公開了一種本發明專利技術實施例的惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量方法及裝置，本發明專利技術通過光學反射鏡單元將測量艙內惡劣環境下待測材料表面的紅外光譜反射轉移到測量艙外的普通環境中，可以實現對惡劣環境下待測材料表面溫度的非接觸測量，當加熱距離改變時，無需調整測量窗口和雙比色高溫計的位置，直接移動光學反射鏡單元的位置即可保證紅外光譜的出射位置不變，不受高溫、高頻電磁場等惡劣環境的影響，也不會對環境產生影響，成本低，應用范圍廣，測量精度高。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及材料表面溫度的測量方法及裝置，尤其涉及一種惡劣環境下材料表面 溫度的非接觸式測量方法及裝置。
技術介紹
高超聲速飛行器的研究已成為各國航空航天技術發展的重要領域。其中，基于非 燒蝕或低燒蝕防熱結構和材料為主的熱防護系統，是高超聲速飛行器在飛行服役惡劣環境 中可靠運行的重要保證。為保證服役環境中防/隔熱材料滿足耐高溫、燒蝕、抗熱沖擊等使 用性能，需要對材料進行大量的基礎性試驗研究工作。由于在線服役測試成本高昂，次數有 限，參數無法大量精確控制等限制，通過在線服役測試來進行基礎性研究工作是不切實際 的。 基于對材料熱防護性能研究的需求，國內外學者開發并研制了諸如高頻風洞、 MES0X、JAXA等實驗裝置，模擬飛行環境中高溫、等離子體等惡劣氣動環境，實現了惡劣環境 防熱材料地面實驗研究。地面實驗過程中，材料表面溫度是影響其高溫性能的關鍵參數，實 現材料表面溫度的精確測量，進而精確控制是非常重要的。然而，由于地面模擬實驗中高 溫、高頻電磁場等惡劣的環境，材料表面受到高速高焓氣流的直接沖擊，使得測試樣品周圍 的環境達到很高的溫度。此外，高焓氣流物質在很強的高頻電磁場作用下發生離解，形成等 離子體環境，氣相離解物質會在測試材料表面發生劇烈的吸附、解吸、氧化和催化等物理化 學反應，這些惡劣環境都對材料表面溫度的精確測量帶來很大的挑戰。 針對地面惡劣實驗環境的特殊要求，用于材料表面溫度測量裝置需要滿足以下技 術條件：（1)裝置材料耐高溫、抗燒蝕；(2)抗電磁干擾；（3)不干擾氣動環境流場；(4)具有 化學穩定性，不與環境發生化學反應。 吳大方等（申請公布號CN102183312A)利用壓力彈力相互作用的原理，基于硅鉬 紅外輻射加熱，熱電偶測溫的方法對非金屬防熱材料平面試驗件表面高溫進行了測量，但 是該方法對被測試材料的放置方位有限制，溫度只能達到1400°C，并且由于熱電偶感溫部 件與材料必須緊密接觸，這些限制條件都無法使其在高頻風洞環境中使用。吳建德等（申 請公布號CN103207031A)基于多種電路和溫度傳感器開發的非接觸式溫度測量裝置及方 法也無法應用于高頻風洞的環境中，因為強的電磁場和高溫等惡劣環境會對測試信號造成 強烈干擾，高溫等惡劣環境對裝置本身也具有非常大的損害。 中國空氣動力研究與發展中心的李明等人基于高超聲速低密度風洞建立了一種 利用紅外熱圖（紅外線熱像儀），通過調節紅外反射鏡的角度對被測物表面溫度進行測量。 但是該方法利用紅外線熱像儀進行測量，需要準確輸入材料表面發射率才能獲得準確的溫 度值。材料表面發射率是溫度、測試角度的函數，因此，在不同溫度、測試角度的條件下表面 發射率是變化且未知的，因此，該方法假設表面發射率是常數而獲得的表面溫度是不準確 的。 因此，現有技術中存在對惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量技術的需要。
技術實現思路
本專利技術的實施例提供了一種惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量方法及裝 置，能夠在高溫、高壓、劇烈物理化學反應、高頻電磁場干擾等惡劣環境下對材料表面溫度 進行測量，測量精度高，成本較低，應用范圍廣。 根據本專利技術的一個方面，提供了一種惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量方 法，包括： S1、使高焓高速氣流噴口的軸線與測量窗口平行，獲取所述測量窗口與所述噴口 之間的軸向距離；使待測材料的中心與所述噴口同軸，獲取所述噴口所在平面與所述測量 窗口中心線之間的軸向距離；使第一反射鏡的反射面與所述噴口處于同一平面內，獲取第 一反射鏡中心與所述噴口之間的第一距離； S2、基于所述軸向距離調節第二反射鏡中心與第一反射鏡中心之間的第二距離， 依據所述加熱距離和第一距離調節第二反射鏡反射面與第一反射鏡反射面之間的銳角夾 角，使得從第二反射鏡出射的紅外光譜與從所述待測材料中心發射的紅外光譜位于同一平 面內、并從所述測量窗口垂直出射； S3、利用設置在所述測量窗口外側的雙比色高溫計采集出射的紅外光譜，確定所 述待測材料的表面溫度； 其中，所述待測材料和所述噴口設置在測量艙內，所述測量窗口設置在所述測量 艙的艙壁上，第一反射鏡和第二反射鏡設置在測量艙內、并位于所述待測材料與所述測量 窗口之間。 