一种维形烧蚀材料多参数测量系统

技术领域

本发明涉及航空航天特殊参数测量技术领域，尤其涉及一种维形烧蚀材料多参数测量系统。

背景技术

航天器进入大气层时，其表面温度非常高，机体承受严重的气动加热，烧蚀热防护层作为热防护结构中的重要一环，必须掌握热防护层的烧蚀速率和烧蚀量。如果在飞行过程中烧蚀热防护层被烧穿，气动加热会造成航天器表面温度过高，从而导致航天器损毁或是造成航天器内部温度过高，仪器不能正常工作。

可重复使用航天器等需要在飞行过程中保持气动外形，需要烧蚀材料在烧蚀相变过程中保持其外形和强度，这种烧蚀材料被称为维形烧蚀材料。维形烧蚀材料在材料烧蚀碳化过程中及完全碳化后材料的外形尺寸及强度几乎不发生变化，因此，传统的铺线式检测技术依靠烧蚀材料冲刷破坏内埋敏感元件来测量烧蚀量的方法和内埋电阻线通过电阻线熔断测量烧蚀量的方法，均无法测量维形烧蚀材料的烧蚀量。

因此，设计一种维形烧蚀材料测量系统，完成对维形烧蚀材料的测量是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种维形烧蚀材料多参数测量系统，至少解决以下技术问题之一：1、现有烧蚀材料测量系统在维形烧蚀材料测量上具有局限性，无法获得维形烧蚀材料的烧蚀程度；2、维形烧蚀材料分层温度及烧蚀量的测量无法通过同一个测量系统实现；3、维形烧蚀材料分层温度的测量容易受到环境温度及材料烧蚀碳化后导电性变化的影响导致分层温度测量精度较低。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种维形烧蚀材料多参数测量系统，包括维形烧蚀材料传感器、采集装置和供电装置；

维形烧蚀材料传感器包括烧蚀基体，烧蚀基体包括烧蚀敏感组件2和温度敏感组件4，烧蚀敏感组件包含总线22和敏感线23；温度敏感组件4由多个耐高温传感器40组成，耐高温传感器包含接线端45；

采集装置包括变压模块、AD电压采集模块、温度采集模块；

烧蚀敏感组件2的总线22与变压模块电连接，敏感线23与AD电压采集模块电连接，耐高温传感器40的接线端45与温度采集模块电连接。

进一步地，变压模块用于将供电装置提供的外部电源的电压进行转换；AD电压采集模块用于烧蚀电压采集；温度采集模块用于烧蚀材料分层温度采集。

进一步地，所述烧蚀基体还包括烧蚀基体下壳体1、烧蚀基体中壳体3、烧蚀基体上壳体5；

所述温度敏感组件4设于烧蚀基体中壳体3和烧蚀基体上壳体5之间。

进一步地，所述烧蚀敏感组件2还包含基底层21、防护层24和焊盘25，总线22和敏感线23构成感应层；

敏感线23和总线22设于基底层21上，敏感线23和总线22上覆盖有防护层24，防护层24一端设有焊盘25用于连接总线22或敏感线23。

进一步地，所述耐高温传感器40还包括热电偶44，位于热电偶44一端的测量端41、以及包覆测量端41和接线端45之间热电偶44的分区绝缘区，所述接线端45位于热电偶44另一端。

进一步地，所述分区绝缘区的形成方法包括：去除热电偶一端包裹的绝缘层；将去除绝缘层的热电偶的端部正负极焊接为一个节点，得到测量端；将去除绝缘层的部分重新喷涂二氧化锆形成二氧化锆绝缘层和热电偶原有绝缘层形成了分区绝缘区。

进一步地，所述二氧化锆绝缘层位于所述烧蚀基体内，所述热电偶原有绝缘层至少部分位于所述烧蚀基体外。

进一步地，所述烧蚀基体下壳体1上设有凹槽，所述烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5依次置于所述烧蚀基体下壳体1的凹槽内，各部件粘连形成所述烧蚀基体；所述烧蚀基体一端通过固定管6与外壳7连接。

进一步地，所述烧蚀基体中壳体3表面上设有安装槽31，温度敏感组件4镶嵌于安装槽31内。

进一步地，所述烧蚀基体上壳体5下表面覆盖在布置温度敏感组件4的烧蚀基体中壳体3上；所述烧蚀基体上壳体5尾部设有定位销孔，与固定管6上的销孔配合插入固定件将烧蚀基体整体与固定管6固定连接。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、现有维形烧蚀材料测量系统无法通过一个测量系统同时测量分层温度与烧蚀量这两种参数，本发明的维形烧蚀材料多参数测量系统，集成烧蚀量和分层温度两种参数测量，可以同时测量分层温度和烧蚀量。

