高速飞行器热结构材料小型化测温装置的研究

高速飞行器热结构材料小型化测温装置的研究高速飞行器热结构材料小型化测温装置的研究 Abstract III Abstract Thein flight measurementsof parameterslike temperature and heat flux areof greatsignificance forthermal protectionsystem estimateand design New generationhypersonic vehicleswill havea longtime flightin theatmosphere with subsequentlyhave anextremely seriousheat aumulationeffect which causesthermal protectionmaterials temperature isextremely high Traditional contactmeasurements whichbased onthermocouples cannotmeet therequirements ofthe durableparameters identificationof temperatureand heat flux inthat region Noncontact temperature measurement based on radiationmeasuring hasadvantages suchas widetemperature measurementrange anda shortresponse time A miniaturizedtemperature measurement device basedon non contact temperature measurement isdesigned surface heat flux identificationwas pletedusing the thermal structurerear side temperature time history This articleprovides animportant methodfor hot structure materialassessment inhypersonic flighttest 1 The methodsof non contact temperature measurement basedon radiation were researched and waysof monochromeand two color methodsof surfacetemperaturemeasurementdetermined bymaterial thermalradiationwererespectively studied Additionally thethermalprotection layeroutside heatflux identification methods illiterate thattwo color methodsis moresuitable forhotstructure material temperaturetesting ofhigh temperaturearea 2 Lumped parametermethod andmethod ofconsidering one dimensional heatconduction wererespectively usedfor numericalcalculate methodof surfaceheatfluxbasedonthe thermo structural materialrear sidetemperature data and thealgorithm s scopeof applicationand auracywas discussed 3 A miniaturizedtemperaturemeasurementdevice designed Optical pathAbstract IVdesign wasmade tomeet therequirement ofradiation signalobtain by whichthe structureinside shapewas determined Reliability analysisproved thatrelative errorcaused byOptical