爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫測(cè)試的實(shí)驗(yàn)研究＊

張?jiān)泼?，劉慶明，李 磊，汪建平

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防工程系，河北 廊坊065000）

近年來(lái)，隨著溫壓武器和云爆武器的快速發(fā)展，急需解決爆炸場(chǎng)熱效應(yīng)的測(cè)量和評(píng)估問(wèn)題。爆炸場(chǎng)溫度作用時(shí)間短、變化劇烈、峰值高，測(cè)試環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，技術(shù)難度大，傳統(tǒng)測(cè)溫方法無(wú)法滿(mǎn)足需求。盡管目前出現(xiàn)了很多快速響應(yīng)和較高測(cè)試范圍的溫度傳感器，但是面對(duì)爆炸場(chǎng)的特殊環(huán)境，一般儀器的響應(yīng)速度、測(cè)試精度和高溫量程均達(dá)不到要求，有些復(fù)雜技術(shù)又因成本過(guò)高無(wú)法在工程上應(yīng)用。

非接觸式測(cè)溫技術(shù)主要有輻射法和光譜法［1－2］，其中輻射法應(yīng)用和發(fā)展最廣泛。對(duì)于爆炸場(chǎng)的特殊環(huán)境而言，紅外比色測(cè)溫技術(shù)能夠較好的消除被測(cè)目標(biāo)發(fā)射率估計(jì)和光路衰減等造成的誤差，在準(zhǔn)確性和便利性上都具有明顯優(yōu)勢(shì)。比色測(cè)溫技術(shù)從N.R.Campbll［3］應(yīng)用以來(lái)已經(jīng)發(fā)展了90多年，測(cè)溫范圍、精確度和響應(yīng)速度都有了很大提高［4－8］。將比色法應(yīng)用于爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量的案例較少，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，測(cè)溫儀的工作特性還有待研究，高溫量程還有待擴(kuò)展，測(cè)試精度和響應(yīng)速度還有待驗(yàn)證。

本文中從輻射測(cè)溫原理出發(fā)，建立紅外比色測(cè)溫系統(tǒng)，分析比色測(cè)溫的技術(shù)特點(diǎn)、影響因素和標(biāo)定方法，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定比色測(cè)溫儀的工作參數(shù)，確定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀和超限測(cè)溫儀的溫度計(jì)算曲線，校驗(yàn)比色測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間，最后將比色測(cè)溫儀應(yīng)用于爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試，為爆炸反應(yīng)過(guò)程診斷和爆炸場(chǎng)溫度毀傷效應(yīng)評(píng)估提供依據(jù)。

1 爆炸場(chǎng)比色測(cè)溫技術(shù)

實(shí)際物體通過(guò)熱輻射的方式不斷的向周?chē)臻g輻射能量，輻射強(qiáng)度取決于溫度，溫度越高輻射能量越大，利用物體輻射能量與溫度的關(guān)系可以獲得物體的溫度信息［9］。

實(shí)際物體的輻射出射度表達(dá)式為：

式中：ε（λ）為光譜發(fā)射率，λ輻射為波長(zhǎng)，T為物體溫度，θ是與物體發(fā)射表面法相所成的角度，c1為第一輻射常量，取值0.595 521×10－16W·m2，c2為第二輻射常量，取值1.438 775×10－2m·K。

