高超聲速風洞M_a中劈尖試件的紅外測溫

張鳳 何康 馮世杰 張佳明 王文瑞 李泉水 路彥珍 劉福海 趙飛 王鳳平

摘要：目前，紅外測溫技術在高溫非穩態下的應用研究還不成熟，而紅外測溫技術的關鍵在于發射率的準確測量。為了測量高超聲速氣流下試件的溫度，同時采用MCS640高溫紅外熱像儀和GH3030高溫合金熱電偶對風洞馬赫數5（M，=5）中的超高強度合金結構鋼D6AC劈尖試件進行溫度測量。首先，通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配法校正試件的發射率，再設置熱像儀的發射率，測得試件駐點的溫度變化曲線和試件在不同時刻的熱圖。實驗測得試件駐點的最高溫度為2019.3℃，對分析材料的燒蝕性能和防熱結構的可靠性提供了參考。實驗證明，該測溫方法可以用來測量高超聲速風洞中試件的溫度。

關鍵詞：紅外測溫;風洞;熱電偶;發射率

中圖分類號：V211.74 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0037-05

收稿日期：2018-02-05;收到修改稿日期：2018-03-16

基金項目：國家重大科學儀器設備開發專項（2011YQ14014506，2011YQ14014507）

作者簡介：張鳳（1992-），女，陜西西安市人，碩士研究生，專業方向為物理學。

0 引言

隨著航天技術的發展，高超聲速飛行器的功能日趨多樣，外形日益復雜[1]，對飛行器熱防護性能的要求也越來越高，如低密度、低燒蝕率、承受更高燃氣溫度等。溫度的測量在國防、科學研究及生產活動中具有十分重要的作用[2]。風洞模擬實驗可用于航天領域高超聲速環境下的氣動熱-力耦合作用對材料服役安全的影響等基礎科學問題的研究。風洞中測溫手段有熱電偶、液晶、相變漆和紅外熱像儀等。熱電偶具有成本低、測量簡單、單點測溫精度高等優點，但不能給出整體的溫度分布。相變漆和液晶技術能夠給出物體表面某一時刻的溫度分布，但數據處理繁雜、受超高溫限制[3]。紅外熱像儀能給出整個溫度場的溫度分布和目標的動態溫度變化過程，且具有速度快，不破壞物體表面等優點。綜上所述，紅外熱像儀是復雜環境下測溫的極佳選擇[4]，對于提高實驗數據質量和實驗效率具有重要作用[5]。

使用紅外測溫時，發射率是決定測溫精度的關鍵因素。目前，很多研究人員開展了發射率測量的工作。孫曉剛等[6]提出一種自動判別發射率和波長數學模型的方法，分析應用此方法時各種測量誤差對真實溫度及發射率的影響。李文軍等[7]提出紅外熱像儀和表面熱電偶組合測發射率的匹配法，利用恒溫源對測試樣品進行加熱，在近環境溫度范圍內分別對3M Scotch Super 88和3M 1721型絕緣膠帶的發射率進行了測量。白敬晨等[8]提出了一種用紅外熱像儀測量物體發射率的方法。關威等[9]用紅外輻射計測量了物體光譜輻射亮度，并對目標光譜發射率進行求解。但目前對發射率的研究側重于中低溫穩定狀態下的測試[10]。因此，測量高溫下試件的發射率對研究試件的高溫性能很有意義。

本實驗同時采用熱電偶和紅外熱像儀對M_a=5的風洞中劈尖試件進行了溫度測量，校正了高溫下試件的發射率，得到了駐點的溫度變化曲線和試件在不同時刻的熱圖。

1 實驗部分

1.1 實驗環境

本實驗是在北京科技大學國家材料服役中心的燃燒加熱風洞中進行的。該風洞由氧氣、空氣、航空煤油供應系統、燃燒系統、噴管、實驗艙系統、引射系統，測控系統和消音系統組成。該實驗艙可實現馬赫數2～6，來流總溫270～2500K，來流成分可調等條件。風洞內徑為200mm，穩定區域直徑120～150mm，產生穩定的超聲速流場的持續時間最長可以達到600～900s的高超聲速氣動熱-力耦合環境。該設備可用于航天領域高超聲速特殊服役環境下的氣動熱-力耦合作用對材料/構件服役安全的影響等基礎科學問題的研究。