systemdesign isless than0 3 testing temperaturewithin thedesigned measurementrange structurematerialsystem device structureshape structurewere determinedconsidering itshigh temperaturestrength and heat insulationperformance and thestructural strength heat sealingefficiency analyzedusing finiteelement method 4 The miniaturizationtemperaturemeasurementdevice samplewas prepared which lighterthan1 5kg The groundassessment experimentwas designedfor temperaturemeasurementdevicestructure strength andheatinsulation andsealing performanceassessment test The sampledid notdamaged and flangetemperature alwayslower than70 proved thatdesigned devicehave enoughstrengthandgood highheat sealingperformance 高超声速飞行器具有重要的战略意义和应用价值 因此得到世界各 国的高度重视 将是未来航空航天领域的研究和发展的热点之一 1 通常 高超声速飞行器是指在大气层内飞行速度超过五倍音速的飞 行器 即飞行Mach数超过5 高超声速飞行的概念是由我国著名学者钱学森先生在1945年提出 获得了国际上广泛的认可 高超声速飞行器包括高超声速战略飞行器 再入航天器以及高超声 速飞机等 目前 以高机动性能为主要特征的新型高超声速飞行技术已成为空 天飞行技术领域的主要研究方向之一 将在未来国家安全战略中起 着重要作用 与传统飞行器相比 新型高超声速飞行器在减少防御响应时间 加 强突防和反防御能力方面有极大提高 有效地增强了飞行器生存能 力 目前 美国 俄罗斯 德国和日本等国家都在进行高超声速飞行技 术方面的研究 制订了了各种发展高超声速飞行器的计划 2 3 新型高超声速飞行器在大气层内高速飞行 会承受严重的气动加热 热防护系统设计是高超声速飞行技术快速发展的重要支撑 4 5 热防护系统研究设计需要大量的飞行试验的测试数据 对其服役过程中的温度 热流等关键参数的测量是评价热防护材料 使用性能 验证气动热模型和算法 指导热防护设计的必要手段 可为新型高超声速飞行器的热防护设计及材料性能表征提供宝贵的 飞行实验数据 6 然而由于高超声速飞行环境恶劣 对其热防护结构高温区域中的直 接参数识别方法提出了严峻挑战 针对高超声速飞行器服役环境 开展温度 热流测试方法研究 是促 进与指导飞行器热防护系统设计领域发展的必要条件和重要手段 各种飞行器在在轨飞行或试验测试时 都通过安装的大量传感器获 取飞行中的各种结构响哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 应和环境参数 包括温度 压力 振动 电磁干扰强度等 图1 1X38再入想象图 NASA ESA 高超声速飞行器再入大气层时经历严酷 的气动加热环境 而以滑翔机动弹头 可重复使用运载器 RLV 航天飞机等为代表的升力体再入飞行器 由于其在大气层内长时间 高速飞行 热量的累积效应明显 导致热防护系统背壁温度远远高 于其它类型飞行器 国外相关研究报道高超声速飞行器在邻近空间长时间飞行时 大面 积温度达1200 翼前缘温度可达2000 根据局部热平衡估算的 外壁热流近2MW m2 端头驻点温度可达2800 7 如此高使用温度加之再入飞行时振动 过载 电磁干扰等复杂条件 对传统热电偶接触式测量技术带来了很大困难与挑战 主要体现在 热电偶测量温度上限一般较低 常规热电偶长时间使用温度在1800 以下 虽然目前的钨铼热电偶体系能够对2500 以上的高温进行测量 但 是其极易氧化 做抗氧化处理后响应速度和精度都极低且不能长时 间使用 相比之下 基于辐射法的非接触式测温具有下列特点由于被侧物体 与温测元件不发生接触 不会产生测试设备本体材料因高温失效的 问题 所以可用来测很高的温度 理论上非接触法测温是无上限的 实际上亮温法 色温法或全辐射法测温上限常在4000K左右 光谱法 