王曉暉 王智勇 宮文然 王則力 王成亮 武小峰

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

以俄羅斯“先鋒”、“匕首”、“鋯石”為代表的高速飛行器具有快速響應(yīng)進(jìn)出空間、全球快速到達(dá)、高速機(jī)動(dòng)突防等卓越的能力，是推進(jìn)空天領(lǐng)域融合、牽引空天技術(shù)革新、顛覆空天攻防體系的先進(jìn)飛行器方案[1,2]。高速飛行器與傳統(tǒng)飛行器相比，最突出的問題是氣動(dòng)加熱問題，其邊界層內(nèi)的氣體溫度通常達(dá)到2000℃以上。由于高速飛行器對結(jié)構(gòu)效率的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)形式由傳統(tǒng)飛行器冷結(jié)構(gòu)+表面防隔熱的形式逐漸向防熱承載一體化熱結(jié)構(gòu)方向發(fā)展[3]。陶瓷基/碳基復(fù)合材料具有熔點(diǎn)高、比強(qiáng)度高、比模量高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹小、高溫性能好等一系列優(yōu)異性能，成為應(yīng)用于極端環(huán)境下高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料，目前，常用的有C/C、C/SiC 復(fù)合材料。

為保證高速飛行器的安全和正常工作，需要在地面試驗(yàn)中模擬飛行力熱載荷環(huán)境，對飛行器熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的試驗(yàn)考核。目前，針對高速飛行器熱結(jié)構(gòu)力熱性能的試驗(yàn)考核方法主要有風(fēng)洞與輻射熱試驗(yàn)兩類。其中，風(fēng)洞是利用電弧、燃?xì)饬鞯仍O(shè)備，產(chǎn)生高焓高速氣流，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對流換熱，用以研究材料和結(jié)構(gòu)的防隔熱、燒蝕、抗沖刷，以及熱匹配等性能；輻射熱試驗(yàn)是采用石英燈、石墨等加熱元件，通過高溫輻射的方式對試驗(yàn)件進(jìn)行加熱，輔助以靜力、振動(dòng)、噪聲等力載荷加載設(shè)備，考核結(jié)構(gòu)的傳熱性能及高溫強(qiáng)度、剛度等承載性能。在地面試驗(yàn)過程中，準(zhǔn)確獲取力熱載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)（例如溫度、熱流、變形等）是考核和評價(jià)飛行器熱結(jié)構(gòu)性能的依據(jù)和條件[4]。

隨著飛行器設(shè)計(jì)和傳感技術(shù)的發(fā)展，飛行器熱結(jié)構(gòu)力熱參數(shù)的測試技術(shù)也不斷向前推進(jìn)。早期傳統(tǒng)的電測技術(shù)如熱電偶、應(yīng)變計(jì)、壓電傳感器等，在傳統(tǒng)飛行器的研制中發(fā)揮了重要作用；隨著高速飛行器的發(fā)展，對極端惡劣環(huán)境下的參數(shù)測試需求更為迫切，傳統(tǒng)技術(shù)需要適應(yīng)性地進(jìn)行提升和優(yōu)化。受溫度適用極限的制約，新興的傳感與測試技術(shù)如光纖傳感、薄膜技術(shù)、非接觸光學(xué)等方向，因?qū)Ω邷丨h(huán)境具有較強(qiáng)適用性而得到了比較大的發(fā)展，在多個(gè)參數(shù)上形成了相關(guān)的測試方法，有些也發(fā)展出了多參數(shù)耦合測試技術(shù)，解決了高速飛行器研制中遇到的部分問題。盡管如此，測試技術(shù)仍需要有更大的突破，才能滿足未來馬赫數(shù)更高、飛行時(shí)間更長的高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的測試需求。

本文針對高速飛行器熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中一些傳統(tǒng)和先進(jìn)的力熱參數(shù)測試技術(shù)原理及其應(yīng)用情況進(jìn)行整理和總結(jié)，以期為相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考，推動(dòng)高速飛行器力熱參數(shù)測試技術(shù)領(lǐng)域向著更高水平方向發(fā)展。

1 溫度測試技術(shù)

作為熱學(xué)的基礎(chǔ)參數(shù)，溫度參數(shù)主要用于獲取結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)以評估防隔熱效果。針對高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的地面試驗(yàn)，壁面溫度的測試需求最為廣泛，通常來講熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壁面測溫需要滿足以下要求：1）通用性好，適應(yīng)多種試驗(yàn)對象和測試要求；2）測溫范圍寬，覆蓋常溫至高溫的全過程；3）測溫響應(yīng)快，降低瞬態(tài)熱測試的動(dòng)態(tài)測試誤差；4）可靠性高，提升一次性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取率；5）測試環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適應(yīng)高溫、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)噪聲、電磁干擾等復(fù)雜惡劣環(huán)境。基于以上需求，目前常用的壁面溫度測試技術(shù)可以分為接觸式和非接觸式測試技術(shù)兩類[5]。