2、现有的维形烧蚀材料测量系统，无论是采用物理还是高温破坏监视线的测量方式，均无法准确获得烧蚀材料的烧蚀程度，具有局限性，而本发明的维形烧蚀材料多参数测量系统，能够准确获得烧蚀材料的烧蚀程度，即“开始烧蚀”、“正在烧蚀”和“完全烧蚀”。

3、在烧蚀材料分层温度测量中，环境温度及材料烧蚀碳化后导电性变化，会影响测量结果的准确性，本发明通过分区绝缘的方法，在烧蚀基体内部采用耐高温绝缘涂层绝缘，烧蚀基体外部采用聚四氟乙烯绝缘，使得传感器在高温环境中，绝缘性良好，提高了分层温度的测量精度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明测量系统传感器的结构示意图；

图2a为本发明测量系统传感器烧蚀敏感组件结构示意图；

图2b为本发明测量系统传感器烧蚀敏感组件结构三维模拟图

图3a为本发明测量系统传感器温度敏感组件结构示意图；

图3b和3c为本发明测量系统传感器温度敏感组件结构三维模拟图；

图4为本发明测量系统传感器温度敏感组件内置的耐高温传感器；

图5为本发明测量系统传感器烧蚀信号采集电路原理图；

图6为本发明测量系统传感器安装示意图；

图7为本发明测量系统采集装置设计图；

图8是本发明对比例标准传感器与被测传感器测量分层温度检测装置；

图9是本发明测量系统传感器烧蚀敏感组件结构实物图；

图10为本发明测量系统传感器引线横截面图；

图11a是本发明测量系统传感器实物三维模拟图；

图11b为本发明测量系统传感器实物图。

附图标记：

1-烧蚀基体下壳体；2-烧蚀敏感组件；3-烧蚀基体中壳体；4-温度敏感组件；5-烧蚀基体上壳体；6-固定管；7-外壳；8-后盖；9-引线；10-烧蚀传感器敏感部分；11-飞行器金属基体；12-飞行器烧蚀层；21-基底层；22-总线；23-敏感线；24-防护层；25-焊盘；26-烧蚀测量分辨率；27-烧蚀测量最大量程；31-安装槽；40-耐高温传感器；41-耐高温传感器测量端；42-耐高温传感器绝缘层；43-聚四氟乙烯绝缘层；44-热电偶；45-耐高温传感器接线端；91引线外包覆层、92-热电偶屏蔽层、93-总线延长线、94-敏感线延长线、95-总线和敏感线延长线屏蔽层。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

维形烧蚀材料与普通靠化学反应和机械剥离的烧蚀材料不同，具有如下特点：1、维形烧蚀材料，本质上是一种增强基酚醛树脂材料，其烧蚀的过程本质是材料碳化的过程，材料温度大于其碳化温度点即可开始碳化，且碳化速率与温度相关；2、材料碳化过程中及完全碳化后材料外形尺寸及强度几乎不发生变化。因此，传统的铺线式检测技术依靠烧蚀材料冲刷破坏内埋敏感元件来测量烧蚀量的方法和内埋电阻线通过电阻线熔断测量烧蚀量的方法，均无法测量维形烧蚀材料的烧蚀量。发明人在进行维形烧蚀材料烧蚀量及分层温度的研究过程中，曾通过在烧蚀基体中埋入监测线，通过物理或高温的方式破坏监视线，再通过监测线断裂的方式来推测烧蚀量和烧蚀程度；但是在研究过程中发现，通过物理方式破坏监测线的测量方式，只适用于烧蚀层随烧蚀剥离的烧蚀材料，测量具有局限性，在测量过程中只能得到所谓的“是”或“否”烧蚀，无法获得烧蚀材料的烧蚀程度即“开始烧蚀”、“正在烧蚀”和“完全烧蚀”；而通过高温破坏监测线的方法，由于烧蚀材料不会像晶体熔化一样产生温屏，只能说明达到了一定的温度范围，监测线断裂位置，也无法说明烧蚀材料的烧蚀程度；在测量参数上，目前地面试验和飞行试验中待测部件热防护测量需要同时测量分层温度与烧蚀量，但目前无法通过一个测量系统同时测量两种参数。

基于发明人在研究过程中发现的问题，设计了一种维形烧蚀材料多参数测量系统，至少解决以下技术问题之一：1、现有烧蚀材料测量系统在维形烧蚀材料测量上具有局限性，无法获得维形烧蚀材料的烧蚀程度；2、维形烧蚀材料分层温度及烧蚀量的测量无法通过同一个测量系统实现；3、维形烧蚀材料分层温度的测量容易受到环境温度及材料烧蚀碳化后导电性变化的影响导致分层温度测量精度较低。