可测几万度到几十万度的等离子体温度 非接触测温通过测量光纤 传导的光信号获取温度参数 而光信号从本质哈尔滨工业大学工学 硕士学位论文 3 上是不受电磁环境干扰的 因此基于辐射法的非接触式测温适用于在再入过程中可能产生的较 强电磁干扰的的高超声速飞行器的温度识别 可进行动态快速测温 非接触测温中采用光电元件作为热辐射接收器 通过测量产生的电 信号识别物体温度 其响应时间为毫秒或微秒级 充分满足快速响 应的要求 可测热容小的物体 而不干扰被测对象原始热状态或引 起温场畸变 1 2高温 高热流测试方法温度是热结构分析中最基本 最重要的参 数之一 目前对较低温度的物体已有很多成熟的测量方法 如热电 阻 热电偶 辐射测温等 根据测温范围 测温环境的不同选择不同的测温手段 针对高超声速服役环境中的高温区域热防护材料的温度识别可以分 为两类一类是基于金属热电效应的接触式测试方法 一类是基于物 体热辐射测量的非接触式测试方法 针对热流的测试方法较少 主要根据热辐射测量辐射热流 本文中热流参数的识别是根据材料背壁温度历程进行热流反算 接触式测试1 2 1温度测量的依据有定压条件下 利用固体或液体受 温度的影响而热胀冷缩的现象 在定容条件下 一定重量的气体的 压强随温度变化 热电效应的作用 电阻随温度的变化而改变 热 辐射的影响等 一般而言 只要某一物质的物理属性随其温度变化发生显著的 单 调的变化 并能够通过合理的方法测得 都可以用来度量温度 接触式温度测量方法主要有膨胀式温度计 压力温度计 热电阻和 热电偶等 对于高温的接触式测试方法主要是基于耐高温金属的热电效应 即 采用热电偶进行测量 任何均质导体在两端温度不同时 其两端 称为热端和冷端 会产 生一个电势差 在同样的温度分布下 不同材料产生的两端的电势 差是不相等的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 当把两个不同成分的导体的一端接合 它们的冷端之间会产生一个 电动势 称为热电势 热电偶就是基于这一原理进行温度测量的 其测量物体温度的一端 称为热段或测量端 另一端称为冷端或补 偿端 热电势的大小与冷端和热端的温差存在定量关系 通过测定热电偶 冷端的电动势 可以确定热端的温度 目前国内的标准化热电偶有S B E K R J T七种 其中B型热电偶测量温度达到1400 非标准热电偶中 钨铼热电偶可以测量高达2800 的温度 但使用 时间较短且不能再有氧环境中工作 热流测量是量化热能转移过程 评价热传递性能的重要方法 热流测试方法从热流的热传递方式上可以分为三类导热热流测量 辐射热流计 对流热流计 其中 导热热流测量属于接触式测试方法 目前工业上较为成熟的热流测试方法有线绕热阻式热流传感器 半 导体式热流传感器 薄膜热流传感器等 热接触式热流测量过程中 常常是将传感器粘贴在被测物体和表面 或者埋没在被测物体的内部 这都会影响被测物体原有的传热状态 为了对该影响有一个较为准确的估计 就必须知道热流传感器自 身的热阻等性能 这也要在标定过程中加以确定 非接触式测试1 2 2非接触式测温基于辐射测温原理 是相对于热电 偶等接触式测试方法而言的 辐射测温由于上限测量温度高 故有着广泛的应用空间 辐射测温原理是基于普朗克辐射定律 即当被测物体温度发生改变时 它的辐射能量按着光谱波长的分布发生改变 目前非接触式测温方法在工业上已有广泛应用 如用于高温炉的内 壁温度测量 基于辐射测量的非接触式测温法有亮度温度法 颜色温度法 全辐 射温度法和光谱法等 本文采用的双比色温度测量法属于颜色温度法的一种 该方法通过 假设物体在两个相邻两个波段的发射率相等 获得两个波段辐射哈 尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 强度的比值 通过建立的比值 温度单调函数关系 确定物体表面温度 直接能够完成非接触式热流测量的方法相对于测温方法较少 圆箔式热流传感器 Circular FoilHeat FluxSensors 又称圆箔计 戈登计 可以用于远距测量辐射热流 下图为圆箔式热流传感器原理结构图 图1 2圆箔式热流传感器结构简图康铜箔是焊到空心圆柱体的铜热沉上 一条铜引线焊到康铜箔中心 这样就得到一个由铜引线 康铜箔 铜热沉体组成的差分热电偶对 热电堆 焊在康铜箔中心的铜引线与焊在铜热沉体上的铜引线构成热电堆的 输出 圆箔式热流传感器它具有如下特性设计简单 结构坚固 且易于制 造和价格低廉 测量热流范围较宽 测量辐射热流 在有限条件下 可以测量总热流 辐射和对流 但表面温度一般不能超过300 也可以单独测量辐射热流 与光谱性质无关 即可以测量全波长范 围 0 