由式（1）可知利用輻射測(cè)溫原理測(cè)溫，除獲取輻射能量外，還需要知道測(cè)試波長(zhǎng)、被測(cè)物發(fā)射率、測(cè)試角度等參數(shù)。高溫測(cè)試技術(shù)主要是在解決上述參數(shù)確定問(wèn)題，如全波段測(cè)溫技術(shù)、單色測(cè)溫技術(shù)、比色測(cè)溫技術(shù)、多波段光譜測(cè)溫技術(shù)等。全波段測(cè)溫技術(shù)需要儀器對(duì)全波長(zhǎng)都有響應(yīng)，因此限制了儀器的發(fā)展和使用，目前的輻射測(cè)溫技術(shù)主要采用波段測(cè)量。單色測(cè)溫技術(shù)需要嚴(yán)重依賴(lài)被測(cè)物體光譜發(fā)射率參數(shù)，而對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的爆炸溫度測(cè)量，準(zhǔn)確估計(jì)爆炸產(chǎn)物發(fā)射率幾乎不可能。比色測(cè)溫技術(shù)和多波段測(cè)溫技術(shù)在基本原理上屬于單色輻射測(cè)溫技術(shù)的組合，利用2個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)對(duì)同一物體溫度進(jìn)行測(cè)量，克服了對(duì)被測(cè)物體發(fā)射率的依賴(lài)，適合爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫測(cè)試。由于多波段光譜測(cè)試技術(shù)對(duì)設(shè)備要求高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，P.B.Coats等［10－12］研究認(rèn)為多波長(zhǎng)高溫計(jì)的結(jié)果并不優(yōu)于比色測(cè)溫儀，而測(cè)量成本要高很多，因此，紅外比色測(cè)溫技術(shù)成為爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫測(cè)試的首選。

比色測(cè)溫技術(shù)的實(shí)質(zhì)是比較不同波長(zhǎng)對(duì)同一溫度下的物體的輻射能，通過(guò)輻射能的比值獲取被測(cè)目標(biāo)溫度。假設(shè)測(cè)試波長(zhǎng)分別為λ1和λ2，被測(cè)目標(biāo)瞬時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的輻射出射度比值為：

式中：λ1、λ2分別代表不同波長(zhǎng)，R為不同波長(zhǎng)輻射出射度的比值。

比色測(cè)溫法是非接觸式測(cè)量，爆炸環(huán)境下光路容易受到爆炸產(chǎn)物和周?chē)h(huán)境的影響，爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。比色測(cè)溫技術(shù)通過(guò)采用合成雙色光敏元件等方法，統(tǒng)一了雙通道的測(cè)試角度、測(cè)試距離和光路環(huán)境等測(cè)試參數(shù)，保證測(cè)試光通道視場(chǎng)條件相同，再通過(guò)雙通道輸出值來(lái)確定爆炸場(chǎng)溫度，可以有效消除測(cè)試角度、光路輻射衰減等因素引起的誤差。因此式（2）中的測(cè)試角度項(xiàng)可以忽略，比色測(cè)試結(jié)果同時(shí)排除了測(cè)試位置和測(cè)試光通道內(nèi)等環(huán)境因素引起的誤差，獲得視場(chǎng)光通道上的最高溫度。

圖1 爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic of temperature measurement system for explosive field

在某一溫度下實(shí)際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化是不規(guī)則的，但是當(dāng)實(shí)際物體表面在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，工程上一般用灰體近似代替，這是所有輻射測(cè)溫技術(shù)的基本假設(shè)。實(shí)際物體按照灰體處理，其發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化或變化趨勢(shì)與黑體相似。依據(jù)被測(cè)物質(zhì)的熱輻射特性，通過(guò)合理地選取測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)相近的工作波長(zhǎng)就可以減少或消除由于待測(cè)物質(zhì)發(fā)射率未知或變化而產(chǎn)生的測(cè)溫誤差。比色測(cè)溫法屬于非發(fā)射率法測(cè)溫，基于灰體假設(shè)后，式（2）中的發(fā)射率項(xiàng)也可以忽略。避免或減輕因發(fā)射率選取或變化引起的測(cè)量誤差是比色測(cè)溫法的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

輻射熱測(cè)溫通過(guò)非電量電測(cè)技術(shù)將輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行采集和處理，光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。感光電路由光敏元件、電源、電容和電阻構(gòu)成，利用光電效應(yīng)將輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。考慮到爆炸場(chǎng)光路干擾和光電轉(zhuǎn)換電路損失等不確定性因素，引進(jìn)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)kλ并對(duì)式（2）進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得：

式中：RU為雙通道輻射能轉(zhuǎn)換的電壓比值，Uλ為單通道輻射能轉(zhuǎn)換的電壓值，kλ為儀器輸出的電信號(hào)與其接收到的輻射能量間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，以λ1和λ2為下腳標(biāo)的參數(shù)代表與波長(zhǎng)λ1、λ2對(duì)應(yīng)的物理量。