本发明提供了一种维形烧蚀材料多参数测量系统，包括维形烧蚀材料传感器、采集装置和供电装置；

维形烧蚀材料传感器包括烧蚀基体，烧蚀基体包括烧蚀敏感组件2和温度敏感组件4，烧蚀敏感组件包含总线22和敏感线23；温度敏感组件4由多个耐高温传感器40组成，耐高温传感器包含接线端45；

采集装置包括变压模块、AD电压采集模块、温度采集模块；

烧蚀敏感组件2的总线22与变压模块电连接，敏感线23与AD电压采集模块电连接，耐高温传感器40的接线端45与温度采集模块电连接。变压模块用于将所述供电装置提供的外部电源的电压进行转换，满足烧蚀电压测量需求；AD电压采集模块用于烧蚀电压采集；温度采集模块用于烧蚀材料分层温度采集。

采集装置通过与上位机通信连接，和/或使用内部存储模块存储数据试验后判读。

烧蚀基体还包括烧蚀基体下壳体1、烧蚀基体中壳体3、烧蚀基体上壳体5；所述温度敏感组件4设于烧蚀基体中壳体3和烧蚀基体上壳体5之间。

烧蚀敏感组件2还包含基底层21、防护层24和焊盘25，总线22和敏感线23构成感应层；敏感线23和总线22设于基底层21上，敏感线23和总线22上覆盖有防护层24，防护层24一端设有焊盘25用于连接总线22或敏感线23。

上述维形烧蚀材料传感器还包括：固定管6，外壳7；烧蚀基体下壳体1、烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5通过固定管6与外壳7连接；传感器的外壳7，一端设有安装法兰，用于固定于待测舱体内表面。

上述维形烧蚀材料传感器还包括后盖8，后盖8通过螺钉与外壳7连接形成密封结构。

具体的，如图1所示，烧蚀基体下壳体1上设有凹槽，烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5依次置于凹槽内，各部分通过酚醛树脂溶液粘连形成完整的烧蚀基体。

在一种可能的实施方式中，烧蚀基体下壳体1为沿轴向一侧开设敞口通槽的圆柱体，通槽可为垂直于轴向的截面为长方形且两端和一侧开口的凹槽，烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5依次置于凹槽内，烧蚀敏感组件2的底面与通槽底面抵接，烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5的侧面与通槽侧面抵接。为了便于形成完整的烧蚀基体，烧蚀基体上壳体5的外形面与烧蚀基体下壳体1的外形面形成完成的圆柱面，如此，各部分通过酚醛树脂溶液粘连形成完整的圆柱状烧蚀基体，圆柱状烧蚀基体的一端插入固定管6内，烧蚀基体上壳体5尾部设有定位销孔，与固定管6上的销孔配合插入固定销将烧蚀基体整体与固定管6固定连接。

其中，圆柱状烧蚀基体包括第一圆柱段和第二圆柱段，第二圆柱段插入固定管的一端，与固定管6内径匹配，第一圆柱段的直径大于第二圆柱段的直径，且等于固定管6的外径，烧蚀基体与固定管6固定连接后，形成光滑的圆柱面，以便于插入待测部件防热层的安装孔内，且与防热层材料形成紧密接触。

使用时，烧蚀基体部分插入待测部件防热层的安装孔内，沿烧蚀基体方向，烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5平行设置，也就是说烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5的长度方向平行于待测部件防热层的安装孔轴向。

具体的，如图3a所示，烧蚀基体中壳体3表面上设有安装槽31，用于安装温度敏感组件4。

具体的，烧蚀基体上壳体5下表面覆盖在布置温度敏感组件4的烧蚀基体中壳体上；烧蚀基体上壳体5尾部设有定位销孔，与固定管6上的销孔配合插入固定件将烧蚀基体整体与固定管6固定连接。

具体的，如图2a所示，烧蚀敏感组件2包含基底层21、总线22、敏感线23、防护层24和焊盘25，其中总线22和敏感线23构成感应层。敏感线23和总线22根据实际需求设于基底层21上，敏感线23和总线22上覆盖有防护层24，防护层24一端设有焊盘25用于连接总线22和敏感线23，另一端裸露使敏感线23和总线22可直接接触烧蚀基体下壳体1。

其中，基底层21材料为聚四氟乙烯，厚度为0.1mm～0.2mm，优选的，厚度为0.2mm；感应层包含总线22和敏感线23，其材料为铜、镍、铂等金属，厚度为0.1mm～0.2mm，优选的，厚度为0.1mm；防护层24材料为聚四氟乙烯，厚度为0.05mm～0.1mm，优选的，厚度为0.1mm。烧蚀敏感组件2夹在烧蚀基体下壳体1和烧蚀基体中壳体3之间，厚度过大影响传感器密封性，测量时高温气体容易从缝隙进入影响测量精度，因此烧蚀敏感组件2的总厚度应小于0.5mm。

