結構熱試驗技術是為解決飛行器跨越聲速后出現(xiàn)的熱障問題而發(fā)展起來的一種地面模擬試驗技術，它通過地面模擬試驗的方法，通過在熱試驗中實時獲取高溫環(huán)境下的溫度、熱流、位移、應變、載荷等參數(shù)，研究飛行器結構在熱環(huán)境和力學環(huán)境作用下的承載能力和熱學特性。其中，溫度的測量和控制是結構熱試驗中至關重要的組成部分。在傳統(tǒng)的測試方法中，對表面溫度的測量一般采用接觸式測溫方式——熱電偶測溫，即把溫度傳感器安裝在試驗件表面測溫位置，通過補償線連接到計算機采集系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)采集。熱電偶測溫準確、靈敏度高、壽命長，但也有明顯的局限：使用溫度受限制（常用的K型熱電偶最高使用溫度1200℃，鎢錸熱電偶熱能測到2000℃，且在高溫狀態(tài)下易氧化），另外對于非金屬表面，采用粘貼式傳感器測溫，傳感器存在脫落的風險。同時，如果試驗中的熱電偶過多，也會導致熱場的改變，可能會背離試驗設計的初衷。
近年來，隨著新型飛行器飛行馬赫數(shù)的提高、機動性的增強，飛行器結構所承受的熱、力載荷越來越嚴酷，對地面靜、熱強度試驗提出了更高的要求，相應的，高溫環(huán)境下溫度的測試技術需要有長足的發(fā)展才能滿足飛行器熱強度考核的要求，而傳統(tǒng)的熱電偶接觸式的測溫方法已不能滿足高溫發(fā)展的需要，函需解決此問題。
紅外測溫也叫輻射測溫，它是利用物體熱輻射來快速、有效測量物體表面溫度，是目前應用較為廣泛的非接觸測溫技術，解決了許多常規(guī)測溫方法不能解決的測溫難題。本文將紅外點溫儀應用于熱試驗的測量和控制，解決了傳統(tǒng)接觸式熱電偶溫度測量和控制難題。
1、紅外點溫儀的工作原理
紅外測溫技術的原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀基礎。物體表現(xiàn)熱力學溫度的變化，使物體發(fā)熱功率發(fā)生相應變化，其產(chǎn)生的熱量在發(fā)出紅外輻射的同時，還在周圍形成一定的表面溫度分布場。這種溫度分布場取決于材料的熱物理性，也就是物體內(nèi)部的熱擴散和物體表面溫度與外界溫度的熱交換。
紅外點溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由點溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法計算和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和點溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。
一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。
紅外點溫儀用來測量物體表面溫度，測溫儀的光學元件發(fā)射的、反射的以及透過的能量會聚到探測器上，點溫儀的電子元件將此信息轉換成溫度讀數(shù)并顯示在點溫儀的顯示面板上。紅外點溫儀顯示的溫度常稱為目標的亮度溫度，與物體真實溫度有些差別，因為物體發(fā)射率對輻射測溫有一定的影響，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態(tài)有關的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0到1之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
2、熱結構試驗介紹
熱試驗系統(tǒng)如圖1所示。
