一种分层温度和烧蚀量同步测量方法、装置及应用与流程

1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种分层温度和烧蚀量同步测量方法、装置及应用。


背景技术：

2.航天飞行器再入大气层时，结构外表面承受高速飞行带来的高温环境，最高温度可超过2000℃，一般金属结构难以承受此高温，因此一般需要在金属结构外部覆盖一层耐高温的复合材料结构，称为防热层。在高温作用下，防热层外表面会发生燃烧，燃烧会带走表面物质，从而使得防热层表面产生后退现象，称为表面烧蚀后退量。
3.航天飞行器在大气层内飞行，需要控制防热层的表面后退烧蚀量，避免内部结构和仪器设备暴露在高温环境下，以确保航天飞行器能够正常工作。由于高温下防热层的烧蚀是一个涉及物理、化学变化的复杂过程，目前需要通过地面风洞试验的方法模拟航天飞行器再入大气层过程，并实际测量防热层不同厚度位置的温度以及表面烧蚀后退量，以便对防热层方案的合理性进行评估。
4.由于航天飞行器结构表面的温度高达2000℃以上，温度梯度高达200℃/mm以上，因此测量温度以及烧蚀量都非常困难。目前烧蚀量测量主要是通过测量试验前后防热层的厚度差计算得到，无法获得试验过程中的表面烧蚀后退量变化过程。分层温度的测量主要是在防热层内部打孔，使得孔深分布到不同位置，并在孔内布置热电偶，从而获得不同位置的温度。但是由于热电偶和防热层孔壁之间存在较大界面热阻，测量结果有较大误差，且受限于深孔加工能力和热电偶尺寸，一般层间距离较大，集成度差，同时也无法获得表面高温度梯度区域数据。
5.此外，由于分层温度和烧蚀量测量属于两种测量技术，目前还无法实现同步测量，这会给防热设计带来更多误差，不利于提高设计精度。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种分层温度和烧蚀量同步测量方法、装置及应用，能够保证基体与防热层具有相同的导热能力和烧蚀速度，有利于实现高精度同步测量，采用一个测量装置同时测量分层温度和烧蚀量，避免了测量装置分两次测量烧蚀量和分层温度带来的误差，并且能够确保分层温度和烧蚀量同步测量装置工作的可靠性，从而满足在航天飞行器或者地面风洞试验使用要求。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种分层温度和烧蚀量同步测量装置，包括基体，所述基体安装于防热层设置的开孔内，所述基体的顶部外表面与所述防热层的顶部外表面齐平，所述基体采用具有与所述防热层相同或相近的热扩散系数和耐烧蚀能力的材料，所述基体的不同高度位置布置有温敏元件，且所述温敏元件连接有导线，所述导线连接有外部测量电路，所述温敏元件与导线的表面包覆有耐高温绝缘材料，用于进行耐高温绝缘处理。
8.采用上述方案，当防热层和基体的外表面受到由外到内的高温作用时，对导线通电，测量外部测量电路的电压、电流变化情况以及结合温敏元件的特性计算基体不同位置的温度，根据不同电路的断路时间及其所布置的相对应的位置得到烧蚀量；
9.基体采用具有与防热层相同或相近热扩散系数和耐烧蚀能力的材料，能够保证基体与防热层具有相同的导热能力和烧蚀速度，有利于实现高精度同步测量，采用一个测量装置同时测量分层温度和烧蚀量，避免了测量装置分两次测量烧蚀量和分层温度带来的误差，由于温敏元件与导线的表面进行了耐高温绝缘处理，耐受温度达到防热层烧蚀温度，当温度传导至防热层内部使其发生碳化导电但还未烧蚀时，该测量装置仍可以正常工作，不会出现断路、短路等异常现象，确保工作的可靠性。
10.优选的，所述基体通过粘接或者机械装配方式安装于所述防热层设置的开孔内。
11.采用上述方案，保证基体与防热层固定牢固。
12.优选的，所述温敏元件包括但不限于热电偶、温敏电阻等。
13.优选的，所述温敏元件和导线粘附于基体上，所述粘附方法包括但不限于离子注入、磁控溅射或高温烧结等。