實驗艙系統包括實驗艙艙體、模型支架及對接安裝件，其用于固定被考核試件并提供密閉環境建立高空低壓環境。實驗艙采用方形結構，其內空尺寸為1000mm×600mm×660mm。實驗艙兩側開門，在其左右及上表面開有光學石英玻璃窗口。

1.2 測試設備

1.2.1 MCS640高溫紅外熱像儀

實驗使用的是MCS640高溫紅外熱像儀。主要的性能指標有：熱像儀采集幀頻為 60Hz;探測器像素為640×480像素;工作波段為780～1080nm;測溫范圍為800～3000℃;測溫精度為±0.5%。

工作原理：被測物體輻射的紅外能量經光學系統匯聚在探測器的靈敏面上，探測器將照在靈敏面上的輻射能轉換成可以測量的電信號。由圖像采集設備將探測器輸出的電信號進行采集、存取。測溫數據處理軟件對圖像采集設備采集到的圖像進行數據處理，將圖像數據轉換為溫度數據用于分析。

1.2.2 GH3030高溫合金熱電偶

實驗使用的是GH3030高溫合金熱電偶。主要特點是：性能比較穩定，同時操作方便，動態響應好，更能夠遠傳4～20mA電信號，便于自動控制和集中控制。主要的性能指標：測量范圍為0～1800℃;熱響應時間為6s。

工作原理：把兩種不同成份的導體或半導體兩端焊接形成閉合回路。定義直接測溫端為工作端，接線端子端為參比端。當工作端和參比端之間存在溫差時，回路中就會產生溫差電動勢，測量電動勢的大小，就能得到與之對應的溫度。

1.3 被測試件

D6AC是一種制造固體火箭發動機殼體的專用鋼種，應用在戰略導彈發動機殼體及飛機結構件上，也曾用來制造F-111飛機的起落架和機翼軸等。因此，本實驗以D6AC劈尖試件作為研究對象，具有非常重要的科研價值。

1.4 測試原理

本實驗采用紅外輻射測溫和熱電偶接觸測溫相結合的方法，對材戶5的風洞中劈尖試件進行溫度測量。

實驗時，同時采用熱像儀和熱電偶對試件測溫。在對溫度數據處理時，由于熱電偶和熱像儀都與各自的專用計算機相連，系統時間不統一。因此，首先在同一區域對熱電偶和紅外熱像儀測量的溫度進行時間匹配;其次以熱電偶測出的溫度為試件的真實溫度，對靠近熱電偶的位置用紅外熱像儀測溫。一邊調整紅外熱像儀的發射率，直到溫度值與熱電偶測得的溫度一致，此時認為該發射率就為當前溫度下試件的發射率。在此發射率下用紅外熱像儀對駐點進行測溫，就能得到駐點的溫度變化和試件在不同時刻的熱圖，就可以對試件在高溫氣流下的動態研究提供參考。

1.5 測量過程

實驗布局如圖1所示。測量過程如下：

1）把試件裝在支架上，放入實驗艙。

2）將紅外熱像儀在光學平臺上固定好，連接到專用計算機，并相對于試件進行定位，保證測量距離和測量角度符合使用規范，測得探頭到試件的水平距離為980mm，探頭高于樣品330mm。預設紅外熱像儀的發射率為1。

3）將熱電偶固定在試件尾端，與試件緊密貼合，并通過網線連接到專用計算機上。

4）進行點火實驗，在叼片5的條件下對試件進行吹風測試，同時利用熱電偶和紅外熱像儀對試件進行測溫。實驗段環境參數為：平均壓力5.68kPa，空氣流量946.1g/s，煤油流量109.7g/s，氧氣流量523.2g/s，吹風時間約為50s。