感应层和防护层24设置在基底层21上，因此基底层21需要具有一定的强度，设置基底层21的厚度为0.1mm～0.2mm，优选的厚度为0.2mm；感应层主要作用是在基体碳化后测量获得基体阻值变化，因此需要金属材料耐高温并具有一定的延展性，考虑成本因素，感应层材料1000℃以下使用铜、1000℃～1200℃使用镍、1200℃以上使用铂。防护层24主要作用是对烧蚀敏感组件2起到一定的保护和绝缘作用，因此厚度尽可能小，厚度为0.05mm～0.1mm，优选的厚度为0.1mm。

在实际使用时，根据拟测量获取的烧蚀量和烧蚀程度的需求，明确烧蚀量测量点，对总线22和敏感线23进行排布。如图2a所示，总线22的排布方向为平行于烧蚀基体长度方向，且位于感应层正中间，沿总线22长度方向，依次设置多个敏感线对应点，用于引出敏感线23，多个敏感线对应点设置在总线22的两侧或同一侧，位于同一侧的敏感线对应点在同一与总线平行的直线上。上述敏感线对应点与总线22之间存在间隙，敏感线从敏感线对应点引出后与焊盘25焊接。

在一种实施方式中，沿总线22长度方向，多个敏感线对应点均匀设置，相邻敏感线对应点的间隔相同；多个敏感线对应点也可以非均匀设置。考虑到维形烧蚀材料的开始烧蚀与正在烧蚀状态之间，以及正在烧蚀与完全烧蚀状态之间存在明显的测量结果差异，敏感线对应点的设置可依次分为第一均匀设置段、第二非均匀设置段和第三均匀设置段，第一均匀设置段和第三均匀设置段内的敏感线对应点均匀间隔分布，第二非均匀设置段内的敏感线对应点分均匀间隔分布，且第二非均匀设置段内的相邻敏感线对应点间的距离大于等于第一均匀设置段和第三均匀设置段内的相邻敏感线对应点间的距离，在保证测量准确度的情况下，节约成本，减少数据采集数量，提高数据传输效率。

相邻敏感线对应点间的距离称为烧蚀测量分辨率26，最小烧蚀测量分辨率为0.1mm，最大分辨率可等于实际测量烧蚀层的厚度；第一根敏感线23的敏感线对应点和最后一根敏感线23的敏感线对应点间的距离为烧蚀测量的最大量程27。当烧蚀材料发生碳化烧蚀时，每根敏感线23依次和总线22形成单独回路导通。

具体的，利用烧蚀材料在烧蚀过程中形成碳化层将埋在烧蚀材料中的金属导线联通，接通外电路，输出电信号的原理实现烧蚀厚度与电量之间的转换。具体的，防护层24将总线22和敏感线23的所有测量点都裸露在外，当烧蚀材料发生碳化烧蚀时，敏感线23依次和总线22导通。具体的，当材料烧蚀形成碳化层，当传感器随待测部件防热层烧蚀时，烧蚀基体形成导电的碳化层，随着烧蚀基体不断向下烧蚀，排布在总线22两端的敏感线23依次与总线22导通，通过每条敏感线23与总线22的导通时间和顺序，从而测出防热层的烧蚀厚度；每条敏感线23和总线22都可以形成一个单独的回路，总线22电压为U，敏感线23处电压为0，当材料烧蚀后，材料电阻从上千兆欧姆下降到几百或几十欧姆时，测得当前回路的电阻可以推算出烧蚀程度。

具体的，如图4所示，温度敏感组件4由多个耐高温传感器40组成。

耐高温传感器40包括热电偶44、位于热电偶44一端的测量端41、位于热电偶44另一端的接线端45以及包覆测量端41和接线端45之间热电偶的耐高温材料绝缘层42和聚四氟乙烯绝缘层43，其中耐高温材料绝缘层42包覆靠近测量端41的一侧，聚四氟乙烯绝缘层43包覆靠近接线端的一侧，且耐高温材料绝缘层42和聚四氟乙烯绝缘层43相接，测量端41表面无任何涂层且焊接为一点，接线端45表面无任何涂层。