14.采用上述方案，保证在高温或者高温度梯度的情况下温敏元件与基体具有牢固的粘附性，采用离子注入、磁控溅射或高温烧结等先进制造工艺，具有高集成度、高分辨率、高精度等特点，方便安装。
15.优选的，所述基体外形包括但不限于矩形片、矩形柱或圆形柱。
16.本发明还提供一种使用分层温度和烧蚀量同步测量装置的测量方法，包括如下步骤：
17.s1.所述温敏元件距离所述基体顶部的距离分别为d1、d2……dn
，所述基体的不同高度位置共布置有n个温敏元件，将所述温敏元件、导线与外部测量电路连接形成通路；
18.s2.当所述防热层和基体的外表面受到由外到内的高温作用时，所述防热层开始烧蚀后退，当烧蚀量达到di时，在外力、高温等因素作用下，第i根所述导线断开，形成断路，此时记录断路出现的时间为ti及对应的位置为di，ti时刻的烧蚀量为di，根据ti及di的对应关系，可以获得烧蚀量随时间变化的关系；
19.s3.当温敏元件为热电偶时，通过所述外部测量电路测得连续的电压，根据电压与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，电压与温度的对应关系如下式所示：
20.e＝at2 bt c
21.其中，e为温敏元件的输出电压；t为温度，单位为℃；a、b、c为常数；
22.当温敏元件为温敏电阻时，通过所述外部测量电路测得温敏电阻的阻值，根据温敏电阻的阻值与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，温敏电阻的阻值与温度的对应关系如下式所示：
23.r＝at2 bt c
24.其中，r为温敏电阻的阻值；t为温度，单位为℃；a、b、c为常数。
25.优选的，所述温敏元件在测量烧蚀量与温度前需进行标定。
26.本发明还提供一种上述分层温度和烧蚀量同步测量装置或上述使用分层温度和烧蚀量同步测量装置的测量方法包括但不限于在航天飞行器烧蚀结构内部温度和烧蚀量测量中的应用。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.(1)基体采用具有与防热层相同或相近热扩散系数和耐烧蚀能力的材料，能够保证基体与防热层具有相同的导热能力和烧蚀速度，有利于实现高精度同步测量，采用一个测量装置同时测量烧蚀量和分层温度，避免了测量装置分两次测量烧蚀量和分层温度带来的误差。
29.(2)由于温敏元件与导线的表面进行了耐高温绝缘处理，耐受温度达到防热层烧蚀温度，当温度传导至防热层内部使其发生碳化导电但还未烧蚀时，该测量装置仍可以正常工作，不会出现断路、短路等异常现象，确保工作的可靠性。
30.(3)温敏元件和导线通过离子注入、磁控溅射或高温烧结等方法粘附于基体上，保证在高温或者高温度梯度的情况下温敏元件与基体具有牢固的粘附性，采用离子注入、磁控溅射或高温烧结等先进制造工艺，具有高集成度、高分辨率、高精度等特点，方便安装。
附图说明
31.图1为本发明分层温度和烧蚀量同步测量装置的结构示意图。
32.图2为本发明烧蚀量和时间的曲线图。
33.图中：1、基体；2、导线；3、温敏元件；4、外部测量电路；5、防热层。
具体实施方式
34.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
35.请参阅图1-2，本发明提供一种分层温度和烧蚀量同步测量装置，包括基体1，基体1安装于防热层5设置的开孔内，基体1的顶部外表面与防热层5的顶部外表面齐平，基体1采用具有与防热层5相同或相近的热扩散系数和耐烧蚀能力的材料，基体1的不同高度位置布置有温敏元件3，且温敏元件3连接有导线2，导线2连接有外部测量电路4，温敏元件3与导线2的表面包覆有耐高温绝缘材料，用于进行耐高温绝缘处理。
36.当防热层5和基体1的外表面受到由外到内的高温作用时，对导线2通电，测量外部测量电路4的电压、电流变化情况以及结合温敏元件3的特性计算基体1不同位置的温度，根据不同电路的断路时间及其所布置的相对应的位置得到烧蚀量；