时间相应可达10毫秒 产生的信号能直接用数字电 压表或电子电位差计记录 具有较好的稳定性和重复性 8 正是由于圆箔式热流计具有上述特点 曾得到广泛应用 并沿用至 今 热流参数识别1 2 3热流传感器往往由于安装及匹配等问题 极少用 于热防护结构高温区域的参数测量 针对高热流区域热流参数的识别 往往是根据温度传感器获得哈尔 滨工业大学工学硕士学位论文 6 的热防护层内部某一点处的温度历程反算其外壁面热流 根据温度历程计算热流涉及到一类传热反问题 数学上反向热导方 程的边值问题属于非适定问题 由于实际问题的数据往往是通过测量给出的离散的近似值 问题通 常没有精确解 因此 人们希望找到近似地满足方程和定解条件的近似解 这些近似解由于近似方法的不同 一般是不具有唯一性的 而且往 往随定解条件的轻微改变发生显著变化 但是如果对近似解所在的函数类加以适当的限制 例如使用罚函数 增加紧性的限制 9 便可以保证近似解对数据的连续依赖性 不适定问题出现在许多领域中 具有重要的实际应用价值 如连续 介质力学 自动控制 大气物理 电磁学 热扩散问题 生物医药 地震勘测等 10 目前 线性不适定问题的研究相对比较完善 在许多应用领域取得 了良好的效果 但非线性不适定问题由于其本身的特殊性和复杂性在理论和实践方 面还有许多有待完善的地方 11 非稳态导热逆问题的求解方法主要有顺序函数法 SFSM 12 13 迭代正则化法 14 15 和Tikhonov正则化法 16 17 等 其中顺序函数法是利用有限个未来时间步的温度测量值反算当前时 刻的待求参数 钱炜祺等 18 用顺序函数法对飞行器再入大气层时的外壁热流反算 开展了研究 1 3国内外研究现状由于飞行试验测试数据对飞行器设计具有重要的 指导作用 高超声速飞行器飞行试验测试中利用大量传感器对其进 行参数识别 IRS参与了大量再入飞行计划研究项目 对飞行器再入过程中高温高 热的测试方法开展技术研究 19 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 图1 3IRS参与的再入大气飞行项目飞行器的飞行试验中进行温度测试是 指导热防护设计 保证飞行器安全的重要手段 目前 基于热电偶技术的防热材料背壁温度接触式测试技术已经较 为成熟 国内外飞行器目前采用的也较为普遍 如美国SHARP B2开展了分层热电偶温度传感器研究并进行了飞行测试 获得了宝 贵的试验数据 图1 4SHARP B2超高温陶瓷验证材料内部热电偶温度传感器哈尔滨工业大学工学 硕士学位论文 8 图1 5SHEFEX 安装热电偶 热流传感器上述传感器研发过程中就发现由于热电偶本身的技术局 限性不能满足2000 以上长时间飞行测试的需求 通过对国内多家 航天传感测试技术与装置提供单位的调研发现目前国内该温区的材 料温度飞行测试技术极度匮乏 只能在设计过程中放弃对材料内部 高温区关键温度点的测试 转而通过对低温区的测试反推高温区响 应 同时由于被测试材料结构比较复杂所获取的材料内部温度分布 受到材料结构的严重干扰 识别材料本身高温响应存在较大困难 上述因素共同导致飞行数据后处理过程中将要用所识别的材料内部 分层温度飞行数据识别材料高温响应状况并验证地面预报模型存在 较大的难度 为满足高超声速飞行环境下新型热防护系统材料热响应飞行识别 迫切需要一种能够耐受更高温度 测试更为精确 科学的飞行测试 方法的出现 目前针对超高温热防护系统背壁温度 热流的非接触式飞行试验测试 技术目前仅美国和欧洲少数国家开展了相应的研究 德国航空航天中心 DLR 开展了使用表面主动冷却技术的SHEFEX飞 行试验项目 SHEFEX飞行器采用尖锐前缘设计 用于进行包括热防 护系统测试在内的研究 20 24 目前已完成了SHEFEX I和SHEFEX II的飞行实验 xx年初 SHEFEX II型航天器由火箭发射升空 并进行了首次返回大气层的测试 SHEFEX II的一个主要任务就是收集飞行试验数据 25 其试飞器端部就安 装有有20个温度传感器 25个压力传感器和8个热流密度传感哈尔滨 工业大学工学硕士学位论文 9 器 其中温度传感器除了传统的基于热电偶的接触式测温传感器外 还 有光学测温传感器PARE 26 27 PARE传感器能够同时对热防护系统背壁温度 飞行器外部环境辐射 强度 壁面压力参数进行飞行试验测试 图1 6SHEFEX飞行器上的PARE传感器结构图 28 PARE传感器是SHEFEX飞行 器用于研究其热防护系统高温区域背壁温度的非接触式测试方法而 专门研制的新型组合式传感器 PARE传感器探头结构如图所示 其左侧的光路通道设计用于使圆箔 式热流计测量热防护系统外侧的激波辐射热流 镶嵌在光路通道内 