具体的，热电偶44考虑成本因素，及不同牌号热电偶最佳使用范围，测量温度在1200℃以下的测点使用K型热电偶，在1200℃以上的使用S型热电偶，热电偶裸丝直径为φ0.1mm；热电偶44与烧蚀基体接触处，设有厚度为0.05mm～1mm的耐高温材料绝缘层42，耐高温材料可以采用二氧化锆等；热电偶暴露在烧蚀基体外部的另一端包覆厚度为0.05mm～1mm聚四氟乙烯绝缘层43，用以确保敏感元件后段的绝缘性，测量端41表面无任何涂层且焊接为一点，接线端45表面无任何涂层，直接连接采集装置的温度采集模块。

具体的，传感器在随待测部件防热层烧蚀时，传感器内部温度大于1600℃，耐高温材料绝缘层42在1600℃的环境下具有良好的绝缘性，该绝缘层质脆，不宜弯折，用于内部绝缘；传感器外部的温度则较低，热电偶44暴露在烧蚀基体外部的部分使用聚四氟乙烯绝缘层，聚四氟乙烯绝缘层43，一般用于较低温度的绝缘(小于200℃)，韧性较好，耐磨耐腐蚀，被广泛用于热电偶绝缘中。

具体的，如图3a所示，根据拟测量获取的分层温度，明确分层温度测量点的数量和位置，在烧蚀基体中壳体3上设置相同数量的凹槽，凹槽在纵向和横向间隔相同的距离均匀排布，保证测量过程中温度敏感组件4在烧蚀基体内的部分受热均匀。

需要说明的是，耐高温传感器40的热电偶44一端的测量端41即为分层温度测量点，分层温度测量点可为多个，即可设置的耐高温传感器40为多个，沿烧蚀基体中壳体3长度方向，多个分层温度测量点均匀分布，沿垂直于烧蚀基体中壳体3长度的方向，相邻耐高温传感器40间的距离相同，以保证测量过程中温度敏感组件4在烧蚀基体内的部分受热均匀，减少温度敏感组件对烧蚀敏感组件的影响，提高烧蚀材料的烧蚀程度判断的准确性。

此外，在烧蚀基体中壳体3上表面及凹槽内部涂抹酚醛树脂溶液后镶嵌温度敏感组件4，凹槽的形状与温度敏感组件4一致，凹槽镶嵌温度敏感组件4的测量段41的一端，在烧蚀基体中壳体3上设计排布温度敏感组件4时，应避免分层温度测量点和烧蚀敏感组件2中敏感线23对应点的排布位置重合，以减少测量过程中温度敏感组件4对烧蚀敏感组件2的影响，以免影响烧蚀敏感组件测量的准确性，进一步提高烧蚀材料的烧蚀程度判断的准确性。

本发明的烧蚀敏感组件2的敏感线23和总线22设于基底层21上，敏感线23和总线22上覆盖有防护层24，防护层24可以避免在烧蚀过程中，因待测部件防热层材料(如酚醛树脂)碳化成为导体而导致热电偶44自身发生导通，影响分层温度测量的精确性。

本发明通过分区绝缘的方法，在烧蚀基体内部采用耐高温绝缘涂层绝缘，烧蚀基体外部采用聚四氟乙烯绝缘，使得传感器在高温环境中，绝缘性良好，提高了分层温度的测量精度。

外壳7与固定管6固定，温度敏感组件4暴露在烧蚀基体外部的一端和烧蚀敏感组件2的总线22和敏感线23的一端延长线穿过外壳7尾部的出线孔，并在外壳7内部灌封耐高温灌封胶，包裹处理成一根集成引线后从外壳7尾部的出线孔穿出；后盖8通过螺钉与外壳7连接形成密封结构。

使用上述测量系统对待测部件进行测量，包括以下步骤：

步骤1：在待测部件防热层设置传感器安装孔；

步骤2：将传感器包括烧蚀基体的敏感部分通过安装孔插入待测部件的防热层中；

步骤3：将传感器通过外壳上的安装法兰固定于待测部件；

步骤4：通过引线将传感器与外部采集装置或待测部件上的采集装置连接；

步骤5：通过采集装置输出的信号获取待测部件防热层的烧蚀量和分层温度信息。

具体的，待测部件防热层打12mm-15mm安装孔，在烧蚀材料传感器内部间隔距离设置n个烧蚀量测量点和m个分层温度测量点，间隔距离和测量点的数量可以根据实际测量需要任意设置；其中，烧蚀量测量点的位置和分层温度测量点的位置不重合。

本发明烧蚀材料传感器敏感部分包括烧蚀基体下壳体、烧蚀敏感组件、烧蚀基体中壳体、温度敏感组件、烧蚀基体上壳体和固定管，通过安装孔装入待测部件的防热层后，将传感器的外壳7上的安装法兰与舱体金属结构固定。安装示意图如图6所示。

具体的，地面试验中，引线直接连接外部采集装置；飞行试验中，引线连接待测部件上的采集装置；通过采集装置输出的信号判断待测部件防热层的烧蚀量和分层温度。采集装置设计图如图7所示。

