基于比色測溫的爆炸火球內(nèi)窺式溫度測量技術(shù)

摘 要 為了測量爆炸場火球內(nèi)部溫度的動態(tài)變化，設計了一種基于比色測溫的內(nèi)窺式溫度測量系統(tǒng)。通過搭建機械準直光學系統(tǒng)，精確采集火球內(nèi)部確定位置的光譜輻射能量。結(jié)合輻射光譜強度曲線，通過分析探測器波長靈敏度與輻射光譜強度的關(guān)系，選取多組雙波段進行仿真，最后選擇810 nm與940 nm波段的曲線。爆炸過程迅速，輻射能量急劇增大，為了保證測量系統(tǒng)信號不飽和，借助動態(tài)增益模塊實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的溫度測量。測溫系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行溫度解算與標定結(jié)果相比，相對誤差小于5%，室外實驗測量爆炸火球溫度范圍為1 500～2 700 ℃，為研究瞬態(tài)爆炸火球內(nèi)部溫度規(guī)律提供了一種新型的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞 比色測溫 爆炸溫度場 爆炸火球 瞬態(tài)高溫

中圖分類號 TH811.1"" 文獻標志碼 A"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0026 06

溫度測量技術(shù)在國防、軍事、科研以及工業(yè)領域扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在軍事領域，依靠高溫對敵人造成毀滅性打擊是許多炸彈的主要功能之一。因此，對爆炸產(chǎn)生的溫度場進行精確測量，不僅能夠評估炸彈的熱毀傷性能，還能夠揭示其能量釋放的規(guī)律，這對于炸藥、粉塵和氣體的爆炸溫度測量研究具有極其重要的意義［1～3］。

目前測量瞬態(tài)爆轟溫度的方法主要有接觸式與非接觸式兩種測量方法。在接觸式測溫方式的研究中，2021年麥吉爾大學聯(lián)合英國皇家軍事學院化學與化工工程系利用熱電偶對金屬化炸藥爆炸火球進行溫度測量，測量得出爆炸火球中的氣體與燃燒粒子的溫度分別高達1 800 K和

2 700 K［4］。德黑蘭大學的科研人員研究了一種接觸式光纖探頭，測量了Detasheet C炸藥爆炸火球內(nèi)部的溫度［5］。然而，采用接觸式測溫時，需要與被測物體接觸，爆炸火球溫度快速升高，熱電偶與光纖探頭等測溫方式響應速度慢，測量準確度較差，惡劣環(huán)境易對測量設備造成損壞，不能滿足瞬態(tài)高溫的測量要求。相較于接觸式測溫方法，非接觸式測溫方法以其獨特的優(yōu)勢，有效克服了接觸式方法的局限性。比色測溫法以其高精度、對發(fā)射率影響的低敏感性、強大的抗環(huán)境干擾能力以及較快的響應速度脫穎而出。這種方法顯著降低了火藥燃燒產(chǎn)物對測量結(jié)果的潛在干擾，尤其在惡劣測試環(huán)境下展現(xiàn)出了較強的有效性［6，7］。LEWIS W K和RUMCHIK C G利用原子光譜法測得RDX爆炸火球溫度，通過發(fā)射光譜測得火球表面溫度為3 000 K［8］。ADUEV B P等利用光譜測溫法描述了含有鐵納米顆粒的PETN炸藥爆炸的熱性質(zhì)，測得爆炸溫度為3 300～3 500 K［9］。WANG L Y等提出一種紅外熱成像測溫的補償方法，并對紅外熱像儀測量爆炸火球溫度進行了補償和校正［10］。

針對上述爆炸場瞬態(tài)測溫存在的問題，筆者設計了一種基于比色測溫的低功耗爆炸場火球溫度測量系統(tǒng)，運用比色測溫法，給出了最優(yōu)波段的選取方法，同時給出實際過程中的標定和誤差分析，實現(xiàn)對爆炸場火球溫度的測量，對武器工作性能評估與升級具有重要意義。

1 比色測溫原理

輻射測溫定律是黑體的光譜輻射強度分布，由普朗克定律給出，即：

M′（λ，T）=（1）

式中 C——第一輻射常數(shù)，3.741832×10-16W·m2；

C——第二輻射常數(shù)，1.438786×10-2m·K；

M′——單一方向黑體的光譜輻射出射度，W·m-2·m-1；

T——物體溫度，K；

λ——單一固定波長，μm；

ε（λ）——單一波長發(fā)射率。

根據(jù)普朗克定律，在不同波長λ和λ下對同一溫度T進行測量，通過光電傳感器將輻射轉(zhuǎn)換為電壓信號U和U，測量結(jié)果之比R隨著溫度的變化關(guān)系為：