壁上的压力传感器可以测量外部气流压强 而右侧的辐射高温计用于测量热防护材料层在高温状态下的热辐射 强度 并确定其温度 PARE传感器的特点是能够把总加载热流中的激波辐射热流进行独立 测量 并能确定其比焓 29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 图1 7PARE传感器光路通道 部分 28 欧洲在EXPRESS和MIRKA等飞行任 务中非接触式测温高温测试技术都取得了成功的飞行验证 相关飞 行试验测试装置分别命名为PYREX E和PYREX M 30 32 目前针对欧洲飞行试验平台EXPERT开发的材料背壁温度小型化 飞行试验测试装置PYREX EXPERT 以下简称PYREX 其测量温度范围在750 2350 之间 PYREX采用合理的光路设计 33 34 用以识别飞行试验中陶瓷热防 护层防热材料背壁温度与外壁面热流 并评价热防护材料性能 35 经过EXPRESS和MIRKA的飞行实验 成功获得了飞行过程中防热材料 背壁温度 与计算预报进行了比对分析 在MIRKA搭配的多组PYREX M构成的测试阵列所测数据还正确地反映出飞行器的弹道与姿态特征 并验证气动热算法 36 37 PYREX KAT38也是PYREX再入测试试验有效载荷的一部分 用来测试具有不 同催化性能的材料在热障前的原子浓度 38 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 图1 8EXPERT上的PYREX目前PYREX EXPERT正委托德国斯图加特大学开发 该项技术已经通过了地面模 拟试验 测试装置整体表现良好 将于近期作为EXPERT科学载荷进 行飞行试验 图1 9地面模拟试验考核中的PYREX综上可见 针对热防护系统材料热响 应的超高温飞行测试技术在欧美等发达国家在上个世纪就开展了相 关研究 并且经过多年的实践与积累已经趋于成熟 而在国内目前 还缺乏相关技术研发 随着高超声速飞行器相关研究与发展计划的逐步实施 对新型热防 护系统材料高温响应的超高温飞行测试方法需求已经日趋迫切 针对上述国内外现状 本文针对高超声速服役环境下热防护系统材 料背壁温度 热流超高温飞行测试技术开展研究 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 1 4本文研究内容本文以热防护材料背壁温度的非接触式识别为基线 借鉴国外相关经验 研究适用于新型高超声速飞行器飞行环境 满足高热流区域热结构材料响应测量需求的测试方法 本文研究内容有高温的非接触式测试方法 热结构材料表面流识别 方法 非接触式背壁温度测试装置设计与分析 测温装置的实验考 核与温度 热流参数识别方法的验证 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 第2章非接触式温度 热流参数识别方法2 1引言本章针对性地研究适 应于高热流区域服役环境的温度测试和热流识别方法 阐明非接触式温度测试原理 确定材料辐射强度与温度的定量关系 研究热防护层的传热模型与数值求解技术 提出基于热防护层背 壁温度历程的外壁热流识别方法 2 2非接触式测温方法温度在绝对零度以上的物体都会不断地向周围 空间发出红外辐射能量 又称热辐射 物体热辐射强度与其温度密 切相关 非接触式测温就是基于物体的热辐射强度随其温度改变发生变化的 原理 通过对物体自身辐射的红外辐射能量的测量 确定其表面温 度 基于辐射测量的非接触式测温法有亮度温度法 物体在同一波长下的光谱辐射强度与黑体光谱辐射强度相等时的黑 体温度 颜色温度法 通过发射体发射谱形状与最佳拟合的黑体发射谱形状比较确定的温 度 比色测温属于此类 全辐射温度法 通过测量物体在全波长辐射强度确定气温度 光谱法 采用等离子体的绝对或相对线光谱强度或连续光谱强度测量 主要 用于4000K以上的等离子体测温 实际物体在温度T时的光谱辐射力表达式为 1 5 2 1 其中E 光谱辐射力 W m3 波长 m T 热力学温度 K T 物体在温度T下的光谱发射率 无量纲 c1 第一辐射测量 为3 742 10 16W m2 c2 第二辐射常量 为1 4388 10 2m K 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 对于理想黑体 T 1 其光谱辐射力为 1 5 2 1 图2 1辐射力随波长变化单色测温2 2 1单色测温的测量波段为 1 2 假设在此波段内的物体表面发射率 为已知 物体在该波段的辐射力为 2 1 在 0 7 m T 1000K时 黑体辐射力 1 5 2 1为处理方便 