優選地，所述加熱距離和第一距離相等，第二反射鏡的反射面與第一反射鏡的反 射面之間的夾角為22. 5°。 優選地，若加熱距離改變，則步驟S3之前進一步包括： 若所述加熱距離增加，則沿著所述噴口與第一反射鏡中心連線的方向移動第一反 射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡的移動距離與所述加熱距離的增加量相等， 第一反射鏡和第二反射鏡的相對位置保持不變； 若所述加熱距離減小，則沿著第一反射鏡中心與所述噴口連線的方向移動第一反 射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡的移動距離與所述加熱距離的減小量相等， 第一反射鏡和第二反射鏡的相對位置保持不變。 優選地，若加熱距離改變，則步驟S3之前進一步包括： 若所述加熱距離增加，則沿著所述噴口與第一反射鏡中心連線的方向移動第一反 射鏡，第一反射鏡的移動距離與所述加熱距離的增加量相等；根據第一反射鏡的移動距離， 沿著所述噴口與第一反射鏡中心連線的方向移動第二反射鏡、并調整第二反射鏡反射面與 第一反射鏡反射面之間的銳角夾角； 若所述加熱距離減小，則沿著第一反射鏡中心與所述噴口連線的方向移動第一反 射鏡，第一反射鏡的移動距離與所述加熱距離的減小量相等；根據第一反射鏡的移動距離， 沿著所述噴口與第一反射鏡中心連線的方向移動第二反射鏡、并調整第二反射鏡反射面與 第一反射鏡反射面之間的銳角夾角。 優選地，在步驟Sl之前進一步包括：將所述光學反射鏡單元設置在反射鏡支架 上； 步驟S2具體為： 基于所述軸向距離，通過移動所述反射鏡支架調節第二反射鏡中心與第一反射鏡 中心之間的第二距離；依據所述加熱距離和第一距離，通過控制所述反射鏡支架調節第二 反射鏡反射面與第一反射鏡反射面之間的銳角夾角，使得從第二反射鏡出射的紅外光譜與 從所述待測材料中心發射的紅外光譜位于同一平面內、并從所述測量窗口垂直出射。 優選地，在步驟Sl之前進一步包括：在所述測量艙內設置滑軌，所述反射鏡支架 在所述滑軌上進行往復運動； 所述移動所述反射鏡支架具體為：使所述反射鏡支架在所述滑軌上運動。 優選地，反射鏡支架上設置有滾輪。 優選地，所述測量窗口為氟化鎂窗口。 優選地，第一反射鏡和第二反射鏡均為分層結構，所述分層結構包括：氟化鎂層、 鍍在所述氟化鎂層內側的金屬銀、以及利用耐高溫粘結劑粘接在鍍銀的氟化鎂層內側的 ZrOJl;其中，所述內側是指朝向所述測量艙的一側。 根據本專利技術的另一個方面，提供了一種惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量 裝置，包括：光學反射鏡單元、測量窗口和雙比色高溫計；待測材料與高焓高速氣流的噴口 設置于測量艙內，所述噴口的軸線與所述測量窗口平行，所述噴口所在平面與所述測量窗 口中心線之間的距離為軸向距離，所述待測材料的中心與所述噴口同軸、且距離為加熱距 離；其中， 所述測量窗口設置于所述測量艙的艙壁上，所述雙比色高溫計設置在所述測量窗 口的外側； 所述光學反射鏡單元可移動地設置于測量艙內、并位于所述待測材料與所述測量 窗口之間，用于將所述待測材料表面的紅外本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種惡劣環境下材料表面溫度的非接觸式測量方法，包括：S1、使高焓高速氣流噴口的軸線與測量窗口平行，獲取所述噴口所在平面與所述測量窗口中心線之間的軸向距離；使待測材料的中心與所述噴口同軸，獲取所述待測材料的中心與所述噴口之間的加熱距離；使第一反射鏡的反射面與所述噴口處于同一平面內，獲取第一反射鏡中心與所述噴口之間的第一距離；S2、基于所述軸向距離調節第二反射鏡中心與第一反射鏡中心之間的第二距離，依據所述加熱距離和第一距離調節第二反射鏡反射面與第一反射鏡反射面之間的銳角夾角，使得從第二反射鏡出射的紅外光譜與從所述待測材料中心發射的紅外光譜位于同一平面內、并從所述測量窗口垂直出射；S3、利用設置在所述測量窗口外側的雙比色高溫計采集出射的紅外光譜，確定所述待測材料的表面溫度；其中，所述待測材料和所述噴口設置在測量艙內，所述測量窗口設置在所述測量艙的艙壁上，第一反射鏡和第二反射鏡設置在測量艙內，并位于所述待測材料與所述測量窗口之間。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：金華，曾慶軒，孟松鶴，卓立軍，宋樂穎，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23
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