R===（2）

當溫度較高時可用維恩公式替代普朗克公式，在兩個波長λ和λ下，同時測量由同一物體相同位置發(fā)射出的光譜輻射出射度M′和M′，根據(jù)兩者的比值可推導出該位置的溫度，公式為：

T=（3）

然而對于實際物體需要考慮其發(fā)射率ε（λ）。當λ和λ接近時，ε（λ）/ε（λ）約為1，則式（3）可簡化為：

T=（4）

根據(jù)能量隨溫度變化的非線性關(guān)系可以確定：隨著溫度升高，輻射強度不斷增大，在輻射強度達到最大值時，R值也到達最大值，即為視場光路的最高溫度，因此可以使用比色測溫來進行爆炸瞬態(tài)高溫的測量。

2 系統(tǒng)總體方案設計

2.1 實驗系統(tǒng)構(gòu)建

測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由光電探測器模塊、信號采集存儲與控制模塊、準直器、固定支架及計算機等各部分組成。

在構(gòu)建溫度測量系統(tǒng)時，確保采集裝置精確捕捉來自特定區(qū)域的輻射能量至關(guān)重要。為此，本研究在采集系統(tǒng)中集成了一個黑腔，用以屏蔽遠距離輻射對目標區(qū)域的干擾。黑腔與采集設備之間的距離設定為1 m，這一距離既保證了在爆炸物噴撒過程中能夠覆蓋光取樣窗口，也有效減少了外部輻射對采集區(qū)域的影響。為了進一步提升采集精度，將探測器置于準直器內(nèi)，通過準直器的引導，確保輻射能量僅來源于預定的特定位置。準直器由前后兩部分組成，通光孔徑為

10 mm，兩者之間設有4 cm的間隔，用以安裝防護玻璃。這種設計不僅確保了采集設備在爆炸沖擊下的安全，也為設備的穩(wěn)定性提供了保障?？紤]到爆炸環(huán)境的多變性和炸藥種類的多樣性，在探測器與防護玻璃之間引入了可調(diào)節(jié)的取樣光圈。通過改變墊片的孔徑，能夠調(diào)節(jié)探測器接收到的輻射能量，從而避免在火球內(nèi)部進行光信號采樣時，由于中心輻射強度過高而導致的數(shù)據(jù)采集飽和。在爆炸實驗前，對測試節(jié)點進行了精心安裝。針對高溫、高壓和強沖擊的特殊環(huán)境條件，所有固定支架均采用耐高溫和防沖擊材料設計，以確保系統(tǒng)的可靠性和耐用性?，F(xiàn)場實驗系統(tǒng)的布局如圖2所示。

為確保在爆炸場中進行精確的溫度測量，將系統(tǒng)測試模塊安置于一個矩形保護器內(nèi)。利用耐高溫、防沖擊的支架固定測試節(jié)點，這一設計有效避免了在爆炸發(fā)生時節(jié)點的搖晃，從而確保探測器捕獲的光源始終來源于同一位置。這種穩(wěn)固的安裝方式顯著提高了溫度測量的可靠性。測試節(jié)點通過圓形直管進行連接，采用RS 485通信線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這種連接方式不僅支持單節(jié)點操作，還能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點的協(xié)同測量，提供了靈活多樣的測量方案。此外，還增加了三角支架，將其放置于正對爆炸中心的位置，以進一步保護設備免受損害。

2.2 最優(yōu)波長選擇

比色測溫技術(shù)的核心在于精準地選取兩個特定的波長。波長的選擇受多種因素影響，包括但不限于發(fā)射率和所需的測溫范圍。通過精心挑選兩個相近的波長，可以確保發(fā)光源在這兩個波段的發(fā)射率盡可能一致，從而顯著降低發(fā)射率對測溫精度的潛在影響。為了使測量系統(tǒng)能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)進行精確測量，依據(jù)黑體輻射的普朗克定律，選取500～2 000 nm波段，針對1 000～3 000 K的溫度區(qū)間進行仿真，選擇合適的峰值波長。普朗克曲線如圖3所示。

黑體輻射出射度M′的峰值對應的波長都在1 000 nm左右，隨著溫度的升高，越靠近1 000 nm。經(jīng)查閱諸多文獻，爆炸場火球溫度能夠達到2 500 K甚至更高，考慮噪聲的影響和光電二極管的靈敏度，為了增大信噪比，應該選擇黑體輻射出射度最大值對應的波段。為增強測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免較小的擾動和噪聲引起結(jié)果的劇增，光電二極管在1 000 nm左右波長段應該有較穩(wěn)定的靈敏度，靈敏度越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越強。爆炸反應迅速，探測器輸出電壓會在極短時間內(nèi)突變，為了確保探測電路能夠采集到準確的輻射能量信號，需要光電探測器具有較快的響應速度。

