本发明公开了一种多层复合热防护结构的热匹配性能测量装置。该测量装置具有设置在基础工作台上的支撑工装，支撑工装上设置有隔热底板，待测多层复合热防护结构的承力层内套和防热隔热层外套底部平齐地贴合安装在隔热底板上，承力层内套上端连接有承力层测试拉线，防热隔热层外套的上端对应各复合材料层分别连接有防热隔热层测试拉线；承力层内套顶部开口处设置有用于封闭其内腔的隔热盖板，防热隔热层外套外周环绕套装有试验加热装置，试验加热装置的下端座落在基础工作台上。运用该测量装置可以在给定的加热条件下准确测量筒状的多层复合热防护结构各层结构之间的相对位移变化情况，为热防护结构设计提供依据。