可以近似为 1 5 2 引起的相对误差不超过10 8 则 2 1 1 2 2 23 2 3 2 2 2 6 22 2 3 6 23 2 4 1 2 1 13 2 3 1 2 2 6 12 2 3 6 13 2 4 0123450 05 0 x1011800 1000 1200 1400 1600 2000 波长 m 光谱辐射力 W m3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 用解析表达式表示的W与T的函数关系较为复杂 而且其反函数不能 写成有限项形式的解析表达式 这在传感器系统设计时由W确定温度T时是不方便的 我们可以用数值方法获得形式较为简单 且有足够精度的近似解析 表达式 一般辐射高温计的测量波段选择为设计最高测量温度波段辐射力波 峰左侧对应波长范围 例如设计测温上限为2500 而物体在2500 时1 15 m波长的辐射 力最强 则可选取波长不超过1 15 m的波段 这里选择材料表面发射率为1 理想黑体 测量的波段为0 70 1 1 5 m 由数值积分计算在温度T 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200和2500 时黑体在两个波段的辐射力 获得各温度点处 的波段辐射力W的取值 采用插值或拟合的方法可以得到温度T随波段辐射力W变化的函数关 系 这里 引入中间变量 log10 用最小二乘法获得温度T b随波变量w变化的函数关系方程 得 6 5872 4 83 719 3 448 91 2 894 14 1584 1经验证 该表 达式在任意w 2 332 5 945 即测量范围内 内测出的温度T的相 对误差不超过0 2 拟合曲线曲线见图2 2 拟合采用的数据点和相应节点误差见表2 1 图2 2W与温度函数关系曲线100100010000100000100000010001500200025 003000温度T K 辐射力W W m2 关系曲线数据点哈尔滨工业大学工学 硕士学位论文 16 表2 1拟合数据点和节点误差波段辐射力W W m2 w log10W温度T b K 拟合曲线节点温度 K 四次次拟合相对误差 2 15E 022 33210 73 151073 34 0 0171 65E 033 2191273 151272 170 0777 55E 033 8781473 1514 74 89 0 1182 45E 044 3891673 151673 25 0 0066 27E 044 7971873 151871 80 0721 36E 055 1322073 15207 2 20 0462 58E 055 4122273 152273 76 0 0274 46E 055 6492473 152474 9 0 0718 81E 055 9452773 152772 180 035由于真实情况下 材料的 发射率是小于1的 易获得考虑此影响的辐射强度 温度关系为 1 4 即对于真实应用情况 利用单色测温法不 仅需要测量辐射信号的强度 还需确定其表面发射率 此外 单色 测温基于单一波段的辐射强度测量 当视场能见度较或由于加工和 安装误差导致光路视场被部分遮挡时 将出现显著的测温偏差 双比色测温2 2 2比色测量法属于颜色温度法 根据辐射源在两个波 段的辐射强度的比值确定其温度的 其优点是不需要知道被测物体 的实际发射率 这对于发射率随温度变化的防热材料是极为适用的 设比色测温计测量的两个波段为 1 1 1和 2 2 2 由下式定义其波段发射率 1 2 1 2对于实际工程 材料 其在相近波段的发射率是极为接近的 因此这里假设被测材 料在测量波段的发射率坡度s 1 2 1为定值 令哈尔滨工业大 学工学硕士学位论文 17 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2 可见 在波段确定的情况下 K是一个仅与温度T有关的函数 我们从这点出发建立一个K与T的 可逆的函数关系 图2 3比色测温波段的选择黑体辐射力 1 5 2 1为处理方便 可以近似为 1 5 2 则 1 2 3 2 3 2 2 6 2 2 3 6 3 2 4 1 2 3 2 3 2 2 6 2 2 3 6 3 2 4 1 2则 1 2 030 02 0 x10104 0 x10106 0 x10108 0 x10101 0 x1011L2波长 m 波 长辐射力 W m3 L1哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 与单色测温的情况类似 利用数值方法可以获得温度T和波段辐射力 