本設計選用的探測器是LSSPD 2.5型硅光電二極管，該型號的二極管具有高可靠性、較快的響應速度、低功耗及低暗電流等特性，適合用作本設計的光電探測器。為了保證測量系統(tǒng)能夠得到更準確的爆炸火球溫度，選取合適的波長尤為重要。該二極管的靈敏度隨著波長的增大逐漸增大。不同波長在不同溫度下的靈敏度會有差異，隨著溫度的升高，雙波長的靈敏度差異會導致輸出電壓誤差增大，光電二極管靈敏度曲線如圖4所示。

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，探測器在800～850 nm與900～950 nm波長段具備穩(wěn)定的靈敏度，選擇該波段的波長可以確保輸出電壓穩(wěn)定，結(jié)合光電二極管靈敏度曲線和普朗克定律，當探測器雙通道參數(shù)嚴格遵循單一變量，在透光率、通光孔徑及增益電阻等參數(shù)一致的情況下，分別選取750 nm和810 nm，810 nm和850 nm，850 nm和940 nm，810 nm和940 nm4組波段在不同溫度下進行仿真，可得到雙波段的比值R在不同溫度下的關(guān)系如圖5所示。

為了保證探測溫度結(jié)果的準確性，希望雙波段比值能夠隨著溫度的變化明顯增大，在相同的溫度范圍內(nèi)，R的動態(tài)范圍變化越明顯，越能體現(xiàn)溫度的變化過程，因此選取雙波段波長為λ=

810 nm和λ=940 nm更適合。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 動態(tài)增益調(diào)節(jié)測試

二極管負責將捕獲的輻射信號轉(zhuǎn)換為電流信號，隨后該電流通過跨阻放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。當環(huán)境溫度持續(xù)上升，探測器的輸出電壓可能迅速達到飽和，會影響系統(tǒng)采集電壓的準確性。為了避免這一問題，通過增加模擬開關(guān)電路來動態(tài)調(diào)整增益。該設計能夠根據(jù)輻射強度的不同，自動調(diào)節(jié)增益，從而擴展采集系統(tǒng)的溫度測量范圍。為了驗證動態(tài)增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，利用黑體爐實驗平臺進行了一系列的標定與測試，具體數(shù)據(jù)見表1。

測試結(jié)果表明，當溫度升至1 000 ℃時，940 nm通道的探測器輸出電壓為3.238 V，隨著溫度的進一步升高，探測器的輸出電流相應增加，存在達到飽和值的風險，這可能導致輸出信號失真。為應對這一挑戰(zhàn)，系統(tǒng)配備了自動增益調(diào)節(jié)功能。當輸出電壓瀕臨飽和閾值時，系統(tǒng)能夠及時響應，通過調(diào)整增益來優(yōu)化信號。具體來說，在溫度分別達到1 300 ℃和2 000 ℃時，增益調(diào)節(jié)機制均被觸發(fā)，有效控制輸出信號，防止其超出飽和范圍。系統(tǒng)內(nèi)嵌的增益動態(tài)調(diào)節(jié)電路能夠?qū)崿F(xiàn)高達2 500倍的電壓縮小，顯著擴展了溫度測量的動態(tài)范圍，從而提升了測量系統(tǒng)的適用性和精確度。

圖6為測溫系統(tǒng)在黑體爐1 000～3 000 ℃之間選取多溫度節(jié)點進行的標定擬合理論曲線與實測標定比值對比圖，可以校驗標定結(jié)果的準確性。擬合曲線的變化趨勢趨近810 nm與940 nm的雙波段比值曲線，具備明顯的單調(diào)性，為研究爆炸場火球內(nèi)部溫度動態(tài)變化奠定了一定基礎。

表2中列出的具體數(shù)據(jù)清晰地展示了比色測溫系統(tǒng)在設計量程內(nèi)進行溫度測量時，雙波段電壓比值能夠隨著溫度的變化明顯增大，并且精度優(yōu)于5%。這一結(jié)果不僅彰顯了系統(tǒng)在溫度測量方面的準確性，而且滿足了爆炸場火球溫度測量的精度要求，證明了該系統(tǒng)在高溫環(huán)境溫度監(jiān)測中的適用性和可靠性。

3.2 實驗結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)的可行性，采用經(jīng)過精確標定的測溫系統(tǒng)對爆炸場火球的溫度進行了實時動態(tài)監(jiān)測。實驗中使用了30 kg的炸藥進行裝填，成功引爆后形成了一個直徑約20 m的爆炸火球。鑒于系統(tǒng)設備需在極端條件下穩(wěn)定運行，特別將測溫系統(tǒng)布置在爆炸火球的覆蓋范圍內(nèi)，具體位置為距離爆炸中心4.5 m處。為精確捕獲爆炸火球的輻射能量，設備被架設在離地面0.8 m高度的位置，以保證光取樣窗口能夠被爆炸火球包裹，同時確保設備的光取樣窗口背向太陽，以規(guī)避直射日光引起的誤觸發(fā)，確保測溫過程的準確性和設備的安全，同時減少直射日光的輻射信號對實驗測量結(jié)果的干擾。