比色測(cè)溫系統(tǒng)中的光敏元件本身客觀存在一定的吸收波段帶寬，精確測(cè)試瞬態(tài)高溫必須考慮測(cè)溫儀的帶寬影響，探測(cè)器接收到的輻射能量應(yīng)按波段積分計(jì)算?？紤]帶寬和零點(diǎn)電壓干擾信號(hào)的影響后，

圖2 感光電路示意圖Fig.2 Schematic of the photosensitive circuit

系統(tǒng)溫度對(duì)應(yīng)的電壓比值為：

式中：λ（a）和λ（b）為特定波段的上下限，U（0）λ為光電轉(zhuǎn)換電路的零點(diǎn)電壓值，參數(shù)直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

式（4）為比色測(cè)溫基本關(guān)系式，可知T與RT成單值函數(shù)關(guān)系，由測(cè)量值RT可以唯一確定被測(cè)物體溫度T。

2 測(cè)溫量程擴(kuò)展

比色測(cè)溫系統(tǒng)的最高溫度范圍主要集中在2 500℃左右，而爆炸場(chǎng)溫度，尤其是溫壓藥爆炸和云爆劑爆炸，溫度往往超過(guò)此溫度限制，為了適應(yīng)爆炸場(chǎng)的高溫測(cè)量需求，需要擴(kuò)展比色測(cè)溫儀的高溫量程。

比色測(cè)溫儀的理論測(cè)溫區(qū)間是指比色測(cè)溫靈敏度具有可測(cè)的最低分辨率時(shí)的響應(yīng)溫度區(qū)間，與感光元件接受波長(zhǎng)λ和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)kλ直接相關(guān)。Planck輻射定律明確了黑體輻射強(qiáng)度與溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，比色測(cè)溫采用雙波長(zhǎng)比值測(cè)溫，波長(zhǎng)的選擇直接關(guān)系到探測(cè)器比值靈敏度和測(cè)溫量程。根據(jù)吳海濱等［13］的研究，比色法的雙波長(zhǎng)必須是所測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的譜線，比色波長(zhǎng)與比色靈敏度相互匹配，而且還應(yīng)考慮靈敏度、信噪比和非對(duì)稱(chēng)分子結(jié)構(gòu)氣體對(duì)紅外輻射的吸收作用。一定波長(zhǎng)下物體輻射能隨溫度的上升急劇增大，感光電路的輸出信號(hào)隨溫度變化非常劇烈，因此kλ的選擇應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，kλ過(guò)大高溫時(shí)電流會(huì)超出量程上限，kλ過(guò)小低溫時(shí)電流分辨率太低，信噪比太小。因此比色測(cè)溫儀在使用前需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定有效測(cè)溫量程。

由于波長(zhǎng)受儀器光敏元件的約束，變化很小，所以對(duì)特定設(shè)備測(cè)溫范圍的影響小。而光電轉(zhuǎn)換系數(shù)kλ的選取直接影響設(shè)備的有效測(cè)溫量程，因此擴(kuò)展高溫測(cè)試范圍，可以在響應(yīng)溫度區(qū)間范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整測(cè)試光路和感光電路，減小高溫輻射能量進(jìn)入測(cè)溫儀的比例，將輸出電壓值調(diào)節(jié)至合理范圍內(nèi)，避免因電路飽和引起的高溫信號(hào)分辨率降低。當(dāng)然擴(kuò)展高溫測(cè)溫范圍不可避免的會(huì)造成低溫靈敏度降低，縮小低溫量程。具體改進(jìn)方法包括在光通道上增加濾光片減小光探測(cè)器帶寬，調(diào)節(jié)感光電路負(fù)載和設(shè)置衰減電路。改進(jìn)后的超限測(cè)溫儀工作參數(shù)、測(cè)溫量程和精度需要實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和考核。

