趙儉

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

在國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域，高溫氣流溫度是重要的測(cè)試參數(shù)，主要用來(lái)評(píng)價(jià)武器裝備性能，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控等。高溫氣流溫度的準(zhǔn)確測(cè)量可以為武器裝備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和使用等提供必要的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)武器裝備的技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證和可靠性評(píng)價(jià)起著至關(guān)重要的作用。

高溫測(cè)量是測(cè)試領(lǐng)域公認(rèn)的難題，對(duì)于高溫氣流溫度而言，除了高溫，還綜合了氣流的作用，使得測(cè)量變得更加復(fù)雜，尤其是在國(guó)防武器裝備的試驗(yàn)、使用等過(guò)程中，溫度傳感器或測(cè)溫系統(tǒng)處于諸如高溫、高壓、高速、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動(dòng)等復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，給溫度傳感器或測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性等都帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多種因素綜合作用會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，需要對(duì)高溫氣流溫度傳感器或測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證其測(cè)量的準(zhǔn)確度。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

早在19世紀(jì)初，就有人發(fā)現(xiàn)用溫度計(jì)測(cè)量空氣流的溫度時(shí)，并不總是能得到正確的測(cè)量結(jié)果[1]。1887年的美國(guó)陸軍首席通信官年報(bào)，詳細(xì)討論了在使用防雨棚時(shí)，溫度計(jì)本身的誤差以及空氣溫度的測(cè)量誤差[2]，此后，關(guān)于氣流溫度測(cè)量的研究和試驗(yàn)問(wèn)題被大量的報(bào)道。二戰(zhàn)前的德國(guó)，出于武器裝備的研制需要，對(duì)氣流溫度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。二戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)繼承了德國(guó)的研究成果，并從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，在氣流溫度測(cè)量和校準(zhǔn)方面做了大量的工作，并發(fā)表了許多論文和技術(shù)報(bào)告。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)也在氣流溫度測(cè)量和校準(zhǔn)方面開(kāi)展了全面系統(tǒng)的研究。

美國(guó)通用汽車(chē)公司的R. J. Moffat，建立了用于氣流溫度傳感器校準(zhǔn)的1200 K熱校準(zhǔn)風(fēng)洞，加熱裝置采用燃?xì)廨啓C(jī)燃室，從參考段到試驗(yàn)段采用雙層壁絕熱洞體，在參考段內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙重混流器和一個(gè)壓入篩網(wǎng)的熱衰減器[3]。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)Lewis研究中心的George E. Glawe等人，建立了1420 K熱校準(zhǔn)風(fēng)洞、用于溫度傳感器恢復(fù)特性校準(zhǔn)的常溫校準(zhǔn)風(fēng)洞以及用于溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)的常溫校準(zhǔn)風(fēng)洞，針對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)尺寸的裸露式和單屏蔽式氣流溫度傳感器，在校準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，得到了不同類(lèi)型的氣流溫度傳感器在不同溫度、壓力、馬赫數(shù)條件下的輻射修正系數(shù)、恢復(fù)修正系數(shù)和時(shí)間常數(shù)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出氣流溫度傳感器輻射修正系數(shù)、恢復(fù)修正系數(shù)和時(shí)間常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[4]，為此后氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)、氣流溫度的測(cè)量與校準(zhǔn)等奠定了基礎(chǔ)。英國(guó)羅·羅公司的P. Smout等人，針對(duì)密度對(duì)氣流溫度傳感器性能的影響，在劍橋大學(xué)的變密度風(fēng)洞上，對(duì)氣流溫度傳感器進(jìn)行了改變密度條件下的恢復(fù)特性校準(zhǔn)，并建立了相關(guān)分析模型[5]。