的关系函数 且有足够精度 比色测温的辐射波段选择应综合考虑波段辐射强度 波段信噪比以 及得到的K T函数关系的线性度 一般而言 对于给定的温度测量范围 选用合适的测量波段 其波 段辐射越强 信噪比越小 K T函数线性度越高 得到的结果越好 一般比色高温计的测量波段选择为设计最高测量温度波段辐射力波 峰左侧对应波长范围 例如设计测温上限为2500 而物体在2500 时1 15 m波长的光谱 辐射力最强 则可选取波长不超过1 15 m的波段 同时 为了获得较强的辐射信号以提高信噪比 减小测量的偶然误 差 测量的热辐射波长不能过小 波段不能过窄 另外为使获得的K T函数关系的较高线性度 选择的两个波段应保持合适距离 图2 4K T T关系曲线 0 2 m 0 01 m 1 1 0 3 m 2 1 0 4 m 3 1 0 5 m 4 1 0 6 m 5 1 0 7 m 6 1 0 8 m 7 1 1 0 m 8 1 1 2 m 9 1 2 0 m 10 1 3 0 m 11 1 4 0 m 12 1 5 0 m 辛军等给出了非接触式高精度双比色光纤测温计 的波长选择的优化设计 39 文献中提出对双比色光纤高温计的系统设计的主要问题是选择两个 波段及其带宽 给出了K T T关系曲线 如图2 4所示 由图可见 在两个哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 19 波段中心间距 0 2 m 带宽 0 01 m时 在800至2500 温 度范围内 第 5 6 7 8条K T关系曲线保持了较高的线性度 即对应 1分别为0 7 m 0 8 m 1 0 m 1 2 m 在不考虑噪声的情况下 带宽过大会引起较大的测温误差 而考虑到测量噪声在实际情况中不可避免 因而带宽越大 温度计 获得的光信号越强 信噪比越高 综合考虑以上因素 这里选择比色测温计测量的两个波段为0 70 1 00 m和0 95 1 15 m 由数值积分计算在温度T 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200和2500 时黑体在两个波段的辐射力 获得各温度点处 的辐射比K的取值 采用插值或拟合的方法可以得到K的温度T的函数关系方程 例如采用加权的最小二乘法拟合三次多项式 使相对误差平方和最 小 得到T的表达式为 259 08 3 523 75 2 1946 65 536 33经验 证 该表达式在任意K 0 296 1 312 即测量范围内 内测出的 温度T的相对误差不超过0 2 拟合曲线曲线见图2 5 拟合采用的数据点和相应节点误差见表2 2 图2 5K值与温度函数关系曲线由此我们得到了由光信号处理系统得出的 波段辐射力K确定相应温度的0 20 40 60 81 01 21 41000150020002 5003000实际温度温度曲线K值温度 K 哈尔滨工业大学工学硕士学位 论文 20 方法 后续将根据建立的此函数关系对光路设计进行可靠性分析 表2 2拟合数据点和拟合节点误差温度T K0 70 1 00 m辐射力W m20 95 1 15 m辐射力W m2辐射比K加权线性拟合相对误差 加权三次拟合 相对误差 1073 155 25E 011 77E 020 296 0 136 0 1831273 155 28E 021 27E 030 4150 770 191473 152 90E 035 3 9E 030 5380 2740 0381673 151 08E 041 63E 040 664 0 351 0 11873 153 06E 043 88E 040 789 0 733 0 1222073 157 16E 047 85E 040 912 0 778 0 0532273 151 45E 051 40E 051 032 0 4840 0432473 152 63E 052 29E 051 1480 1230 0982773 155 50 E 054 19E 051 3121 539 0 05双比色测温不需要确定材料表面发射率 适用于发射率随温度 或表面氧化状态变化的热结构材料的测量 同时 双比色测温是基于材料辐射强度在两个波段的比值 当光路 被部分遮挡时 两个波段的获取辐射信号强度同比减小 因此从原 理上不会引起测温误差 在测温装置设计中 考虑到被测材料的发射率变化不易确定 且光 路制备过程中会存在一定误差可能对测量视场产生部分遮挡 采用 单色测温法不利于获得高精度的测量结果 双比色测温则能较好地解决上述问题 因此设计的测温装置将选用 双比色测温方法 2 3材料的表面热流识别方法高热流区域的外壁热流参数是反映热防 护系统