1.1 接觸式結(jié)構(gòu)壁面溫度測試技術(shù)

熱電偶是最常規(guī)的結(jié)構(gòu)壁面溫度測試技術(shù)。熱電偶測試的基本原理是熱電效應(yīng)，即兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的一個(gè)閉合回路中，兩接點(diǎn)位置處的溫度不同（高溫為熱端，低溫為冷端），回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)溫度相關(guān)。表1 列出了幾種常見的熱電偶類型和測溫范圍等信息，通過選用不同的熱電偶類型，測量回路中的電動(dòng)勢，即可獲得溫度結(jié)果。在具體高溫?zé)嵩囼?yàn)應(yīng)用中，需要根據(jù)測溫范圍、使用環(huán)境、測溫對象等因素，綜合選取熱電偶類型及其具體結(jié)構(gòu)形式。在1200℃以下的測溫范圍內(nèi)，K 型熱電偶由于線性度和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，較為常用；而對于1800℃以上的溫度測試，一般選用鎢錸熱電偶。

表1 常用熱電偶類型[6]Table 1 Common type of thermocouples

對于金屬材料，通常采用平行分離焊接的方式來安裝熱電偶（圖1），這種形式將局部金屬結(jié)構(gòu)作為了熱電偶回路的一部分，相比于工業(yè)上常用的V 形焊接形式，可以降低熱阻效應(yīng)造成的動(dòng)態(tài)測試誤差。對于非金屬材料或難于焊接的金屬材料，可以采用粘接劑粘貼熱電偶的方式進(jìn)行溫度測試。粘貼熱電偶應(yīng)注意粘接劑的使用溫度，并在保證粘接質(zhì)量的情況下盡量減薄粘接劑厚度，降低熱阻效應(yīng)的影響。盡管如此，由于復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)本體材料熱解、粘接層傳熱差異等因素影響，粘接層在瞬態(tài)變溫時(shí)容易因熱膨脹差異導(dǎo)致脫落，使得測試的可靠性不高。隨著高速飛行器的發(fā)展，復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)使用溫度超過了多數(shù)安裝方式的測溫極限，同時(shí)為了降低粘貼熱電偶工藝的復(fù)雜性，提升安裝效率和測試可靠性，逐漸發(fā)展出熱噴涂熱電偶安裝技術(shù)，具體可采用等離子噴涂和火焰噴涂等工藝。圖2 為鋼板表面三種熱電偶安裝方式及相應(yīng)測試結(jié)果的對比，可以看出三種安裝方式測溫結(jié)果基本一致。

圖1 熱電偶焊接形式（左：平行分離焊接；右：V 形焊接）Fig.1 Thermocouple welding form (left: parallel separation welding;right: V-shaped welding)

1.2 非接觸式結(jié)構(gòu)壁面溫度測試技術(shù)

在非接觸測溫方面，紅外輻射測溫由于具有測溫范圍廣、響應(yīng)時(shí)間快、不破壞試驗(yàn)件表面溫度場等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。紅外輻射測溫的原理是通過測量物體表面發(fā)出的紅外輻射亮度信息，根據(jù)輻射亮度與溫度之間的固有關(guān)系獲得物體的溫度信息。按照測量光譜波長的數(shù)量，紅外輻射測溫可以大致分為單光譜測溫、比色（雙光譜）測溫，以及多光譜測溫三種形式。

單光譜測溫技術(shù)是通過單個(gè)光譜（波段或波長）的熱輻射強(qiáng)度，結(jié)合物體的光譜發(fā)射率信息，獲得目標(biāo)溫度。單光譜測溫是商用輻射測溫儀、標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)所采用的通用測溫技術(shù)，在結(jié)構(gòu)輻射熱試驗(yàn)及風(fēng)洞熱試驗(yàn)中有廣泛應(yīng)用。單光譜測溫的準(zhǔn)確性主要取決于熱結(jié)構(gòu)材料的發(fā)射率，通常商用單光譜輻射測溫儀只能在試驗(yàn)前輸入一個(gè)發(fā)射率數(shù)值，這就決定了其適合于發(fā)射率變化不大的熱結(jié)構(gòu)表面溫度測試[7]。

比色測溫是通過測量兩個(gè)不同波長的輻射亮度之比來確定被測目標(biāo)溫度。相比于單光譜測溫法，比色測溫對于結(jié)構(gòu)表面發(fā)射率變化或未知，或者測量光路中存在灰塵、部分遮擋等測量環(huán)境，具有很好的目標(biāo)適應(yīng)性與環(huán)境適應(yīng)性。盡管如此，商用比色測溫儀大多假設(shè)兩個(gè)測量光譜的發(fā)射率相同，對于發(fā)射率隨波長變化劇烈的材料不適用。另外，比色測溫采用信號比值的處理方式，其測量靈敏度要小于單光譜測溫。