由于水冷式和氣冷式溫度傳感器的測(cè)溫誤差大，所以外殼無(wú)冷卻的干燒式溫度傳感器表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，但干燒式溫度傳感器的材料選擇是個(gè)難題。美歐等國(guó)在干燒熱電偶方面進(jìn)行了深入的研究，選用耐溫更高的熱電偶材料以及外殼(支撐)材料制成溫度傳感器，可以不使用水冷或氣冷，測(cè)溫結(jié)果更準(zhǔn)確。對(duì)于外殼材料，除選擇耐高溫的陶瓷材料、貴金屬材料等，經(jīng)表面改性處理的難熔金屬材料也是個(gè)理想的選擇。難熔金屬使用溫度高，但不抗氧化，如能在其表面進(jìn)行防氧化保護(hù)，解決表面改性處理工藝問(wèn)題，便能將其作為干燒式溫度傳感器的外殼長(zhǎng)期可靠使用。美國(guó)的Etenko A等人采用電鍍沉積法，在難熔基材表面制備出厚度為10 μm至幾個(gè)毫米的柱狀晶銥涂層[6]，工作溫度達(dá)2473 K，正常運(yùn)行17 h沒(méi)有任何被破壞的跡象。研究表明，涂層的純度對(duì)涂層的韌性和高溫強(qiáng)度具有顯著影響[7]。歐洲的Maury等人采用熱壁式CVD在鎢表面制備出多晶的、致密的、沒(méi)有織構(gòu)結(jié)構(gòu)的銥涂層，其厚度1～2 μm；并制備出多層銥，有利于保護(hù)基材高溫抗氧化[8]。

NASA Lewis研究中心的Herbert A.Will提出了一種脈沖式熱電偶，用于測(cè)量高于普通熱電偶熔點(diǎn)的氣流溫度。脈沖式熱電偶是一支氣冷熱電偶，首先通過(guò)試驗(yàn)或理論計(jì)算的方式獲得熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性函數(shù)(一階指數(shù)函數(shù))。將脈沖式熱電偶安裝于被測(cè)溫場(chǎng)中，測(cè)量前，打開(kāi)冷卻氣，使熱電偶指示較低的溫度。測(cè)量開(kāi)始后，關(guān)閉冷卻氣，使熱電偶感受到被測(cè)氣流溫度迅速上升，當(dāng)溫度接近熱電偶的熔點(diǎn)時(shí)，再次打開(kāi)冷卻氣，使熱電偶指示溫度降低。最后，采用一階指數(shù)函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)熱電偶的最終溫度。利用該方法，測(cè)得了2400 K的高溫氣流溫度[9]。法國(guó)的O.Pin等人在高超聲速飛行器研究計(jì)劃PREPHA中，采用與此類(lèi)似的方法，通過(guò)B型熱電偶溫度傳感器瞬態(tài)測(cè)量結(jié)合有限元計(jì)算，測(cè)得了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)氫/氧預(yù)混火焰的溫度，測(cè)量結(jié)果與光學(xué)方法相差約5%[10]。

NASA Glenn研究中心的Gustave Fralick等人研制了基于黑體空腔的高溫氣流溫度傳感器，測(cè)溫上限可達(dá)2670 K。該傳感器用BeO陶瓷制成管狀黑體空腔，頭部設(shè)計(jì)成盲端，用藍(lán)寶石光纖將腔底的紅外能量傳輸至多光譜測(cè)溫儀。傳感器總長(zhǎng)度為280 mm，黑體腔的外徑為8 mm，由于采用了耐高溫材料，傳感器無(wú)需水冷。BeO材料的導(dǎo)熱性能良好，黑體腔底面內(nèi)外溫度基本一致。根據(jù)一維樞軸導(dǎo)熱理論，可以計(jì)算得到氣流溫度[11]。

NASA Glenn研究中心的Peter Struk與凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Russell Valentine等人提出了一種細(xì)纖高溫計(jì)，將直徑為25.4 μm的SiC細(xì)纖置于被測(cè)高溫氣流中，用高分辨力CCD相機(jī)獲取SiC細(xì)纖的熱圖，根據(jù)溫度與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到SiC細(xì)纖沿其軸向的溫度分布。建立關(guān)于SiC細(xì)纖的熱平衡方程，根據(jù)熱平衡方程求解氣流溫度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)溫場(chǎng)干擾小，響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)一維溫場(chǎng)測(cè)量，但在求解熱平衡方程時(shí)不確定因素較多，而且由熱圖解析細(xì)纖表面溫度時(shí)也存在誤差，對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，在1200 K以上時(shí)，細(xì)纖高溫計(jì)與熱電偶之間相差約3.5%[12]。