具体的，采集装置可同时采集温度和烧蚀电压信号，采集装置通过航插与本发明烧蚀传感器连接。将烧蚀敏感组件2的总线22电连接到变压模块上，将供电装置提提供的外部电压转换为满足测量需求的电压；敏感线23电连接到AD电压采集模块上，耐高温传感器40的接线端45电连接到温度采集模块；采集装置各模块通过485通信与上位机连接，或使用内部存储模块存储数据试验后判读。表1为通道接线表。

具体的，采集装置可同时采集温度和烧蚀电压信号，采集装置通过航插与烧蚀传感器连接。将烧蚀敏感组件2的总线22连接到电压转换模块上，敏感线23连接到AD电压采集模块上，耐高温传感器40的接线端45连接到温度采集模块；采集装置各模块通过485通信与上位机连接，或使用内部存储模块存储数据试验后判读。表1为通道接线表。

表1通道接线表

本发明烧蚀传感器烧蚀信号采集电路原理图如图5所示，当传感器随待测部件防热层烧蚀时，材料烧蚀形成碳化层，同时烧蚀基体下壳体1、烧蚀基体中壳体3、烧蚀基体上壳体5碳化，形成导电的碳化层，随着烧蚀基体不断向下烧蚀，排布在总线22两侧敏感线23依次与总线22导通，通过每条敏感线23与总线22的导通时间和顺序，从而测出防热层的烧蚀厚度。每条敏感线23和总线22都可以形成一个单独的回路，总线22电压为U，敏感线23处电压为0，当材料烧蚀后，材料电阻从上千兆欧姆下降到几百或几十欧姆时，测得当前回路的电阻可以推算出烧蚀程度。

具体的，测量电压为U，U可根据现场条件使用1V～12V。当传感器烧蚀层未烧蚀时，AD采集模块该测点示数为0，烧蚀层正在烧蚀时示数为呈递增趋势，烧蚀层完全烧蚀后示数为U。

温度的测量，高温敏感传感器接线端45直接连接温度采集模块，可直接读取温度数据。

本发明的维形烧蚀材料测量系统，集成烧蚀量和分层温度两种参数测量，可以同时测量分层温度和烧蚀量，能够准确获得烧蚀材料的烧蚀程度，通过分区绝缘的方法，在烧蚀基体内部采用耐高温绝缘涂层绝缘，烧蚀基体外部采用聚四氟乙烯绝缘，使得传感器在高温环境中，绝缘性良好，提高了分层温度的测量精度。

本发明测量系统的维形烧蚀材料传感器是通过以下方法制造的，包括如下步骤：

步骤1：制作烧蚀基体，所述烧蚀基体包括烧蚀基体下壳体1、烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5；所述烧蚀基体下壳体1上设有凹槽，所述烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5自下而上设置于所述烧蚀基体下壳体1的凹槽内；所述温度敏感组件4包括敏感线23、总线22和用于连接总线22或敏感线23的焊盘；

步骤2：将烧蚀基体一端与固定管6固定连接，得到固定连接件；

步骤3：在固化工装内涂抹脱模剂，并将步骤2得到的固定连接件置入固化工装并压紧；

步骤4：将固化工装内灌注粘结液；

步骤5：将工装放入低气压高温试验箱固化、脱模；

步骤6：进行烧蚀敏感组件2中的总线22和敏感线23与焊盘25的焊接；

步骤7：将温度敏感组件4和烧蚀敏感组件2的一端穿过外壳7并形成引线9，在外壳7内部灌封灌封胶，通过固定管6将外壳7和烧蚀基体连接，得到维形烧蚀材料传感器。

具体的，所述步骤1包括：

步骤11：分别制作烧蚀基体下壳体1、烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5、固定管6、外壳7；所述烧蚀基体下壳体1上设有凹槽；所述烧蚀基体中壳体3上表面设有安装槽31；

步骤12：在烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在所述凹槽中放置烧蚀敏感组件2；

步骤13：在烧蚀基体中壳体3的上表面及凹槽内涂抹酚醛树脂溶液，将温度敏感组件4镶嵌于所述安装槽31；

步骤14：在放置有烧蚀敏感组件2的烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在烧蚀敏感组件2上方放置镶嵌有温度敏感组件4的烧蚀基体中壳体3；

步骤15：在放置有烧蚀敏感组件2、温度敏感组件4和烧蚀基体中壳体3的烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在温度敏感组件4和烧蚀基体中壳体3上方放置烧蚀基体上壳体5，获得烧蚀基体。