多光譜輻射測溫是通過測量物體在多個(gè)波長下的光譜輻射亮度信息，形成多光譜輻射測量方程，結(jié)合光譜發(fā)射率模型，實(shí)現(xiàn)物體溫度的測量。從技術(shù)原理上看，單光譜測溫與比色測溫可以認(rèn)為是多光譜測溫的簡化形式。多光譜輻射測溫具有很好的測溫精度，適用于物體發(fā)射率未知或者變化情形，通過多個(gè)波長的優(yōu)化選擇，還可以避開輻射干擾譜線的影響，并且可以顯著拓寬輻射溫度的測量范圍[8]。

在高速飛行器熱結(jié)構(gòu)高溫試驗(yàn)中，紅外輻射測溫的精度還會(huì)受到環(huán)境背景輻射的影響。特別是對于使用石英燈、石墨加熱的輻射熱試驗(yàn)，加熱元件的溫度遠(yuǎn)高于試驗(yàn)件溫度，其輻射能量經(jīng)試驗(yàn)件表面反射后隨自身熱輻射一同被探測器所接收，進(jìn)而對測溫精度造成影響。圖3 為石墨加熱試驗(yàn)仿真中紅外輻射測溫（單光譜）與真實(shí)溫度的對比，可以看出紅外測試結(jié)果顯著高于結(jié)構(gòu)真實(shí)溫度，反映出輻射背景的影響。針對這一問題，可以通過試驗(yàn)前進(jìn)行環(huán)境背景輻射測定，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，正式試驗(yàn)中對背景輻射進(jìn)行剔除的方式，來降低或修正環(huán)境背景輻射的影響[9]。

圖3 環(huán)境背景輻射對紅外測溫的影響Fig.3 Effect of environmental background radiation on infrared temperature measurement

2 瞬態(tài)熱流密度測試技術(shù)

熱流密度（通常簡稱熱流）是高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本輸入?yún)?shù)之一，也是地面試驗(yàn)考核中重要的控制變量。熱流密度的測試原理主要可以分為溫差測試法和溫升測試法兩種。從熱流密度測試的時(shí)間響應(yīng)上，可以分為瞬態(tài)熱流測試和穩(wěn)態(tài)熱流測試。對于高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)熱流密度測試，可以采用的傳感器類型主要有戈登式、熱容式（柱塞式），以及熱阻式（薄膜）等（如圖4 所示）。

圖4 不同形式的熱流密度傳感器Fig.4 Different types of heat flux sensor

戈登式熱流密度傳感器的基本原理是將熱敏感元件（康銅圓片）安裝在熱沉體（一般為銅）上，構(gòu)成一對熱電偶，通過測量敏感圓片在熱場中產(chǎn)生的徑向溫差來表征熱流密度大小。戈登式熱流密度傳感器具有量程可定制、線性度好，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在高速飛行器飛行測試、發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境測試，以及結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。未來戈登式傳感器需要繼續(xù)向提高測試環(huán)境適應(yīng)性和測試精度方向發(fā)展。

熱容式熱流密度傳感器通過測量敏感體升溫速率來計(jì)算熱流密度為基本原理，要求敏感體四周絕熱，形成近似一維導(dǎo)熱的邊界條件。由于隨著敏感體溫度的升高，不可避免與四周邊界形成熱交換，因此這一類型傳感器多用于短時(shí)間熱流測量。特別地，在飛行試驗(yàn)中為了測得氣動(dòng)熱流，基于熱容式熱流密度測試原理，也發(fā)展了內(nèi)置式分層溫度傳感器的熱流密度辨識技術(shù)，根據(jù)測量的防熱層內(nèi)部溫度歷程，逆向計(jì)算出飛行器表面的凈吸收熱流[10]。

熱阻式熱流密度傳感器一般利用熱阻層產(chǎn)生的溫差來確定熱流密度的大小，其中熱阻層厚度直接影響傳感器的時(shí)間常數(shù)。隨著高速飛行器的發(fā)展，對熱流密度測試的時(shí)間常數(shù)要求越來越高。薄膜式熱流密度傳感器因其對流場擾動(dòng)小、時(shí)間常數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，在氣動(dòng)熱測試、發(fā)動(dòng)機(jī)測試中有廣泛的應(yīng)用。目前，常見的薄膜式熱流密度傳感器包括熱電堆式、惠斯登電橋式，以及原子層熱電堆式等。未來此類傳感器主要還需向更高的耐受溫度、穩(wěn)定的加工制備工藝方向發(fā)展。