20世紀(jì)60年代，GE公司的Williamson R C等人發(fā)展了用燃?xì)獬煞謥?lái)間接推算燃?xì)鉁囟鹊姆椒?，英?guó)的Bideau R J等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，目前燃?xì)夥治龇ㄔ诙喾N測(cè)溫場(chǎng)合得到了應(yīng)用。根據(jù)燃?xì)獬煞钟?jì)算燃?xì)鉁囟鹊姆椒ㄓ行?余氣系數(shù)法和焓值守恒法等，焓值守恒法是根據(jù)燃?xì)獬煞趾挽手涤?jì)算燃?xì)鉁囟?。圖1為燃?xì)夥治龊蜔犭娕紲y(cè)溫的結(jié)果對(duì)比，可見(jiàn)，燃?xì)夥治雠c熱電偶測(cè)得的溫度場(chǎng)趨勢(shì)相同，但由于熱電偶在高溫段輻射誤差較大，所以，在測(cè)量截面的中心高溫區(qū)，熱電偶的測(cè)量溫度低于燃?xì)夥治龅臏y(cè)量溫度[13]。用燃?xì)夥治龇ㄩg接測(cè)量高溫燃?xì)鉁囟龋瑴y(cè)溫上限高，是常規(guī)測(cè)量方法的有力補(bǔ)充，但仍有一定的局限性，如測(cè)溫結(jié)果受理論模型的影響大，難以測(cè)量多點(diǎn)溫度，響應(yīng)速度慢等，而且也存在校準(zhǔn)的問(wèn)題。

圖1 燃?xì)夥治雠c熱電偶測(cè)溫結(jié)果對(duì)比

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)1 kHz的動(dòng)態(tài)高溫氣流溫度測(cè)量，NASA Lewis研究中心的D.L.Elmore等人提出了一種基于多偶頻率補(bǔ)償型的溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三種不同絲徑的熱電偶組成溫度傳感器，并配備高速計(jì)算機(jī)用于頻率補(bǔ)償計(jì)算[14]。當(dāng)偶絲直徑不同時(shí)，由于偶絲與氣流的對(duì)流換熱系數(shù)不同，其固有頻率(均視為一階系統(tǒng))也不同，絲徑越小固有頻率越高。熱電偶采用平行對(duì)焊跨流式結(jié)構(gòu)，不同絲徑的偶絲伸出長(zhǎng)度略有不同。分別對(duì)三個(gè)不同絲徑的熱電偶建立熱平衡方程，結(jié)合有限元計(jì)算，經(jīng)傅立葉變換和反變換后，可求解得到真實(shí)的動(dòng)態(tài)高溫氣流溫度。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的Takeshi Hoshino將雙偶補(bǔ)償技術(shù)用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)高溫測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，用雙偶補(bǔ)償技術(shù)測(cè)量的結(jié)果，優(yōu)于此前所使用的最細(xì)的熱電偶[15]。