具体的，步骤11中，还需要制作后盖8；烧蚀基体下壳体1、烧蚀基体上壳体5毛坯尺寸外径大于设计尺寸1mm～2mm，其余组件尺寸和设计尺寸一致。

具体的，所述步骤4中，所述粘结液为酚醛树脂溶液，通过灌注粘结液实现各部件的粘连，且与待测烧蚀材料使用的酚醛树脂溶液相同，填充的酚醛树脂溶液和基体的酚醛树脂溶液一样可以使得测量结果更准确。

具体的，所述步骤1中，温度敏感组件4由多个耐高温传感器40组成；耐高温传感器40包括热电偶44、位于热电偶44一端的测量端41、位于热电偶44另一端的接线端45以及包覆测量端41和接线端45之间热电偶44的分区绝缘区。

分区绝缘区的形成方法包括：去除热电偶一端包裹的绝缘层；将去除绝缘层的热电偶的端部正负极焊接为一个节点，得到测量端；将去除绝缘层的部分重新喷涂二氧化锆形成二氧化锆绝缘层和热电偶原有绝缘层形成了分区绝缘区。二氧化锆绝缘层位于所述烧蚀基体内，所述热电偶原有绝缘层至少部分位于所述烧蚀基体外。去除绝缘层的部分的长度小于所述测量端41和所述烧蚀基体端部的距离2-3mm。

具体的，所述步骤5中，所述固化步骤包括：

步骤51：树脂软化，常压、温度60℃～90℃下，软化60min；

步骤52：去除气泡：操作压力小于10Kpa、温度60℃～90℃、时间60min；

步骤53：固化：固化压力小于10Kpa，固化温度110℃～150℃，时间60min；

步骤54：冷却：完成固化工序后缓慢降低温度，提升压力至常压，时间60min，待产品冷却后取出。

具体的，步骤7中，引线9一端连接传感器，另一端为裸露端，可根据引线裸露端暴露的各线的不同颜色区分总线、敏感线、耐高温传感器接线端，从而可以进行区分，分别连接到采集装置不同的模块中。通过上述制造方法，可以制作本发明测量系统的维形烧蚀材料传感器。

本发明的维形烧蚀材料测量系统，能够实现烧蚀量或/和分层温度两种参数的测量，可以同时测量分层温度和烧蚀量。能够准确获得烧蚀材料的烧蚀程度，即“开始烧蚀”、“正在烧蚀”和“完全烧蚀”。本发明通过分区绝缘的方法，在烧蚀基体内部采用耐高温绝缘涂层绝缘，烧蚀基体外部采用聚四氟乙烯绝缘，使得传感器在高温环境中，绝缘性良好，提高了分层温度的测量精度。

实施例1

本实施例拟制造本发明测量系统所用的烧蚀材料传感器，制造方法中所用的酚醛树脂溶液均相同，且与待测烧蚀材料使用的酚醛树脂溶液相同。

通过以下方法制造本发明的烧蚀材料传感器，包括以下步骤：

步骤1：分别制作烧蚀基体下壳体1、烧蚀敏感组件2、烧蚀基体中壳体3、温度敏感组件4、烧蚀基体上壳体5、固定管6、外壳7、后盖8；所述烧蚀基体下壳体1上设有凹槽；所述烧蚀基体中壳体3上表面设有安装槽31；烧蚀基体下壳体1、烧蚀基体上壳体5毛坯尺寸外径大于设计尺寸1mm～2mm，其余组件尺寸和设计尺寸一致。

步骤2：在烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在所述凹槽中放置烧蚀敏感组件2；

步骤3：在烧蚀基体中壳体3的上表面及凹槽内涂抹酚醛树脂溶液，将温度敏感组件4镶嵌于所述安装槽31；

其中，温度敏感组件4的分区绝缘区的制造方法如下：拟设置4个测温点，4个测温点到烧蚀基体端部的长度分别为13.5mm、10.5mm、7.5mm、4.5mm，去除热电偶一端包裹的绝缘层，去除绝缘层的热电偶的长度分别为11.5mm、8.5mm、5.5mm、2.5mm；将去除绝缘层的热电偶的端部正负极焊接为一个节点，得到测量端41；将去除绝缘层的部分重新喷涂二氧化锆形成新的绝缘层，该材质的绝缘层和热电偶原本的聚四氟乙烯绝缘层形成了分区绝缘。

步骤4：在放置有烧蚀敏感组件2的烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在烧蚀敏感组件2上方放置镶嵌有温度敏感组件4的烧蚀基体中壳体3；

步骤5：在放置有烧蚀敏感组件2、温度敏感组件4和烧蚀基体中壳体3的烧蚀基体下壳体1的凹槽中涂抹酚醛树脂溶液，在温度敏感组件4和烧蚀基体中壳体3上方放置烧蚀基体上壳体5，获得烧蚀基体。