37.基体1采用具有与防热层5相同或相近热扩散系数和耐烧蚀能力的材料，能够保证基体1与防热层5具有相同的导热能力和烧蚀速度，有利于实现高精度同步测量，采用一个测量装置同时测量分层温度和烧蚀量，避免了测量装置分两次测量烧蚀量和分层温度带来的误差，由于温敏元件3与导线2的表面进行了耐高温绝缘处理，耐受温度达到防热层烧蚀温度，当温度传导至防热层5内部使其发生碳化导电但还未烧蚀时，该测量装置仍可以正常工作，不会出现断路、短路等异常现象，确保工作的可靠性。
38.基体1通过粘接或者机械装配方式安装于防热层5设置的开孔内，保证基体1与防热层5固定牢固。
39.温敏元件3包括但不限于热电偶、温敏电阻等。
40.温敏元件3和导线2粘附于基体1上，粘附方法包括但不限于离子注入、磁控溅射或高温烧结等，从而保证在高温或者高温度梯度的情况下温敏元件3与基体1具有牢固的粘附
性，采用离子注入、磁控溅射或高温烧结等先进制造工艺，具有高集成度、高分辨率、高精度等特点，方便安装。
41.基体1外形包括但不限于矩形片、矩形柱或圆形柱。
42.本发明还提供一种使用分层温度和烧蚀量同步测量装置的测量方法，包括如下步骤：
43.s1.温敏元件3距离基体1顶部的距离分别为d1、d2……dn
，基体1的不同高度位置共布置有n个温敏元件3，将温敏元件3、导线2与外部测量电路4连接形成通路；
44.s2.当防热层5和基体1的外表面受到由外到内的高温作用时，防热层5开始烧蚀后退，当烧蚀量达到di时，在外力、高温等因素作用下，第i根导线2断开，形成断路，此时记录断路出现的时间为ti及对应的位置为di，ti时刻的烧蚀量为di，根据ti及di的对应关系，可以获得烧蚀量随时间变化的关系；
45.s3.当温敏元件3为热电偶时，通过外部测量电路4测得连续的电压，根据电压与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，电压与温度的对应关系如下式所示：
46.e＝at2 bt c
47.其中，e为温敏元件3的输出电压；t为温度，单位为℃；a、b、c为常数；
48.当温敏元件3为温敏电阻时，通过所述外部测量电路4测得温敏电阻的阻值，根据温敏电阻的阻值与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，温敏电阻的阻值与温度的对应关系如下式所示：
49.r＝at2 bt c
50.其中，r为温敏电阻的阻值；t为温度，单位为℃；a、b、c为常数。
51.温敏元件3在测量烧蚀量与温度前需进行标定。
52.实施例1
53.本发明提供一种分层温度和烧蚀量同步测量装置，包括基体1，基体1通过粘接的方式安装于防热层5设置的开孔内，基体1的顶部外表面与防热层5的顶部外表面齐平。防热层5采用石英酚醛材料，基体1采用多孔石英陶瓷材料，通过调整石英陶瓷孔隙率和掺杂组分，使基体1具有与防热层5相同或相近热扩散系数和耐烧蚀能力，基体1的不同高度位置布置有温敏元件3，温敏元件3选用铂铑10和铂组成的热电偶，其中正极为铂铑10，负极为铂，采用离子注入和磁控溅射的方法，在基体1表面左侧区域附着铂铑10材质的导线2，在基体1表面右侧附着铂材质的导线2，再通过激光刻蚀方法去除基体1表面不需要的材料，左右区域中间重叠部分形成热电偶，保留n个位置处的热电偶，从而形成n个高精度分布的热电偶。
54.导线2连接有外部测量电路4，铂铑10和铂组成的热电偶以及导线2的表面包覆有与基体1材料一致的石英陶瓷材料，用于进行耐高温绝缘处理。
55.基体1外形为矩形柱。
56.测试分层温度和烧蚀量时，包括如下步骤：
57.s1.铂铑10和铂组成的热电偶距离基体1顶部的距离分别为d1、d2……dn
，基体1的不同高度位置共布置有n个温敏元件3，将铂铑10和铂组成的热电偶、导线2与外部测量电路4连接形成通路；
58.s2.当防热层5和基体1的外表面受到由外到内的高温作用时，防热层5开始烧蚀后退，当烧蚀量达到di时，在外力、高温等因素作用下，第i根导线2断开，形成断路，此时记录