Buttsworth和Jones研制了一種自加熱雙基溫度傳感器，可以測(cè)量高達(dá)180 kHz的動(dòng)態(tài)高溫氣流溫度。該傳感器包括兩個(gè)用石英制成的半圓柱，在兩個(gè)半圓柱的滯止點(diǎn)分別裝有一支薄膜式的鉑電阻溫度計(jì)，通過(guò)電加熱的方式使兩個(gè)半圓柱表面達(dá)到不同的溫度。忽略粘性耗散效應(yīng)，氣流總溫等于有效溫度，則氣流總溫為半圓柱1的表面溫度和熱流以及半圓柱2的表面溫度和熱流的函數(shù)。半圓柱1和半圓柱2的表面溫度可由其表面的鉑電阻溫度計(jì)測(cè)得，而半圓柱1和半圓柱2的熱流則可根據(jù)半無(wú)限大平板模型求得。溫度傳感器安裝在彈射機(jī)構(gòu)上，測(cè)量時(shí)，將傳感器快速移入被測(cè)環(huán)境中，整個(gè)測(cè)量過(guò)程持續(xù)約100～200 ms，測(cè)量過(guò)程結(jié)束后，再將傳感器快速移出。采集系統(tǒng)將記錄的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算得到待測(cè)氣流總溫[16]。Passaro A等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用石英和堇青石兩種不同材料的半圓柱作基體，并增加了兩支熱電偶，用于熱流計(jì)算。該溫度傳感器在塞斯特的真實(shí)尺寸燃燒室上得到了實(shí)際應(yīng)用，并取得了滿意的結(jié)果[17]。

當(dāng)熱電偶用于發(fā)動(dòng)機(jī)近壁氣流溫度測(cè)量時(shí)，由于導(dǎo)熱誤差大，難以得到滿意的測(cè)量準(zhǔn)確度。針對(duì)該問(wèn)題，日本埼玉工業(yè)大學(xué)的Atsushi Ishihara提出了嵌入式“倒U型”熱電偶[18](如圖2所示)，并對(duì)不同偶絲直徑情況下的最佳熱電極夾角進(jìn)行了研究，如對(duì)于絲徑50 μm的熱電偶，熱電極夾角應(yīng)大于120°，采用該型熱電偶，大大提高了近壁氣流溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。此外，美國(guó)Edwards空軍基地的D.A. Alspach等人也采用嵌入式細(xì)絲熱電偶(絲徑25 μm)測(cè)量了固體推進(jìn)劑的火焰溫度[19]。

圖2 嵌入式“倒U型”熱電偶

對(duì)于連續(xù)工作于高溫大熱流環(huán)境中的燃燒診斷用高溫氣流溫度傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，目前所廣泛采用的方法是對(duì)傳感器殼體進(jìn)行冷卻，而傳統(tǒng)的傳感器制造技術(shù)，限制了冷卻通道的幾何形狀與尺寸，導(dǎo)致冷卻效果下降，同時(shí)也使傳感器本身的尺寸受到限制。美國(guó)阿諾德空軍基地的Gregg R. Beitel等人，將電鑄技術(shù)引入到高溫氣流溫度傳感器的制造中，從而設(shè)計(jì)出形狀復(fù)雜的冷卻通道，提高冷卻效果，并有效節(jié)約了空間。將鎳等金屬材料電沉積到鋁芯體上，成型后再將鋁芯體去除，即可得到空心的傳感器外殼結(jié)構(gòu)[20]。

針對(duì)高溫氣流溫度測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，NASA Lewis研究中心的George E.Glawe提出了一種抽氣式S型音速熱電偶溫度傳感器[21]。該傳感器有一個(gè)屏蔽罩，屏蔽罩內(nèi)設(shè)置一個(gè)音速噴嘴，熱電偶絲接點(diǎn)位于音速噴嘴內(nèi)部，依靠后部抽氣，使得噴嘴內(nèi)的氣流達(dá)到音速。理論上說(shuō)，由于熱電偶絲接點(diǎn)附近的氣流速度高，傳感器的輻射誤差和導(dǎo)熱誤差都非常小，對(duì)傳感器進(jìn)行速度誤差修正后，可達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。但后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，熱電偶絲接點(diǎn)所在的位置，并不能保持理想的穩(wěn)定音速，因此，其輸出的溫度值，也呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。盡管該傳感器穩(wěn)定性差，但仍為后人研制高準(zhǔn)確度的參考標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器提供了可供借鑒的依據(jù)。