3 位移/速度/加速度測試技術(shù)

位移、速度、加速度作為描述物體變形和運(yùn)動(dòng)的基本表征量，是反映結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù)。通過測量飛行器結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度參數(shù)，可以了解其在各種載荷作用下的受力情況，為飛行器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等性能設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。除按照測試參數(shù)分類外，各種測試技術(shù)還可以分為接觸式和非接觸式兩類。

3.1 接觸式測試技術(shù)

接觸式位移測試方法通常基于電感、電阻、電容、磁敏等原理，通過將固定的傳感器與被測結(jié)構(gòu)相接觸，結(jié)構(gòu)發(fā)生位移時(shí)引起位移傳感器內(nèi)部電流、電壓、電阻等參數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)相對自身初始位置的位移測量。

在高速飛行器的熱結(jié)構(gòu)高溫試驗(yàn)測試中，上述測試方法的核心敏感單元通常都難以適應(yīng)高溫環(huán)境，因此需要一種耐高溫且線膨脹系數(shù)小的材料作為位移傳感器的延長部分作用在被測試驗(yàn)件表面，這樣可以避免位移傳感器暴露在高溫環(huán)境中，確保傳感器能夠正常使用。石英玻璃具有耐高溫性能優(yōu)異（最高使用溫度可達(dá)1200℃），耐磨損、抗熱沖擊性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)?。s為5.5×10-7/℃）等優(yōu)點(diǎn)，是接觸式位移傳感器的首選延長端材料。圖5 為某高溫輻射熱試驗(yàn)中采用500mm 的石英玻璃桿作為線性差動(dòng)變壓式位移傳感器的高溫延長端，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)表面位移的測試。盡管如此，在位移測試數(shù)據(jù)的分析時(shí)，需要充分考慮延長桿自身膨脹引起的測試誤差。

圖5 接觸式位移傳感器應(yīng)用示例Fig.5 Application example of contact displacement sensor

接觸式加速度測試方法一般采用壓電加速度傳感器，利用壓電效應(yīng)，將壓電材料受到的力轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)行加速度測試。根據(jù)工作原理不同，壓電加速度傳感器主要有壓縮型和剪切型兩種。與壓縮型結(jié)構(gòu)相比，剪切型結(jié)構(gòu)通常具有更高的靈敏度、更小的尺寸、更大的帶寬和更低的橫向輸出，同時(shí)由于傳感器底座不直接與壓電元件接觸，具有更低的瞬變溫度靈敏度，適用于精密的加速度測量場合。

對于高速飛行器熱結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的加速度測試，還需選用適用溫度范圍的高溫壓電傳感器。目前，國際上高溫壓電加速度傳感器主要包括260℃、482℃、649℃和760℃等不同溫度系列產(chǎn)品。在高溫應(yīng)用過程中，傳感器一般采用螺接安裝方式，安裝在試驗(yàn)件或振動(dòng)工裝上，安裝表面應(yīng)光滑平坦，否則會(huì)明顯降低傳感器的上限工作頻率。

3.2 非接觸式測試技術(shù)

非接式位移測試技術(shù)通常包括基于超聲波、激光，以及圖像等多種方法，其中在高速飛行器熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中應(yīng)用較多的是激光三角位移測試技術(shù)[11]。其基本原理是激光發(fā)射點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)、接收點(diǎn)三者形成的一個(gè)三角光路，通過已知激光發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的角度和位置幾何關(guān)系，計(jì)算得出被測結(jié)構(gòu)表面位移信息。激光三角位移傳感器可分為直入射式和斜入射式2 種類型，當(dāng)被測結(jié)構(gòu)表面較為平坦光滑時(shí)，一般選擇斜入射式；對于被測結(jié)構(gòu)表面粗糙漫反射現(xiàn)象較為明顯時(shí)一般選用直入射式激光三角位移傳感器。

激光三角位移傳感器具有高響應(yīng)、高分辨率、受電磁場環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，但它在高溫?zé)嵩囼?yàn)應(yīng)用過程中，也會(huì)受到諸如結(jié)構(gòu)的發(fā)射率、環(huán)境背景光的干擾，以及測試空間等因素的影響。首先，高速飛行器熱結(jié)構(gòu)材料通常表面吸收率較高，激光光束可能大部分被物體表面吸收，光電探測器接收不到足夠的散射光斑強(qiáng)度，從而產(chǎn)生較大的測量誤差；其次，在輻射加熱試驗(yàn)中，石英燈、石墨等輻射加熱元件的輻射能量可能會(huì)對測試光譜造成影響，進(jìn)而影響測試精度；最后，由于激光三角位移需要構(gòu)造三角光路，所需的測試空間要求較大，對于輻射熱試驗(yàn)往往無法滿足空間要求。而基于頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）原理的激光同軸位移傳感器能夠克服激光三角位移傳感器的部分缺點(diǎn)，目前已初步應(yīng)用在熱結(jié)構(gòu)的高溫環(huán)境試驗(yàn)中，具有良好的應(yīng)用前景。

