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磷光测热技术进展.pdf
磷光测热技术进展
毕志献 韩曙光 伍超华 宫 建
(中国航天空气动力技术研究院,北京市丰台区云岗西路17 号 100074)
摘 要:磷光测热技术主要利用磷光发光材料的温敏特性实现对模型表面温度的测量,相比于传统测热
方法,磷光测热技术具有非接触、面测量等优点。本文对目前磷光测热技术原理进行了简介,针对近
几年技术进展进行了综述。进展主要包括现有的单色磷光测热系统的改进;外界环境因素(如环境压
力、涂层厚度等)对磷光材料发光性能影响分析;激发光源、图像采集等关键实验设备的选择;数据
处理程序的完善。应用改进的磷光测热技术对平板—尖楔热环境进行了验证性测量,并与铂薄膜电阻
温度计结果进行了对比。
关键词:高超声速;磷光测热;进展;平板尖楔
引 言
风洞测热实验作为研究飞行器热环境的重要技术手段,多年来在科研生产工作中起着非
常重要的作用。目前用来测量模型表面热流分布主要是采用热流传感器,如热电偶、铂薄膜
电阻温度计等,后者见图 1。
图 1 铂薄膜电阻温度计 图2 磷光发光材料[2]
传统测热技术目前面临的问题很多。如:当无法预估高热流可能出现的区域时,要靠理
论分析或实践经验来布置测热元件;当模型外形面积较大,热环境较复杂时,有可能因为测
量点布置的局限性导致未能完全捕捉到高热流区域或错过热流峰值点;传感器线路引出对模
型设计的限制。
磷光测热技术是目前国内外高超风洞试验非常重视的一种测热技术。相比于传统测热技
[1]
术,其主要优点详述如下 :
1. 非接触式全场测量。磷光体喷涂于模型表面形成厚度仅为 15 微米-25 微米的薄层,
不会改变模型的几何外形,对流场产生的干扰较小。测量结果以全场热流分布形式直观呈现;
2. 测温范围广。磷光材料的理论测温能力可达 1700℃(见图2),在国外已广泛用于飞
行器热环境实验研究以及电弧风洞中高温状态下的热环境测量;
3. 可以重复使用。磷光涂层发光强度随温度的变化是可逆过程;
4. 响应时间短。该材料对温度变换的响应时间可达微秒级,可以应用于脉冲风洞实验。
目前国内磷光测热技术的研究工作主要在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的
FD-20 炮风洞进行。根据磷光材料的发光特性以及炮风洞的运行特点,对原有单色磷光测热
技术进行了改进。
1 磷光测热技术原理
稀土元素基磷光材料具有在吸收能量发生能级跃迁时向外辐射可见光的特性,而且可见
[3]
光光强随着环境温度的升高而降低 。
将磷光体的这种特殊发光性质应用于风洞测温实验中,即根据实验过程中磷光粉发光强
度的的变化来计算磷光体所在环境的温度变化,其基本思路如图 3 所示。将磷光粉喷涂于模
型表面并形成均匀涂层,选取特定谱段的激发光照射磷光涂层,使其持续发出可见光,在风
洞试验中模型受高速气流加热,不同热流产生不同的温升,涂层辐射出的可见光强度亦产生
相应变化,这种光强的变化可以由图像采集设备记录并存储。在激发光源强度不变的情况下,
辐射光强度只与模型当地的表面温度有关,根据标定得到的辐射光强与温度的对应关系,就
可通过光强分布得到模型表面温度分布,从而计算出表面热流的分布。
图3 磷光测热技术原理图
2 磷光发光材料性能分析
磷光材料喷涂至模型表面后,研究涂层的物化性能非常重要,环境因素变化是否会使磷
光涂层发生性质上的改变直接决定了磷光材料能否应用于高超声速风洞试验。
2.1 材料粒径研究
研究表明,磷光发光材料的粒径如果较大时,易在稀释粘结剂中产生大颗粒沉淀,影响
溶液的均匀度,不利于喷涂。通过改进磷光粉制备工艺,目前所用磷光粉粒径仅为 1 微米-2
微米,图 4为材料的大尺度电镜照片。此种细粉在溶剂中仅有部分小颗粒沉淀产生,形成的
涂层附着力强
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