NASA Glenn中心的Suleyman A. Gokoglu等人，提出了一種基于細(xì)纖的高溫氣流溫度校準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)利用某些低發(fā)射率的高純度金屬氧化物纖維(纖維直徑在60～400 μm之間)，根據(jù)纖維材料的熔點(diǎn)提供高溫氣流溫度的標(biāo)準(zhǔn)值。校準(zhǔn)時(shí)，用一臺(tái)CCD相機(jī)和一臺(tái)紅外相機(jī)來(lái)觀測(cè)纖維的光學(xué)特性，當(dāng)纖維熔化時(shí)，其光學(xué)特性會(huì)發(fā)生突變，記錄此時(shí)被校準(zhǔn)溫度傳感器的指示溫度，則纖維材料熔點(diǎn)即為同一時(shí)刻的參考標(biāo)準(zhǔn)溫度。采用該方法，可校準(zhǔn)2000 K以上的高溫氣流溫度，校準(zhǔn)不確定度可達(dá)15 K[22]。

近年來(lái)，國(guó)外發(fā)展了多種非接觸式溫度測(cè)量技術(shù)，如相干反斯托克斯拉曼散射光譜技術(shù)(CARS)、瑞利散射測(cè)溫技術(shù)、可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)、聲學(xué)法高溫測(cè)量技術(shù)等。這些非接觸式測(cè)溫技術(shù)，測(cè)溫上限高，不干擾被測(cè)流場(chǎng)和溫場(chǎng)，但測(cè)量結(jié)果均為氣流靜溫，這些技術(shù)要投入工程應(yīng)用，還需要做大量的研究工作。而基于熱電偶的測(cè)溫技術(shù)，在新材料、新工藝、新方法的帶動(dòng)下，仍煥發(fā)出勃勃生機(jī)，在未來(lái)武器裝備研制、生產(chǎn)的高溫氣流溫度測(cè)量中，將發(fā)揮不可替代的作用。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1976年，航空工業(yè)計(jì)量所開(kāi)始籌建動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室(迄今為止我國(guó)唯一的動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室)，此后的二十余年中，動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)建立了系列化的校準(zhǔn)風(fēng)洞群，目前該風(fēng)洞群的氣流溫度覆蓋室溫至1973 K，氣流馬赫數(shù)范圍為0.1～0.95，壓力為常壓[23]。從2000年開(kāi)始，動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)開(kāi)展氣流溫度測(cè)量與校準(zhǔn)方法研究，建立了氣流溫度校準(zhǔn)技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系。

原航空工業(yè)606所及國(guó)內(nèi)一些高校也在氣流溫度測(cè)量技術(shù)方面做了相關(guān)研究。606所的張中亭，介紹了雙屏蔽抽氣式熱電偶的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，并研究了抽氣率對(duì)其恢復(fù)修正系數(shù)的影響規(guī)律。該型熱電偶具有兩層屏蔽罩，通過(guò)抽氣使氣流加速，從而使得輻射誤差和導(dǎo)熱誤差足夠小，而速度誤差則可以通過(guò)風(fēng)洞上的校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行修正，因此雙屏蔽抽氣式熱電偶適合作為高溫氣流溫度傳感器校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。與音速熱電偶相比，雙屏蔽抽氣式熱電偶對(duì)偶絲接點(diǎn)的位置沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)格的要求、更容易加工、準(zhǔn)確度更高，已受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛認(rèn)可[24]。雖然雙屏蔽抽氣式熱電偶被用于高溫氣流溫度的參考標(biāo)準(zhǔn)，但在特定的工況條件下，要想得到理想的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使傳感器真正地達(dá)到高準(zhǔn)確度，并不是一件容易的事。雙屏蔽抽氣式熱電偶的精度，對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)、尺寸以及外部工況條件等因素高度敏感。

航空工業(yè)計(jì)量所的趙時(shí)安等人參照NASA L FPL發(fā)表的技術(shù)報(bào)告NASA TP1099中所提供的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸,分別制作了L型裸露式和L型單屏蔽式兩種典型結(jié)構(gòu)的溫度傳感器,并在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上，對(duì)所制作的兩種溫度傳感器進(jìn)行了輻射修正系數(shù)校準(zhǔn)和不確定度分析，與NASA L FPL的有關(guān)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，二者的輻射修正系數(shù)一致性良好，換算成氣流有效溫度，相差約0.6%～0.8%[25]。