圖7清晰地展示了測溫設備在爆炸場火球內(nèi)部捕獲的雙通道電壓響應曲線。通過對這些數(shù)據(jù)的細致分析，計算出了探測器輸出電壓的比值R。利用之前標定過程中得到的理論和解算公式，將這一比值轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。相應的溫度響應變化曲線在圖8中得到了直觀的呈現(xiàn)，它不僅證實了比色測溫系統(tǒng)的響應能力，同時也表明了動態(tài)增益系統(tǒng)能夠確保采集電壓低于飽和值，并且展示了其在極端條件下測量溫度的準確性。

由圖8可知，爆炸場火球區(qū)域的最高溫度達到了2 622.2 ℃，并且高溫狀態(tài)持續(xù)了超過40 ms。爆炸火球的溫度在20 ms內(nèi)迅速升至峰值，隨后便急劇下降?；鹎騼?nèi)部進行的溫度測量表明，探測器輸出的電壓變化總體上呈現(xiàn)出平滑上升的趨勢。但在個別點，電壓比值出現(xiàn)了波動。經(jīng)過深入分析，認為這可能是由于爆炸過程中產(chǎn)生的破片對探測器的通光孔造成了部分遮擋，從而導致兩個通道接收到的輻射強度出現(xiàn)了差異。此外，在溫度迅速上升時，探測器輸出的電壓迅速接近飽和值，此時動態(tài)增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)進行調(diào)節(jié)，可能導致輸出電壓短暫不穩(wěn)定，進而引起比值的波動。盡管存在這些波動，從溫度響應曲線中可以看到，在爆炸發(fā)生后，爆炸云團的最高溫度仍然趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象表明，爆炸后形成的云團具有相對穩(wěn)定的高溫毀傷特性，對于評估爆炸事件的熱效應具有重要意義。

4 結(jié)束語

以比色測溫技術(shù)為核心，構(gòu)建了一套針對爆炸場火球內(nèi)部確定位置的溫度測量系統(tǒng)。依據(jù)精確的技術(shù)指標，設計并搭建了光學電路，并精心選取了適宜的波長以優(yōu)化測量效果。為了拓寬測量范圍，采用了動態(tài)增益調(diào)節(jié)控制技術(shù)。通過黑體爐實驗，評估了增益調(diào)節(jié)對測量結(jié)果的具體影響，并完成了比色測溫設備的精確標定。標定結(jié)果驗證了測溫儀器的誤差控制在指標要求之內(nèi)，確保了測量精度優(yōu)于5%。進一步，在實地進行了爆炸場的溫度動態(tài)測試，成功捕獲了轟爆區(qū)域儀器采集的電壓隨時間變化的響應曲線。通過定制的程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行詳盡分析，建立了輸出電壓比值與溫度之間的準確關(guān)系，為爆炸場火球內(nèi)部確定位置的溫度測量提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。實驗數(shù)據(jù)為單一測量節(jié)點數(shù)據(jù)，后續(xù)實驗可增加多節(jié)點測量系統(tǒng)，通過同步技術(shù)可以獲取爆炸場內(nèi)部火球的溫度分布，為爆炸場溫度測量提供新的方法。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-07-24，修回日期：2024-12-31）

The Endoscopic Temperature measuring Technology for Explosion

Fireballs Based on Colorimetric Temperature Measurement

TIAN Qi sen， ZHANG Pi zhuang， ZHAO Yi， ZHAO Min， DOU Xin

（Shanxi Provincial Key Laboratory of Information Detection and Processing， North University of China）

Abstract"" For purpose of measuring dynamic change of the temperature inside fireballs in explosion fields， an endoscope temperature measuring system based on colorimetric temperature measurement was designed. Through building a mechanical collimating optical system， the spectral radiation energy within the fireball was accurately collected. In addition， through combined with the radiation spectral intensity curve， analyzing the relationship between detector’s wavelength sensitivity and the radiation spectral intensity， multiple sets of dual bands were selected for the simulation and finally， the curves of 810 nm and 940 nm bands were selected. Considering the fact that the rapid explosion process increases the radiation energy sharply and with a view to ensuring signal of the measurement system not saturated， the dynamic gain module was used to realize the temperature measurement with wide dynamic range. Compared with the calibration results shows that， the relative error can be less than 5%， and the temperature range of the explosion fireball measured by the outdoor experiment ranges from 1 500 ℃ to 2 700 ℃， which provides a new technical means for studying the internal temperature law of the transient explosion fireball.

Key words"" colorimetric temperature measurement， explosion temperature field， explosive fireball， transient high temperature