5）保存紅外熱像儀和熱電偶采集的溫度數據，以便后續處理分析。

2 實驗結果與分析

2.1 發射率的確定

如圖2所示，a為熱電偶測得的試件溫度變化曲線，b為紅外熱像儀測得的熱電偶的溫度曲線，。為紅外熱像儀測得的靠近熱電偶區域的試件溫度變化曲線。紅外熱像儀測溫時預設發射率ε_λ=1。首先對a、b曲線進行時間匹配，再以熱電偶測得的溫度作為試件c區域的真實溫度，通過在紅外熱像儀的控制軟件中設置發射率，直到c區域溫度與熱電偶所測溫度非常相近，此時的發射率即為該溫度下試件c區域的發射率。

結合實驗測得的溫度數據，由圖2可以看出在17～20s這一時間段，熱電偶測得的試件溫度由1300℃迅速升高到1700℃。此溫度段升高地非常劇烈，可能是由于熱電偶測量端與環境的輻射熱交換所引起的熱輻射誤差和沿熱電偶長度方向由溫度梯度引起的導熱誤差造成的，使得指示溫度偏離實際溫度。

表1是同一時刻下，熱電偶和紅外熱像儀測得的溫度，以及校正后試件在不同溫度下的發射率。通過分析溫度數據，紅外熱像儀與熱電偶測得溫度的差異主要是由試件發射率、紅外熱像儀測溫精度、熱電偶的測溫精度等原因引起的。

從劈尖試件的ε-T關系圖（圖3）中，可以直觀地看出，試件表面溫度在1777～1851℃，發射率為0.048～0.064，波動較小，比較平穩。

2.2 校正發射率后試件的熱圖

圖4分別是風吹15s、23 s、30s、45s時試件的熱圖。從圖中可以直觀看出試件的溫度分布情況。圖中顏色相近的區域，溫度大致相同，說明這些區域受熱流沖刷作用大致相等，受熱比較均勻，溫度比較接近。從熱圖中看出，熱電偶位置和駐點的溫度大致相等，驗證了以熱電偶測得的溫度校正紅外熱像儀測溫的合理性。

2.3 試件駐點的溫度

結合現場錄像，觀察到在風吹的初始階段，燒蝕剝離飛濺物多，造成熱流場的擾動，引起溫度場的變化。待剝離物飛渣明顯減少后，溫度場相對穩定，燒蝕進入平穩狀態。圖5是實驗中的試件。

試件駐點和c區域的材料受熱前后表面狀態、形貌相同，同一溫度下，認為駐點和c區域的發射率相等。在1777～1851℃時，取試件的平均發射率為0.053，設置紅外熱像儀控制軟件的發射率，獲得駐點溫度隨時間變化曲線如圖6所示。可以直觀地看出在12s左右時，紅外熱像儀開始顯示駐點的表面溫度。15s后溫度升高趨勢開始減漫。12～15s之間，駐點受熱流影響較小，溫度波動小;15～20s溫度波動較大，說明受氣流影響較大。在20.2s時，最高溫度達到2019.3℃。此時，可能由于駐點在高溫下被燒蝕掉，也可能是由于試件的結構缺陷造成一部分材料在高速氣流下因燒蝕差異或熱應力破壞而發生剝蝕，具體原因還需進一步研究才能做出判斷，因此，0.5s后溫度急劇降低至1124_4℃，之后測得背景溫度，高速熱流開始燒蝕試件剩余部分。

3 結束語

本實驗采用紅外熱像儀和熱電偶組合的匹配法對試件的發射率進行了校正，對高超聲速風洞材戶5中的試件進行了測溫。分析了試件駐點的溫度變化趨勢和試件表面溫度分布，得出以下結論：

1）采用紅外熱像儀能非常直觀地顯示試件熱效應區域的大小與形狀，及其特征位置的溫度變化過程。

2）通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配方法，校正了紅外熱像儀測得的試件駐點溫度，最終實現了以點溫校正試件的表面溫度，得到了不同時刻的熱圖，證明了這種方法的可行性。

3）進一步工作將研究物體發射率對測溫精度的影響，以提高紅外熱像儀測溫的精確性。

參考文獻

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（編輯：徐柳）