中國(guó)紡織大學(xué)的曹家樅提出了一種四熱電偶法，用于小空間條件下的高溫透明氣流溫度測(cè)量。這種方法采用四種不同絲徑的熱電偶測(cè)量同一位置的氣流溫度，熱電偶的絲徑越小，對(duì)流換熱系數(shù)越大，傳熱誤差越小，針對(duì)四支熱電偶列出一組熱平衡方程并求解，可得到真實(shí)的氣流有效溫度，再進(jìn)行速度誤差修正，即可得到氣流總溫。四熱電偶法是在三熱電偶法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是為了解決三熱電偶法的計(jì)算式對(duì)實(shí)測(cè)溫度過(guò)于敏感的問(wèn)題。結(jié)果表明：四熱電偶法高溫氣流溫度測(cè)量結(jié)果與Hill的零值外推法測(cè)量結(jié)果非常吻合，據(jù)此，對(duì)零值外推法做了擴(kuò)展，使得其適用的偶絲直徑從0.5～1.0 mm擴(kuò)展到0.5～1.5 mm[26]。四熱電偶法為高溫氣流溫度的準(zhǔn)確測(cè)量提供了一種新型的方向，可望作為高溫氣流溫度傳感器校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

西安交通大學(xué)的朱建寧等人提出了一種雙熱偶加熱補(bǔ)償式高溫氣流溫度測(cè)量方法。該方法采用兩支特征尺寸不同的裸露式熱電偶測(cè)量同一位置的溫度，對(duì)熱電偶進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜幔匝a(bǔ)償輻射熱損失。通過(guò)調(diào)節(jié)兩加熱器的功率，使得兩支熱電偶輸出的電勢(shì)差為零。分別列出兩支熱電偶的熱平衡方程，對(duì)方程求解，即可得到真實(shí)的氣流有效溫度，經(jīng)速度誤差修正后，可得到氣流總溫[27]。這種方法與三熱電偶法相比，具有更高的準(zhǔn)確度。

清華大學(xué)的朱德忠與航空工業(yè)計(jì)量所的廖理等人，通過(guò)高溫?zé)嵯駜x測(cè)量碳化硅支桿表面的溫度，同時(shí)以裝在碳化硅支桿中的兩支熱電偶作為溫度分布測(cè)量的基礎(chǔ)，并輔之以相關(guān)傳熱計(jì)算模型，測(cè)量了熱校準(zhǔn)風(fēng)洞的高溫氣流溫度場(chǎng)，為高溫氣流溫度場(chǎng)的測(cè)量提供了一種現(xiàn)實(shí)可行的方法[28]。兵器204所的王宏等人利用紅外熱像儀，采用寬帶紅外輻射測(cè)溫方法，測(cè)量了雙基及改性雙基等金屬含量小的固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)輻射溫度，并在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞的高溫氣流環(huán)境中對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定[29]。