步骤6：将烧蚀基体一端与固定管6固定连接，得到固定连接件；

步骤7：在固化工装内涂抹脱模剂，并将步骤2得到的固定连接件置入固化工装并压紧；

步骤8：将固化工装内灌注酚醛树脂粘结液；

步骤9：将工装放入低气压高温试验箱固化、脱模；固化过程包括：

树脂软化，常压、温度75℃下，软化60min；

去除气泡：操作压力8Kpa、温度75℃、时间60min；

固化：固化压力8Kpa，固化温度130℃，时间60min；

冷却：完成固化工序后缓慢降低温度，提升压力至常压，时间60min，待产品冷却后取出。

步骤10：进行烧蚀敏感组件2中的总线22和敏感线23与焊盘25的焊接；

步骤11：将温度敏感组件4和烧蚀敏感组件2的一端穿过外壳7并形成引线9，在外壳7内部灌封灌封胶，通过固定管6将外壳7和烧蚀基

本实施例制得的传感器如图11b所示。

实施例2

通过本发明的烧蚀材料测量系统对待测部件的烧蚀程度和分层温度进行测量。本实施例为地面试验。

通过本发明的测量系统对待测部件的烧蚀程度和分层温度进行测量。本实施例为地面试验。

步骤1：在待测部件防热层打15mm安装孔，在烧蚀材料传感器表面间隔距离设置10个烧蚀量测量点，4个分层温度测量点，如表2所示。

步骤2：将本发明烧蚀材料传感器敏感部分(烧蚀基体下壳体、烧蚀敏感组件、烧蚀基体中壳体、温度敏感组件、烧蚀基体上壳体、固定管)通过安装孔装入待测部件的防热层；

步骤3：将传感器的外壳7上的安装法兰与舱体金属结构固定。

步骤4：将引线直接与外部采集装置连接。将传感器烧蚀敏感组件的总线22和敏感线23分别连接到变压模块和AD电压采集模块上，将耐高温传感器接线端45连接到温度采集模块，各模块通过485通信与上位机连接，通道接线表见表1。

测量电压U根据现场条件使用5V直流供电。

步骤5：通过采集装置输出的信号获取待测部件防热层的烧蚀量和分层温度信息。试验开始，传感器测点均未烧蚀时，所有测点显示电压为0V，当某测点开始烧蚀时测点电压由0V开始上升，测点电压值越大代表烧蚀越完全，当测点电压为5V时说明该测点位置完全烧蚀。

本实施例烧蚀量测量点和分层温度测量点设置情况表见表2，本实施例的烧蚀量和分层温度测量数据见表3。

表2实施例烧蚀量测量点和分层温度测量点设置情况表

表3实施例烧蚀量和分层温度测量数据

从表3中可以看出，应用本发明的维形烧蚀材料测量系统，可以同时测量烧蚀量和分层温度，可以根据烧蚀量测点电压值，准确判断烧蚀材料的烧蚀程度，即“开始烧蚀”、“正在烧蚀”、“完全烧蚀”。

对比例

使用普通绝缘层热电偶和本发明采用分区绝缘的热电偶分别制作传感器作为被测传感器，使用直径0.5mm铠装热电偶(目前市面上最细的铠装热电偶)制作标准传感器。标准传感器只保留分层温度功能，仅用于分层温度测量精度对比。

将标准传感器与被测传感器(普通绝缘层传感器/本发明测量系统所用传感器)分别安置在辐射加热板两侧距离加热板位置相同，热电偶接线端连接采集装置的温度采集模块，如图8所示。低压舱抽负压2Kpa左右或通入保护气体(有氧环境烧蚀材料高温会氧化)。加热电极通电加热，记录两种传感器温度数据。三种传感器测量分层温度的数据如表4所示：

表4三种传感器测量分层温度数据

从表4中可以看出，本发明测量系统中传感器测温点测量温度和标准铠装传感器保持一致，测量精度高。普通绝缘层制作的传感器，热电偶丝绝缘层高温碳化导致传感器内部出现短路位置，温度测量出现偏差，无法准确测量温度，显示的温度介于测温点温度与短路位置温度间。

综上所述，本发明的测量系统可以同时测量烧蚀量和分层温度；可以根据烧蚀量测点电压值，准确判断烧蚀材料的烧蚀程度，即“开始烧蚀”、“正在烧蚀”和“完全烧蚀”；通过分区绝缘的方法，在烧蚀基体内部采用耐高温绝缘涂层绝缘，烧蚀基体外部采用聚四氟乙烯绝缘，使得传感器在高温环境中，绝缘性良好，分层温度测量和标准铠装传感器测量一致，分层温度测量精度高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。