的第一距离；

S2、基于所述轴向距离调节第二反射镜中心与第一反射镜中心之间的第二距离，依据所述加热距离和第一距离调节第二反射镜反射面与第一反射镜反射面之间的锐角夹角，使得从第二反射镜出射的红外光谱与从所述待测材料中心发射的红外光谱位于同一平面内、并从所述测量窗口垂直出射；

S3、利用设置在所述测量窗口外侧的双比色高温计采集出射的红外光谱，确定所述待测材料的表面温度；

其中，所述待测材料和所述喷口设置在测量舱内，所述测量窗口设置在所述测量舱的舱壁上，第一反射镜和第二反射镜设置在测量舱内、并位于所述待测材料与所述测量窗口之间。

优选地，所述加热距离和第一距离相等，第二反射镜的反射面与第一反射镜的反射面之间的夹角为22.5°。

优选地，若加热距离改变，则步骤S3之前进一步包括：