中北大學(xué)的王楠楠、李仰軍等人研制了以藍(lán)寶石光纖為敏感元件的氣流總溫傳感器，對(duì)傳感器屏蔽罩內(nèi)部的溫場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與誤差分析[30]。中北大學(xué)的郝曉劍等人提出了一種利用藍(lán)寶石光纖黑體腔溫度傳感器外推測(cè)量高溫的新方法，建立了測(cè)量瞬態(tài)高溫的黑體腔外推模型，利用分離變量法對(duì)其求解，拓展了藍(lán)寶石光纖傳感器的測(cè)溫上限[31]。海軍某部的高政民等人，采用基于藍(lán)寶石黑體腔光纖傳感器的瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了導(dǎo)彈實(shí)彈發(fā)射時(shí)2013 K的燃?xì)饬鳒囟?，為?dǎo)彈研制過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析提供了可靠依據(jù)[32]?；谒{(lán)寶石光纖的總溫傳感器具有響應(yīng)快，抗電磁干擾，高溫穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于某些特殊場(chǎng)合的溫度測(cè)量，但藍(lán)寶石光纖相對(duì)較脆，在制作與使用過(guò)程中容易發(fā)生斷裂，而且由于藍(lán)寶石光纖不易彎折，難以制成多點(diǎn)式溫度傳感器。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的伍軍等人采用單銥銠熱電偶作敏感元件，設(shè)計(jì)成單屏蔽式溫度傳感器，測(cè)量了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室的2500 K氣流溫度，但熱電偶絲在使用一段時(shí)間后會(huì)熔斷[33]。航空工業(yè)304所采用表面改性的鎢錸熱電偶作敏感元件，設(shè)計(jì)成半屏蔽式溫度傳感器，測(cè)量了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口的2600 K氣流溫度，每支傳感器裝有三支熱電偶，其中一支用于測(cè)量氣流溫度，另外兩支分別用于測(cè)量屏蔽罩后壁和側(cè)壁的表面溫度，以進(jìn)行輻射誤差修正，修正后的氣流總溫與理論計(jì)算結(jié)果非常接近。

針對(duì)原有單銥銠熱電偶負(fù)極脆斷的問(wèn)題，航空工業(yè)計(jì)量所發(fā)明了負(fù)極合金化的增韌型雙銥銠熱電偶，并成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的2300 K氣流溫度測(cè)量。另外，航空工業(yè)計(jì)量所通過(guò)精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合新型耐高溫材料，研制了多種高精度、高可靠性的實(shí)用型高溫氣流溫度傳感器，常壓條件下的校準(zhǔn)結(jié)果表明，溫度傳感器的測(cè)量誤差均不超過(guò)2%，而高壓使用時(shí)測(cè)量誤差最大不超過(guò)1%。

國(guó)內(nèi)的高溫氣流溫度測(cè)量技術(shù)，經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，已逐漸形成體系，基于新原理的高溫氣流溫度測(cè)量技術(shù)，也在各領(lǐng)域不同程度的展開(kāi)，而推行傳統(tǒng)測(cè)量方法的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)致力于先進(jìn)測(cè)量方法的研究，將是我國(guó)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)高溫氣流溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

高溫氣流溫度測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)，多年來(lái)不斷發(fā)展進(jìn)步。世界各國(guó)的科技工作者，在測(cè)溫材料與工藝研究、傳感器建模與仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳感器性能校準(zhǔn)試驗(yàn)研究以及新原理測(cè)溫方法探索等方面都做了大量的工作，使得高溫氣流溫度測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在高溫氣流溫度測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)方面所做工作有如下特點(diǎn)：①用于裝備研制生產(chǎn)試驗(yàn)或使用的高溫氣流溫度傳感器結(jié)構(gòu)類(lèi)型相對(duì)較少，便于對(duì)每一種溫度傳感器的性能做系統(tǒng)深入的研究；②相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)高溫氣流溫度傳感器性能的影響規(guī)律展開(kāi)大量的研究，形成了完備的數(shù)據(jù)庫(kù)以及完善的數(shù)學(xué)模型；③針對(duì)一些特殊場(chǎng)合高溫氣流溫度測(cè)量與校準(zhǔn)的需要，利用新材料、新工藝等，發(fā)展了多種新型測(cè)量與校準(zhǔn)方法；④對(duì)基于光學(xué)、聲學(xué)等新原理的測(cè)溫方法，進(jìn)行廣泛深入的研究，為未來(lái)更高的測(cè)溫需求提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

對(duì)比國(guó)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)我國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀，今后應(yīng)在以下幾方面持續(xù)投入技術(shù)關(guān)注：①基于復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的測(cè)溫模型建立；②高測(cè)溫上限、高精度、高可靠性的高溫氣流溫度測(cè)量；③高溫氣流溫度傳感器與測(cè)溫系統(tǒng)極限條件下的校準(zhǔn)；④高溫氣流溫度測(cè)量規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；⑤基于光學(xué)、聲學(xué)等新原理的高溫氣流溫度測(cè)量技術(shù)研究。