CN105067125B - 火炮高速比色红外测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火炮高速比色红外测温装置及方法，用于解决现有非接触式火炮温度参量测试装置测试精度低的技术问题。技术方案是包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统。中温高速比色红外温度传感器，分别采用短波、长波两波段提取中温区温度信号，并调理成电流信号输出，通过取样电路转换为模拟电压信号输出。高温高速比色红外温度传感器，分别采用短波、长波两波段提取高温区温度信号，并调理成电流信号输出，通过取样电路转换为模拟电压信号输出。多通道数据采集系统用于对中温、高温高速比色红外温度传感器变换输出的短波电压、长波电压信号进行采集、存储和处理。提高了测试精度。

Description

火炮高速比色红外测温装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测温装置，具体是一种火炮高速比色红外测温装置，还涉及采用这种火炮高速比色红外测温装置测试火炮温度参量的方法。

背景技术

火炮在发射过程中，温度参量具有瞬态、脉冲式等热冲击特性，因此，要求温度测试系统必须具有快速的响应时间、良好的动态特性、更宽的量程范围、更高的采样速率等，同时要求测温系统不能破坏被测对象的温度场，并具有抗烟雾、灰尘、冲击、远距离传输等功能。

用于火炮温度测试的传感器主要包括热电偶、红外测温仪等，其中，红外测温仪是利用红外探测器来检测受热物体的红外辐射能量，并将被测温度值转换为模拟电信号输出。由于红外测温仪属于非接触测试方式，不影响被测对象的温度场，同时具有响应时间短、寿命长等特点，因此应用比较广泛。红外测温仪分为单色、双色两大类。单色测温的红外探测器采用一个波段，要求已知被测对象的发射率(发射率是指在某温度下、某波长处，目标物体所辐射的能量与黑体在相同条件下所辐射的能量的比值，黑体在所有温度、所有波长上的发射率为常数)，对于一些发射率较难获取的场合测试误差较大。双色测温是通过双波段测得结果的比值计算被测温度，当发射率未知或变化时，只要发射率在两个波长上的变化相同，就无需知道被测物质的发射率，从而摆脱了对绝对能量测量的依赖，较单色测温仪，具有高精度、高重复性等特性。

参照图1。现有的非接触式火炮温度参量测试装置包括单色红外测温仪、双色红外测温仪、取样电路和多通道数字示波器。单色红外测温仪、双色红外测温仪输出的电流信号通过各自的取样电路转化为电压信号，接多通道数字示波器的两个输入通道。

单色红外测温仪，采用0.75～1.1μm波长范围的红外探测器，实现400～1000℃温度范围的信号提取，并调理成4～20mA的电流输出，通过500Ω、1/2W的取样电路转换为0～10V的模拟电压信号输出。双色红外测温仪，分别采用0.75～1.1μm、0.95～1.1μm两种波长范围的红外探测器，实现1000～2500℃温度范围的信号提取、并调理成4～20mA的电流输出，再通过500Ω、1/2W的取样电路转换为0～10V的模拟电压信号输出。多通道数字示波器用于对取样电路输出的电压信号进行采集、存储、处理。

现有技术的不足之处在于：一是红外测温仪响应时间长。对于高性能火炮，在射击时，炮口热冲击气流的持续时间约为2ms，因此，要求红外测温仪的响应时间要远远小于2ms，才能真实反映出每个快速变化的热冲击信号。而现有测试技术低温区、高温区红外测温仪的响应时间分别为1ms、10ms，响应时间较长，不适用于温度信号快速变化的测试需求。二是单色红外测温仪测试误差较大。现有技术低温区采用单色红外测温仪技术，单色红外测温仪的探测器采用一种波长，是对绝对辐射能量的测量，因此要求已知被测对象的发射率，如果发射率变化则带来较大的测试误差较大。由于影响发射率的主要因素是被测对象的材料成份及表面特性，本发明被测对象火炮热冲击参量是一个包含空气、一氧化碳、未燃烧尽火药颗粒等多种成份的综合体，其材料成份、形态、表面特征等复杂多变，因此，被测对象发射率未知且难获取，使测试误差较大。三是多通道数字示波器测量精度低。多通道数字示波器的测量精度为±1.5％，且没有信号滤波等调理功能。

发明内容

为了克服现有非接触式火炮温度参量测试装置测试精度低的不足。本发明提供一种火炮高速比色红外测温装置，该装置包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统。中温高速比色红外温度传感器，分别采用短波、长波两波段的红外探测器，实现中温区温度的信号提取，并调理成电流信号输出，通过取样电路转换为模拟电压信号输出。高温高速比色红外温度传感器，分别采用短波、长波两波段的红外探测器，实现高温区温度的信号提取，并调理成电流信号输出，通过取样电路转换为模拟电压信号输出。多通道数据采集系统用于对中温、高温高速比色红外温度传感器变换输出的短波电压、长波电压信号进行采集、存储和处理。该测温装置具有中温、高温区红外测温双比色、快速响应特性，同时提高了测试精度。