3 比色測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

根據(jù)比色測(cè)溫技術(shù)特點(diǎn)和爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量的特殊要求，需對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器和系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行確定，分析儀器的特性和確定量程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。對(duì)于爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫測(cè)試系統(tǒng)而言，測(cè)溫精確度和瞬態(tài)特性均需要實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，測(cè)溫系統(tǒng)精確性主要是根據(jù)溫度量程和誤差進(jìn)行判斷，瞬態(tài)響應(yīng)特性主要根據(jù)響應(yīng)速度來(lái)判定。

3.1 測(cè)溫精度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

對(duì)于溫度標(biāo)定，人工黑體輻射源是最佳選擇，通過(guò)黑體爐的穩(wěn)定狀態(tài)溫度場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)精確溫度校核。本實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和北京理工大學(xué)的2臺(tái)腔式黑體爐進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)定Si、Ge雙通道比色測(cè)溫儀，標(biāo)定的參數(shù)包括通道各自波段上下限λ（a）、λ（b）和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)kλ，然后計(jì)算雙通道信號(hào)比值RT與溫度T的關(guān)系，并確定被標(biāo)定系統(tǒng)的測(cè)溫范圍。Si、Ge雙通道的工作參數(shù)需分別運(yùn)算獲得，對(duì)于單個(gè)通道而言，參數(shù)標(biāo)定只需實(shí)驗(yàn)給定3組黑體溫度及對(duì)應(yīng)通道的電壓值，再根據(jù)式（4）建立方程。為了求解包含積分形式的非線性方程，利用Matlab軟件，以Gauss積分公式求定積分，采用梯度法求解非線性方程組［14］。

溫度標(biāo)定試驗(yàn)以200℃為間距，分別測(cè)試黑體爐1 000～3 000℃溫度范圍的11組數(shù)據(jù)。參數(shù)標(biāo)定與計(jì)算只需任選3組溫度及電壓數(shù)據(jù)，其余測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)用以校核測(cè)試結(jié)果的精確性，經(jīng)過(guò)多組數(shù)據(jù)的對(duì)比試算，確定了間隔均勻且兼顧高低溫的原則選取標(biāo)定溫度數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀的標(biāo)定溫度為：1 400、2 000和2 600℃，超限測(cè)溫儀的標(biāo)定溫度為：1 600、2 200和2 800℃，其他參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表中：λ（c）為中心波長(zhǎng)，λB為波段帶寬。

表1 測(cè)溫儀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 1 Calibrated results of colorimetric pyrometers

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，2組測(cè)溫儀波長(zhǎng)均處于理論帶寬范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀中心波長(zhǎng)實(shí)算結(jié)果與該儀器雙通道的理論設(shè)計(jì)波長(zhǎng)（0.957μm，1.474μm）接近，其中Si通道在2組實(shí)驗(yàn)中的中心波長(zhǎng)和帶寬相對(duì)穩(wěn)定，Ge通道帶寬和波長(zhǎng)明顯減小。根據(jù)Wien位移定律，隨著溫度升高最大單色輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)逐漸向短波方向移動(dòng)，溫度在2 000～3 500K的火焰或爆轟產(chǎn)物，最大吸收波長(zhǎng)應(yīng)位于0.83～1.45μm近紅外區(qū)域內(nèi)。由于超限測(cè)溫儀的目的就是獲得更高溫度范圍內(nèi)的測(cè)量值，擴(kuò)展高溫測(cè)量范圍，波長(zhǎng)就會(huì)向著短波方向移動(dòng)，維持儀器的最佳工作狀態(tài)，而且波長(zhǎng)越長(zhǎng)，影響越大，因此Ge通道內(nèi)的中心波長(zhǎng)和波段寬度出現(xiàn)明顯減小。另一方面從技術(shù)改造上來(lái)講，超限測(cè)溫儀改造方法包括減小探測(cè)器帶寬，從而減小高溫?zé)彷椛淠茌椚肓?，由測(cè)溫儀標(biāo)定結(jié)果可見(jiàn)超限測(cè)溫儀改造的效果良好。