針對非接觸式速度/加速度測試，最常用的方法是激光多普勒測試技術(shù)，其基本原理是：相干的激光束照射運(yùn)動(dòng)物體表面，由于光波多普勒效應(yīng)，被物體表面反射或散射回來的光發(fā)生了頻移；當(dāng)光的波長一定時(shí)，這種頻移唯一地取決于物體的運(yùn)動(dòng)速度。相比于接觸式測量方法，激光多普勒測試技術(shù)具有附加質(zhì)量小、測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，在高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的高溫?zé)嵴駝?dòng)和熱噪聲試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在具體測試應(yīng)用過程中，需要為激光光路預(yù)留窗口，同時(shí)為了提升熱結(jié)構(gòu)表面對測試激光的反射能力，一般還會(huì)在熱結(jié)構(gòu)表面制備，如圖6 所示的耐高溫反光涂層（例如石英微珠等）。圖7 為在高溫環(huán)境中測試熱結(jié)構(gòu)材料本身和反光涂層處的信號對比結(jié)果，可以看出熱結(jié)構(gòu)本體對激光反射效果很差，時(shí)域信號中大量級的跳變信號較多，而增加反光涂層后信號質(zhì)量明顯提升，不會(huì)對實(shí)際速度/加速度測量產(chǎn)生影響，說明反光涂層明顯改善了激光反射效果，有效提高了測量信號信噪比。

圖6 玻璃微珠涂層及其微觀形態(tài)Fig.6 Glass microbead coating and its microstructure

圖7 有無反光涂層的高溫試驗(yàn)激光測量信號（左：無，右：有）Fig.7 Measurement signal of laser with and without reflective coating in high temperature testing

4 高溫應(yīng)變測試技術(shù)

由于結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力通常無法直接測量，因此應(yīng)變測試是結(jié)構(gòu)受力分析和強(qiáng)度評估的基本手段。在高溫環(huán)境下，試驗(yàn)件或傳感器的熱膨脹等溫度效應(yīng)給高溫應(yīng)變測試造成了極大困難。

從載荷條件和信號類型角度，高溫應(yīng)變可分為高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變和高溫靜態(tài)應(yīng)變。其中高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變以熱振、熱噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)試車等環(huán)境下的動(dòng)應(yīng)力測量需求為主，高溫靜態(tài)應(yīng)變以熱強(qiáng)度、熱匹配、熱疲勞等試驗(yàn)中的熱應(yīng)力測量為主。高溫動(dòng)應(yīng)變測量只需解決高溫下應(yīng)力傳遞的問題，在信號測量過程中不需要低頻分量，可以通過高通或零位處理的方式規(guī)避測試過程中因熱環(huán)境引起的溫度效應(yīng)問題。但是針對高速飛行器常用的復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)而言，高溫靜態(tài)應(yīng)變的測試需求更為迫切。

隨著飛行器的發(fā)展，高溫應(yīng)變測試技術(shù)也逐漸從電阻應(yīng)變向高溫光纖傳感、非接觸光學(xué)測試方向發(fā)展。

4.1 高溫電阻應(yīng)變測試

電阻式應(yīng)變計(jì)原理是根據(jù)金屬導(dǎo)體在外力作用下，幾何形狀的改變會(huì)引起電阻值發(fā)生相應(yīng)改變，即金屬導(dǎo)體的應(yīng)變電阻效應(yīng)。將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在結(jié)構(gòu)表面，通過測量金屬導(dǎo)線電阻變化，即可計(jì)算結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變。

高溫電阻應(yīng)變計(jì)的種類很多，按照敏感柵材料的形式，可分為絲式高溫應(yīng)變片、箔式高溫應(yīng)變片、薄膜式高溫應(yīng)變片及厚膜式高溫應(yīng)變片；按照安裝方式可分為焊接式、粘貼式及陶瓷噴涂式等。

采用高溫電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測試時(shí)，測得的數(shù)據(jù)包含結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變，以及由于溫度效應(yīng)導(dǎo)致的視應(yīng)變。當(dāng)選用的應(yīng)變計(jì)的熱膨脹系數(shù)與結(jié)構(gòu)相差較大時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致視應(yīng)變的數(shù)值比真實(shí)應(yīng)變大得多的情況。因此在測試過程中在選擇適用的應(yīng)變計(jì)的同時(shí)，必須采取相應(yīng)方法對溫度效應(yīng)進(jìn)行修正。目前，常用的修正方法有補(bǔ)償片法、熱輸出曲線測定法、溫度自補(bǔ)償計(jì)法等[12,13]。