本发明还提供采用上述火炮高速比色红外测温装置测量火炮温度的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种火炮高速比色红外测温装置，其特点是包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统。中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器输出的短波电流、长波电流信号，分别通过各自的取样电路转化为短波电压、长波电压信号，送多通道数据采集系统的四个输入通道。

中温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为1.35μm和1.60μm的两波段红外探测器，对400～1000℃温度范围的信号进行提取，并调理成0～24mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为短波电压信号和长波电压信号送多通道数据采集系统。高温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为0.96μm和1.06μm的两波段红外探测器，对900～2500℃温度范围的信号提取，并调理成0～15mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为短波电压信号和长波电压信号送多通道数据采集系统。

一种采用上述火炮高速比色红外测温装置测量火炮温度的方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、调节各装置的参数。

1)中温高速比色红外温度传感器供电电压15～24VDC，供电电流50mA，温度范围400～1000℃，距离系数120:1，光谱响应波段短波1.35μm，长波1.60μm，响应时间20μs，采用光学瞄准，0～24mA电流输出。

2)高温高速比色红外温度传感器供电电压15～24VDC，供电电流50mA，温度范围900～2500℃，距离系数120:1，光谱响应波段短波0.96μm，长波1.06μm，响应时间20μs，采用光学瞄准，0～15mA电流输出。

3)取样电路的电阻250Ω，功率1/4W，误差±5％。

4)多通道数据采集系统为16通道，测量带宽DC～2MHz，-3dB，电压输入范围±0.5mV、±1mV、±2.5mV、±5mV、±10mV、±25mV、±50mV、±100mV、±250mV、±500mV、±1V、±2V、±5V和±10V，共14个量程程控选择。低通滤波器100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz和1MHz，共9个量程程控选择。直流精度0.05％读数+0.02％量程。隔离电压±350VDC。接口型式BNC。

步骤二、高速比色红外温度传感器的安装与瞄准。

1)机械安装与瞄准。

安装：采用两台高低及方位均可调节、上平面中心部位带有安装螺栓的三角支架，将中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器，分别通过传感器底部的安装孔安装在三角支架上。

瞄准：先测量出两台高速比色温度传感器与被测目标的直线距离，再调节三角支架上的高低、方向调节杆，观察两台高速比色温度传感器的目镜使目标尽可能在目镜小黑点的中央、并尽可能充满小黑点，旋转温度传感器物镜使目标聚焦清晰。

2)电安装。

采用一台电压为15～24V、电流不小于200mA的直流电源，采用两线制，同时对中温高速比色红外温度传感器和高温高速比色红外温度传感器供电。

采用4个电阻值为250Ω、功率为1/4W、误差为±5％的电阻，分别接到中温高速比色红外温度传感器和高温高速比色红外温度传感器的中温短波、中温长波、高温短波、高温长波的输出端，将输出电流值转换为电压值。

步骤三、对多通道数据采集系统进行设置，1)自检：打开电源，仪器正常启动并通过自检，在桌面上双击DEWESoft7软件图标，进入设置主界面。2)采集设置：设采样率1MHz/ch,采集模式设为记录仪模式。3)通道设置：将通道1、通道2、通道3、通道4的ON/OFF均设为Used，设测量方式为电压方式，量程范围设为5V，滤波频率设为300kHz，耦合DC,激励电压设为0V，输出偏置设为0％。4)记录设置：点击Store记录键，设置文件名为001，处于等待记录状态。

步骤四、整套测温装置标定。

1)采用红外温度校准器进行测温装置的标定。

2)红外温度校准器参数选择：测量范围0～2500℃，精度±1℃，稳定度±0.3℃、分辨率0.1℃，发射率0.95。

3)红外温度校准器升温：以20℃为一个梯度，将红外温度校准器进行升温，到达预设温度后再保留一段时间直至温度稳定。

4)测温装置测温：将被标定的比色红外温度传感器的敏感面，垂直地对准红外温度校准器的黑体平台，采用多通道数据采集系统，分别测试短波、长波的电压输出端，并计算短波段与长波段的测试结果比值，填写测温装置相关标定数据表。

步骤五、数据采集、存储和处理。

1)在火炮射击前，检查测温装置安装、联接的正确性，并观察该状态下测试信号的输出是否正常，正常情况下温度传感器的信号输出为0V。

2)根据试验大纲要求，在不同的射击状态下，进行火炮温度参量的多通道采集、存储，并在同一时刻测试每个通道电压信号的变化量。

步骤六、温度计算。

将温度传感器测得的短波电压与长波电压相除，得到的比值，放入标定数据表中进行线性插值，得到比色温度，所测温度由下式计算。

所测温度由下式计算。其中，t是计算得到的温度值，单位℃。λ是当前测得的比值。λ_n-1是从数据表中查得刚好小于λ值的对应比值。λ_n是从数据表中查得刚好大于λ值的对应比值。t_n-1是与λ_n-1对应的标准温度值，单位℃。