測(cè)溫儀的工作參數(shù)標(biāo)定后，由式（4）可得3點(diǎn)標(biāo)定法確定的T－RT關(guān)系曲線，圖3所示為按照3測(cè)點(diǎn)標(biāo)定方法獲得的測(cè)點(diǎn)溫度和標(biāo)定曲線。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀和超限測(cè)溫儀標(biāo)定及校核結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of calibrated results between standard and transfinite pyrometers

由圖3中可知，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀在900～2 600℃量程范圍內(nèi)標(biāo)定曲線與校核測(cè)點(diǎn)的符合度很好，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度接近或超過(guò)2 800℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度與計(jì)算溫度曲線出現(xiàn)明顯偏離。超限測(cè)溫儀有效突破了2 600℃的溫度限制，而且標(biāo)定溫度曲線與3 000℃測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)符合度極高。中國(guó)計(jì)量科學(xué)院使用的黑體爐溫度上限為3 000℃，超過(guò)3 000℃后溫度無(wú)法標(biāo)定。

為了確定超限測(cè)溫儀的測(cè)溫量程，我們對(duì)比了測(cè)溫儀的標(biāo)定誤差和誤差趨勢(shì)線，如圖4所示。圖4中標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀的誤差向1 000℃以下進(jìn)行了外推，由圖可知測(cè)溫儀在900～2 600℃量程內(nèi)的標(biāo)定誤差均不超過(guò)1%。根據(jù)相似性原理，以1%誤差為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)超限測(cè)溫儀標(biāo)定誤差高溫段進(jìn)行趨勢(shì)外推，可得改造后的超限測(cè)溫儀最高測(cè)試溫度可達(dá)3 500℃。測(cè)溫儀誤差趨勢(shì)線及其外推區(qū)域與1%的誤差標(biāo)準(zhǔn)線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度相吻合，從而證明超限測(cè)溫儀3 500℃的溫度上限的可靠性，因此將超限測(cè)溫儀的測(cè)溫量程標(biāo)定為1 200～3 500℃。

圖4 標(biāo)定溫度誤差和誤差趨勢(shì)線Fig.4 Errors of calibrated temperature and trend line

分析3點(diǎn)標(biāo)定線與校核測(cè)點(diǎn)的誤差結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)溫儀改造前后在1 200～2 500℃區(qū)間的測(cè)溫精確度都很高，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀低溫測(cè)試區(qū)域可以延伸至900℃，超限測(cè)溫儀高溫測(cè)試范圍得到有效擴(kuò)展，但低溫測(cè)試范圍縮小。其原因是在于溫度升高物體的輻射能量明顯增強(qiáng)，在高溫測(cè)試中當(dāng)溫度接近測(cè)試系統(tǒng)的高溫極限時(shí)，感光電路中的電流趨于飽和，無(wú)法有效分辨出輻射能量的快速增長(zhǎng)；另一方面，通道的感光元件都存在最小分辨能量的限制，當(dāng)溫度低于測(cè)試系統(tǒng)溫度下限時(shí)，儀器的信噪比就會(huì)降低，誤差增大。超限測(cè)溫儀與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀相比，高溫測(cè)試上限得到擴(kuò)展，但低溫測(cè)試下限收縮。因此，固定波長(zhǎng)比色測(cè)溫儀使用時(shí)都需要明確給定設(shè)計(jì)量程，測(cè)溫儀的標(biāo)定溫度應(yīng)該與測(cè)試對(duì)象溫度區(qū)間匹配。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)和超限測(cè)溫儀測(cè)到的T－RT擬合曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of T－RTfitted curves between standard and transfinite pyrometers

通過(guò)3個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)定并計(jì)算出的T－RT關(guān)系曲線未能利用全部的有效標(biāo)定點(diǎn)，確定測(cè)溫儀的量程后，為了提高多點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以通過(guò)選擇溫度量程范圍內(nèi)的多點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果擬合出更能反應(yīng)真實(shí)測(cè)量結(jié)果的T－RT關(guān)系曲線，從而提高測(cè)試數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。圖5所示為多測(cè)點(diǎn)比色測(cè)溫儀T－RT關(guān)系曲線擬合結(jié)果，通過(guò)該關(guān)系式可以方便的根據(jù)輸出電壓比值計(jì)算被測(cè)目標(biāo)溫度。擬合得到的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀T－RT關(guān)系曲線為：RT關(guān)系曲線為：