補(bǔ)償片法將工作應(yīng)變計(jì)和補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)置于相同的溫度環(huán)境，并接入電橋的相鄰橋臂，以達(dá)到熱輸出相互抵消的目的。由于熱輸出信號在被儀器記錄前已經(jīng)被消除，因此，補(bǔ)償片法實(shí)際上是對熱輸出的一種預(yù)先處理。該方法適用于靜態(tài)高溫環(huán)境或溫度變化較慢的環(huán)境，而在快速溫度變化環(huán)境中，如果不能保證工作應(yīng)變計(jì)和補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)溫度變化一致，將會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差。

相對于補(bǔ)償片法的預(yù)先處理，曲線修正法是一種在事后對數(shù)據(jù)進(jìn)行熱輸出修正的方法。其核心思想是：在應(yīng)變計(jì)工作處溫度變化已知的情況下，可以通過重復(fù)該溫度過程，測量應(yīng)變計(jì)在自由狀態(tài)下的應(yīng)變-溫度、靈敏系數(shù)-溫度曲線，用該兩條曲線對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可得到構(gòu)件的真實(shí)應(yīng)變值。在曲線修正法應(yīng)用過程中，工作應(yīng)變計(jì)所處的溫度必須準(zhǔn)確測量得到。在當(dāng)前的熱結(jié)構(gòu)高溫試驗(yàn)中，普遍采用曲線修正法對高溫應(yīng)變測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

溫度自補(bǔ)償計(jì)法采用了帶溫度自補(bǔ)償功能的應(yīng)變計(jì)。此類應(yīng)變計(jì)是根據(jù)康銅或者鎳鉻合金的電阻溫度系數(shù)可以通過一定的方法進(jìn)行調(diào)整的特性制成的。通過改變應(yīng)變計(jì)敏感柵的電阻溫度系數(shù)，可以使得該應(yīng)變計(jì)對特定熱脹系數(shù)材料的熱輸出近似為零。該類應(yīng)變計(jì)只能對特定熱膨脹系數(shù)的材料進(jìn)行補(bǔ)償，因此，應(yīng)變計(jì)與試件材料必須嚴(yán)格匹配。

4.2 高溫光纖應(yīng)變測試

針對高速飛行器常采用的陶瓷基復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計(jì)與基體材料的熱膨脹系數(shù)差異通常較大，導(dǎo)致溫度效應(yīng)明顯，真實(shí)應(yīng)變的獲取較為困難，再加上高溫電阻應(yīng)變計(jì)適用溫度范圍有限，不同傳感器之間存在一定的分散度等問題，使得傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計(jì)在工程中還需解決諸多難題。這種情況下，基于光纖傳感的高溫應(yīng)變測試技術(shù)由于具有重復(fù)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試另一條途徑。有研究表明，石英光纖應(yīng)變傳感器可以應(yīng)用在1000℃以內(nèi)的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試，藍(lán)寶石光纖應(yīng)變傳感器原理上能夠應(yīng)用于1000℃～1600℃的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試[14,15]。

光纖傳感技術(shù)基于光纖全反射導(dǎo)光原理，把光作為敏感信息的載體，光纖為媒介，根據(jù)光的干涉、衍射、反射和折射的傳輸特性，利用溫度、應(yīng)變等被測物理量的變化引起光傳輸?shù)膹?qiáng)度、頻率、相位和偏振態(tài)等光波量的變化原理，感知環(huán)境物理量變化信息的一種技術(shù)和方法。按照傳感原理，可以分為光纖布拉格光柵傳感器、光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯?。在高溫?yīng)變測試當(dāng)中，常采用光纖琺珀傳感器測試結(jié)構(gòu)應(yīng)變，光纖布拉格光柵傳感器測試應(yīng)變測量位置的結(jié)構(gòu)溫度，通過復(fù)合測試方式從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變參數(shù)的測量。

光纖琺珀/光柵復(fù)合高溫應(yīng)變傳感技術(shù)根據(jù)復(fù)合方式，可分為光纖琺珀/光柵結(jié)構(gòu)復(fù)合以及光路復(fù)合兩種形式。光纖琺珀/光柵結(jié)構(gòu)復(fù)合傳感系統(tǒng)如圖8 所示，光纖琺珀干涉儀微結(jié)構(gòu)和光纖布拉格微結(jié)構(gòu)通過微加工的方式復(fù)合在同一個(gè)傳感結(jié)構(gòu)上，整體傳感器采用“兩點(diǎn)”形式安裝。光纖解調(diào)器端口發(fā)出的寬帶光進(jìn)入傳感器端，在光纖琺珀干涉儀微結(jié)構(gòu)以及光柵布拉格微結(jié)構(gòu)的作用下，返回光纖復(fù)合光譜，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號和溫度信號的同時(shí)采集。