断路出现的时间为ti及对应的位置为di，ti时刻的烧蚀量为di，根据ti及di的对应关系，可以获得烧蚀量随时间变化的关系；
59.s3.通过外部测量电路4测得连续的电压，根据电压与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，电压与温度的对应关系如下式所示：
60.e＝at2 bt c
61.其中，e为铂铑10和铂组成的热电偶的输出电压；t为温度，单位为℃；a＝2
×
10-6
，b＝8.2
×
10-3
，c＝0.2432；由于分层温度t大于0，对方程at2 bt c-e＝0求解，得到的正值即为分层温度。
62.例如：输出电压e为2.88v时，对方程2
×
10-6
t2 8.2
×
10-3
t 0.2432-2.88＝0求解，得到t＝300或t＝-4400，因此分层温度为300℃。
63.输出电压e为10.44v时，对方程2
×
10-6
t2 8.2
×
10-3
t 0.2432-10.44＝0求解，得到t＝1000或t＝-5100，因此分层温度为1000℃。
64.输出电压e为18.48v时，对方程2
×
10-6
t2 8.2
×
10-3
t 0.2432-18.48＝0求解，得到t＝1600或t＝-5700，因此分层温度为1600℃。
65.实施例2
66.具体同实施例1，区别仅在于：
67.基体1外形为圆形柱，基体1通过机械装配的方式安装于防热层5设置的开孔内，基体1的不同高度位置布置有温敏元件3，温敏元件3选用温敏电阻，具体的，采用激光刻蚀方法在基体1开槽，选用pt100材质的温敏电阻，采用高温烧结的方法，在基体1对应的开槽内将温敏电阻及导线烧结粘附到基体1上，保留n个位置处的温敏电阻，从而形成n个高精度分布的温敏电阻。
68.导线2连接有外部测量电路4，温敏电阻以及导线2的表面包覆有与基体1材料一致的石英陶瓷材料，用于进行耐高温绝缘处理。
69.测试分层温度和烧蚀量时，包括如下步骤：
70.s1.温敏电阻距离基体1顶部的距离分别为d1、d2……dn
，基体1的不同高度位置共布置有n个温敏电阻，将温敏电阻、导线2与外部测量电路4连接形成通路；
71.s2.当防热层5和基体1的外表面受到由外到内的高温作用时，防热层5开始烧蚀后退，当烧蚀量达到di时，在外力、高温等因素作用下，第i根导线2断开，形成断路，此时记录断路出现的时间为ti及对应的位置为di，ti时刻的烧蚀量为di，根据ti及di的对应关系，可以获得烧蚀量随时间变化的关系；
72.s3.通过外部测量电路4测得温敏电阻的阻值，根据温敏电阻的阻值与温度的关系，求得对应的温度，此温度即为分层温度，温敏电阻的阻值与温度的对应关系如下式所示：
73.r＝at2 bt c，t≤2000
74.其中，r为pt100材质的温敏电阻的阻值；t为温度，单位为℃；a＝-6
×
10-5
，b＝0.3908，c＝100；对方程at2 bt c-r＝0求解，得到的小于2000的值即为分层温度。
75.例如：温敏电阻的阻值r为138.48ω时，对方程-6
×
10-5
t2 0.3908t 100-138.48＝0求解，得到t＝100或t＝6413.33，因此分层温度为100℃。
76.温敏电阻的阻值r为229.43ω时，对方程2
×
10-6
t2 8.2
×
10-3
t 0.2432-229.43＝0
求解，得到t＝350或t＝6163.33，因此分层温度为350℃。
77.温敏电阻的阻值r为328.67ω时，对方程2
×
10-6
t2 8.2
×
10-3
t 0.2432-328.67＝0求解，得到t＝650或t＝5863.33，因此分层温度为650℃。
78.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
79.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。