3.2 響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

響應(yīng)速度是衡量測(cè)溫設(shè)備動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)，通常用達(dá)到特定溫度所需要的響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示。爆炸場(chǎng)的溫度變化和運(yùn)動(dòng)速度都很快，為滿(mǎn)足瞬態(tài)測(cè)試需求，針對(duì)爆炸場(chǎng)的測(cè)溫儀需要選用快速響測(cè)溫儀。比色測(cè)溫儀的響應(yīng)速度與光敏元件、光電轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采樣率和記錄速度有關(guān)，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。

對(duì)測(cè)溫儀響應(yīng)速度的標(biāo)定，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的方法，相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極少。考慮到爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫的相似性和測(cè)溫響應(yīng)速度標(biāo)定可行性要求，通過(guò)電容儲(chǔ)能式高能電火花在空氣中放電形成的爆炸場(chǎng)來(lái)標(biāo)定比色測(cè)溫儀的響應(yīng)速度。電火花放電持續(xù)時(shí)間一般為微秒級(jí)，放電完畢溫度即可達(dá)到最大值，溫度變化速度極快，放電時(shí)間則可以通過(guò)電極間的電壓信號(hào)或電流信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。當(dāng)電火花電源儲(chǔ)能達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，電火花放電瞬間電極間會(huì)形成強(qiáng)烈的爆炸場(chǎng)。利用高能電火花放電形成的溫度場(chǎng)和準(zhǔn)確的峰值溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，可以標(biāo)定測(cè)溫儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。本實(shí)驗(yàn)中電火花電源為10J量級(jí)，通過(guò)針狀鎢電極放電，采用PEARSON公司110A型電流計(jì)檢測(cè)電流，電流信號(hào)采樣率為1GHz，通過(guò)多次試驗(yàn)選擇放電時(shí)間短的數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定測(cè)溫儀響應(yīng)速度。

圖6 電火花放電過(guò)程中測(cè)溫儀電壓信號(hào)響應(yīng)曲線Fig.6 Response curves of voltage signals during electric spark discharge process

圖6所示為放電持續(xù)時(shí)間為10μs的超限比色測(cè)溫儀雙通道電壓信號(hào)和比值響應(yīng)曲線。從圖6的電壓信號(hào)曲線可知，雙通道的電壓峰值信號(hào)出現(xiàn)在10μs附近，電壓比值RT峰值也同時(shí)出現(xiàn)，通過(guò)T－RT曲線可計(jì)算電火花的最高溫度，因此，可以判斷超限測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)10μs。改進(jìn)前的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀理論響應(yīng)時(shí)間為2μs，由于受標(biāo)定條件的限制，目前標(biāo)定的測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間為10μs，隨標(biāo)定實(shí)驗(yàn)水平的提高響應(yīng)時(shí)間可能進(jìn)一步提升。對(duì)于炸藥爆炸場(chǎng)測(cè)溫，10μs的響應(yīng)速度完全可以滿(mǎn)足瞬態(tài)測(cè)試需求。