圖8 光纖琺珀/光柵結(jié)構(gòu)復(fù)合傳感系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of structural composite sensing system based on fiber-optic Fabry Perot and Bragg grating

光纖琺珀/光柵光路復(fù)合傳感系統(tǒng)如圖9 所示，光纖琺珀干涉儀微結(jié)構(gòu)和光纖布拉格微結(jié)構(gòu)分別屬于兩個(gè)傳感結(jié)構(gòu)上，整體傳感器采用“三點(diǎn)”形式安裝。光纖解調(diào)器端口發(fā)出的寬帶光通過光耦合器一分為二，其中一路光進(jìn)入光纖琺珀干涉儀微結(jié)構(gòu)，另一路光進(jìn)入光纖布拉格微結(jié)構(gòu)，返回的兩路光譜在光纖耦合器處耦合成一個(gè)復(fù)合光譜，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號和溫度信號的同時(shí)采集。

圖9 光纖琺珀/光柵光路復(fù)合傳感系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of optical path composite sensing system based on fiber-optic Fabry Perot and Bragg grating

對于高溫光纖應(yīng)變傳感器，對其測試準(zhǔn)確性進(jìn)行評價(jià)和標(biāo)定是其在實(shí)際工程應(yīng)用前的必然步驟[16]。但是對于光纖應(yīng)變傳感器的標(biāo)定國內(nèi)尚無標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前對于光纖應(yīng)變傳感器的靜態(tài)標(biāo)定，均采用類似于電阻式應(yīng)變片的靜態(tài)標(biāo)定方法開展。

圖10 為采用標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸法進(jìn)行高溫光纖應(yīng)變傳感器標(biāo)定的案例，通過對試驗(yàn)件施加力載荷，采用常溫應(yīng)變片、引伸計(jì)以及高溫光纖應(yīng)變傳感器對比的方式進(jìn)行常溫和高溫的校準(zhǔn)評價(jià)。圖11 為對比數(shù)據(jù)結(jié)果，可以看出高溫光纖應(yīng)變傳感器在常溫和高溫環(huán)境下與其他測試方法相比具有較好的一致性。

圖11 對比校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of comparison calibration test

4.3 高溫光學(xué)圖像測試技術(shù)

非接觸式的光學(xué)測量方法為解決極端力熱環(huán)境下應(yīng)變測試提供了新的途徑。數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）是非接觸式光學(xué)測量方法的主要研究方向之一，可以避免接觸式測量所面臨的嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性、安裝困難、熱輸出等問題，并能實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)變場測量，在極端環(huán)境實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法研究中已備受關(guān)注[17]。數(shù)字圖像相關(guān)測量方法是通過匹配物體表面隨機(jī)分布的斑紋的光強(qiáng)在變形前后的相關(guān)性來確定物體表面位移及應(yīng)變，其測量過程為用攝像機(jī)采集物體表面變形前后的兩幅數(shù)字圖像，通過比較變形前后圖像的灰度信息，提取被測物表面位移信息。為了實(shí)現(xiàn)三維測量，需要基于雙相機(jī)立體視覺方法。其基本原理是通過雙相機(jī)拍攝試件圖片，尋找雙相機(jī)中點(diǎn)、點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)事先標(biāo)定的相機(jī)相對位置信息重構(gòu)試件的三維形貌[18]。

散斑涂層作為DIC 測量中的變形載體，其制備質(zhì)量影響和制約了DIC測量方法結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，對于高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的高溫試驗(yàn)，散斑涂層還須滿足耐高溫、良好的附著力、材料性能穩(wěn)定等要求。傳統(tǒng)噴涂的方法很難保證散斑的密度、直徑、均勻度等要求，可以采用激光刻蝕或掩膜板的方法，將計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字散斑場復(fù)刻到試驗(yàn)件表面制成散斑[19]。激光刻蝕法是在試驗(yàn)件表面噴涂一層Al2O3涂層，然后采用脈沖激光對Al2O3涂層進(jìn)行刻蝕，直至顯示出試驗(yàn)件本身的顏色，刻蝕的圖案如圖12(a)所示。當(dāng)被測物表面處于艙內(nèi)或者被測物尺寸較大時(shí)，無法直接在耐高溫涂層上直接刻蝕數(shù)字散斑圖樣，需采用基于掩膜板的高溫標(biāo)準(zhǔn)散斑制作方法。按照設(shè)計(jì)好的數(shù)字散斑圖樣制備柔性散斑掩膜斑，然后在覆有掩膜板的試驗(yàn)件表面通過噴涂高溫漆或者大氣等離子噴涂氧化鋁或氧化鋯粉末的方式制作耐高溫散斑涂層，制備圖案如圖12(b)所示。

圖12 基于激光刻蝕 a)掩膜板b)耐高溫散斑Fig.12 High temperature resistant speckle based on laser etching and mask plate

在高溫試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)件溫度較高時(shí)，熱輻射波長向可見的短波方向移動(dòng)并進(jìn)入相機(jī)感光芯片的敏感波長區(qū)域，使得采集的物體表面圖像亮度顯著增強(qiáng)并可能出現(xiàn)嚴(yán)重的飽和，引起散斑特征的退化，造成數(shù)字圖像相關(guān)分析失效。針對這一問題，可以采用藍(lán)光或紫光照明，并通過光學(xué)窄帶濾波的方法減弱熱輻射的影響[20,21]。圖13為復(fù)合材料平板1500℃熱屈曲實(shí)驗(yàn)案例[22]，采用藍(lán)光LED 光源，配備440nm～460nm 的窄帶濾波片，有效降低了熱輻射引起的圖像退化效應(yīng)。

DIC 高溫應(yīng)變測試同樣面臨熱應(yīng)變與機(jī)械應(yīng)變解耦的問題。由于數(shù)字圖像相關(guān)方法只能測得被測物的總變形，無法分離出熱膨脹引起的應(yīng)變及機(jī)械應(yīng)變，需通過后處理方式根據(jù)溫度場分布及材料熱膨脹系數(shù)除去熱應(yīng)變，從而獲得機(jī)械應(yīng)變，所以在發(fā)展高溫環(huán)境下DIC 測試技術(shù)的同時(shí)，還需發(fā)展與非接觸式測溫技術(shù)相結(jié)合的溫度場/變形場同步測試技術(shù)。對此，國內(nèi)外學(xué)者已開始探索數(shù)字圖像相關(guān)方法與紅外熱像相結(jié)合，或者利用彩色相機(jī)分光譜實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)變測試的方法，然而這些方法存在不同相機(jī)分辨率不匹配或測試精度不高等問題。近年來有研究者進(jìn)一步嘗試采用基于激光誘導(dǎo)磷光測溫方法和基于輔助光源調(diào)制測溫法等，同時(shí)從多相機(jī)測量向單一、單個(gè)相機(jī)測量的方式轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)高精度多物理量場一一映射對應(yīng)的溫度場/變形場同步測量技術(shù)。

在高速飛行器熱結(jié)構(gòu)地面輻射熱試驗(yàn)中，試驗(yàn)件往往被加熱器所包裹遮擋，使得基于DIC 的結(jié)構(gòu)外表面應(yīng)變測量不易實(shí)現(xiàn)。因此需要尋求一種基于DIC方法的飛行器內(nèi)表面或內(nèi)部局部關(guān)鍵部位應(yīng)變場測量的測試技術(shù)。通過集成光源、相機(jī)和熱防護(hù)系統(tǒng)等元件用于研制耐高溫單相機(jī)小型化3D-DIC 設(shè)備，可以為狹小空間測量提供一種思路。圖14 是采用光學(xué)鏡片搭建分光路與單鏡頭結(jié)合的方式研制的耐高溫單相機(jī)3D-DIC 設(shè)計(jì)原理與樣機(jī)，設(shè)備尺寸130 mm×125 mm×90 mm，工作距離為100mm，測量面積為50mm×50mm。采用該相機(jī)實(shí)現(xiàn)了從艙段結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行該危險(xiǎn)部位的變形場及應(yīng)變場分布測量應(yīng)用[23]。

圖14 單相機(jī)3D-DIC 設(shè)計(jì)示意圖及樣機(jī)Fig.14 Schematic and device of single-camera 3D-DIC

5 總結(jié)與展望

近些年來，熱結(jié)構(gòu)力熱參數(shù)測試技術(shù)獲得了非常大的技術(shù)進(jìn)步，在傳統(tǒng)以電測為主的基礎(chǔ)上，形成了一些先進(jìn)的測試手段以滿足高速飛行器的研制需求，如光纖復(fù)合傳感技術(shù)、非接觸光測技術(shù)、薄膜傳感技術(shù)等。但各類測試方法從溫度適用極限、測試精度、數(shù)據(jù)獲取率、數(shù)據(jù)處理方法以及應(yīng)對復(fù)雜場景等方面仍有很大的差距。后續(xù)隨著高速飛行器的發(fā)展，力熱載荷會(huì)更加惡劣，對多物理量參數(shù)測試的需求也會(huì)提出更高的要求，也期待各類新型的傳感與測試技術(shù)有所突破，形成工程可用的解決方案。另外，隨著智能結(jié)構(gòu)和虛擬試驗(yàn)技術(shù)等的發(fā)展，會(huì)對測試技術(shù)形成新的需求牽引，也是未來力熱參數(shù)測試發(fā)展的重要方向。