4 比色測(cè)溫儀在爆炸場(chǎng)中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證比色測(cè)溫儀爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫測(cè)試效果，采用超限比色測(cè)溫儀系統(tǒng)，分別對(duì)開(kāi)放環(huán)境下的TNT柱狀炸藥和云爆劑（FAE）爆炸場(chǎng)進(jìn)行了溫度測(cè)試。測(cè)試時(shí)TNT藥柱放置于開(kāi)闊地面，測(cè)試儀距藥柱20m，測(cè)點(diǎn)為爆炸中心，采用測(cè)溫儀測(cè)量光路視場(chǎng)中所有物質(zhì)的最高輻射溫度。圖7所示為50g TNT藥柱爆炸時(shí)，超限測(cè)溫儀雙通道輸出電壓的信號(hào)響應(yīng)曲線。通過(guò)圖7中輸出結(jié)果的運(yùn)算，可得不同波長(zhǎng)的輸出電壓比值隨溫度的變化規(guī)律，再由圖5及其擬合公式即可將電壓比值轉(zhuǎn)化為T(mén)NT爆炸溫度對(duì)時(shí)間響應(yīng)曲線，如圖8所示。測(cè)試6kg云爆劑時(shí)，柱狀裝藥距地面1.5m，引爆藥距離爆心2m，燃料為液態(tài)碳?xì)浠衔铩X粉、高能炸藥和敏化劑。測(cè)溫儀距彈心100m，測(cè)點(diǎn)距爆心2m。

圖7 爆炸場(chǎng)中測(cè)溫儀輸出電壓響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of twin channel voltage signals in TNT explosive field

圖8 爆炸場(chǎng)溫度響應(yīng)曲線Fig.8 Temperature response curve of colorimetric pyrometer in explosive field

由圖8可知，TNT爆炸升溫速度快，峰值溫度達(dá)到3 300℃，爆溫測(cè)量結(jié)果與崔文麗等［15］的多通道比色測(cè)溫結(jié)果基本吻合。FAE爆炸時(shí)，峰值溫度為3 472℃，高于TNT爆心溫度且高溫段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。爆炸場(chǎng)溫度響應(yīng)曲線說(shuō)明云爆炸藥熱毀傷效果好于凝聚相炸藥TNT，測(cè)試結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了比色測(cè)溫系統(tǒng)在爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)特性和精確性。

5 結(jié) 論

從輻射熱測(cè)溫基本原理出發(fā)，建立紅外比色測(cè)溫系統(tǒng)，分析比色測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)和影響因素，闡述了比色測(cè)溫儀的標(biāo)定方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫系統(tǒng)和超限測(cè)溫系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用與爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫的測(cè)量，具體結(jié)論如下：

（1）理論和實(shí)驗(yàn)分析表明紅外比色測(cè)溫系統(tǒng)能夠很好的避免爆炸產(chǎn)物發(fā)射率估計(jì)誤差和復(fù)雜爆炸測(cè)試環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)爆炸場(chǎng)環(huán)境的瞬態(tài)高溫測(cè)試。

（2）分析了比色測(cè)溫系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)和波長(zhǎng)帶寬對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并通過(guò)黑體爐，利用3點(diǎn)標(biāo)定法，計(jì)算確定了標(biāo)準(zhǔn)比色測(cè)溫儀和超限測(cè)溫儀的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)、吸收波長(zhǎng)帶寬等工作參數(shù)。結(jié)果表明測(cè)溫儀的標(biāo)定溫度應(yīng)該與測(cè)試對(duì)象溫度區(qū)間匹配，選定波長(zhǎng)比色測(cè)溫儀都需要明確給定設(shè)計(jì)量程。

（3）利用大能量電火花放電產(chǎn)生的爆炸場(chǎng)對(duì)測(cè)溫儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明比色測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間不大于10μs，滿(mǎn)足爆炸場(chǎng)溫度瞬態(tài)測(cè)試要求。

（4）分析了Si／Ge雙通道比色測(cè)溫波長(zhǎng)帶寬和感光電路與溫度量程范圍之間的關(guān)系，通過(guò)技術(shù)改造，將比色測(cè)溫系統(tǒng)的高溫測(cè)試范圍擴(kuò)展至3 500℃，并通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定了標(biāo)準(zhǔn)比色測(cè)溫儀和超限測(cè)溫儀的測(cè)溫范圍和T－RT關(guān)系曲線。

（5）利用超限測(cè)溫儀對(duì)TNT藥柱和云爆劑爆炸場(chǎng)瞬態(tài)溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明云爆劑較凝聚相炸藥爆炸峰值溫度高，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，毀傷效果好，測(cè)試結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了比色測(cè)溫儀在爆炸場(chǎng)測(cè)試中的可行性。

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