本发明的有益效果是：该装置包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统。中温高速比色红外温度传感器克服了现有技术单色红外测温仪测试误差大的不足；同时，中温高速比色红外温度传感器及高温高速比色红外温度传感器均克服了现有技术红外测温仪响应时间长、多通道数据采集系统克服了现有技术多通道数字示波器测量精度低等不足。中温高速比色红外温度传感器，变单色红外测温为比色红外测温，减小了由于被测对象的发射率未知而带来的测试误差，同时缩短响应时间由1ms至0.02ms。高温高速比色红外温度传感器缩短响应时间由10ms至0.02ms，提高了测试系统的动态响应能力和测量精度。多通道数据采集系统测量精度由背景技术的±1.5％下降至±0.1％。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术非接触式火炮温度参量测试装置的框图。

图2是本发明火炮高速比色红外测温装置的框图。

图3是采用本发明火炮高速比色红外测温装置测温结果曲线。

具体实施方式

以下实施例参照图2和图3。

本发明火炮高速比色红外测温装置包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统。中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器输出的短波电流、长波电流信号，分别通过各自的取样电路转化为短波电压、长波电压信号，接多通道数据采集系统的四个输入通道。中温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为1.35μm和1.60μm的两波段红外探测器，对400～1000℃温度范围的信号进行提取，并调理成0～24mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为模拟短波电压信号和模拟短波电压信号送多通道数据采集系统。高温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为0.96μm和1.06μm的两波段红外探测器，对900～2500℃温度范围的信号提取，并调理成0～15mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为模拟短波电压信号和模拟短波电压信号送多通道数据采集系统。

一种采用上述火炮高速比色红外测温装置测量火炮温度的方法，其具体步骤如下：

第一步，测温装置指标、参数选用。

1)中温高速比色红外温度传感器，用于将中温区温度信号转换为电流信号。供电电压15～24VDC、50mA，温度范围400～1000℃，距离系数120∶1，光谱响应波段短波1.35μm、长波1.60μm，响应时间20μs，采用光学瞄准，0～24mA电流输出。

2)高温高速比色红外温度传感器，用于将高温区温度信号转换为电流信号。供电电压15～24VDC、50mA,温度范围900～2500℃，距离系数120∶1，光谱响应波段短波0.96μm、长波1.06μm，响应时间20μs,采用光学瞄准，0～15mA电流输出。

3)取样电路，用于将高速比色红外温度传感器输出的电流信号转换为电压信号。电阻250Ω、功率1/4W、误差±5％。

4)多通道数据采集系统，用于对高速比色红外温度传感器变换输出的电压信号进行采集、存储、处理等。16通道，测量带宽DC～2MHz(-3dB)，电压输入范围±0.5mV、±1mV、±2.5mV、±5mV、±10mV、±25mV、±50mV、±100mV、±250mV、±500mV、±1V、±2V、±5V、±10V，14个量程程控选择。低通滤波器100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz、1MHz，9个量程程控选择。直流精度0.05％读数+0.02％量程。隔离电压±350VDC。接口型式BNC。

第二步，比色红外温度传感器安装、瞄准。

1)机械安装与瞄准。

安装：采用两台高低调节范围0.5m～1.7m、方位调节范围0～360°、重量2kg、上平面尺寸50mm×35mm、上平面中心孔螺栓M15×1.5的三角支架，将中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器通过各自底部安装孔安装在三角支架上。通过底部安装孔将温度传感器安装在三角支架上，安装时切勿直接敲打、碰撞传感器。

瞄准：在被测目标处放一红白相间的标杆，分别测量出两台高速比色温度传感器与标杆的直线距离，旋转两台三角支架的高低、方向调节杆，用眼睛观察高速比色温度传感器的目镜，使标杆尽可能在目镜小黑点的中央，并尽可能充满小黑点；旋转高速比色温度传感器的物镜使目标聚焦清晰。

2)电安装。

采用一台电压为15～24V、电流不小于200mA的直流电源，采用两线制，同时对两台高速比色红外温度传感器进行供电。

采用4个电阻为250Ω、功率为1/4W、误差为±5％的电阻，分别接到高速比色红外温度传感器的中温短波、中温长波、高温短波、高温长波的输出端，从而将输出电流值转换为电压值。

第三步，测温装置联接、设置。

按图2依次进行测试系统联接。

其中，中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路等参数恒定，不需要再进行设置。

多通道数据采集系统设置：1)自检：打开电源，仪器正常启动并通过自检，在桌面上双击DEWESoft7软件图标，进入设置主界面。2)采集设置：设采样率1MHz/ch,采集模式设为记录仪模式。3)通道设置：将通道1、通道2、通道3、通道4的ON/OFF均设为Used(打开通道)，设测量方式为电压方式，量程范围设为5V，滤波频率设为300kHz，耦合DC,激励电压设为0V，输出偏置设为0％。4)记录设置：点击Store记录键，设置文件名为001，处于等待记录状态。

第四步，测温装置标定。

1)可预先在试验室，或在试验现场，采用红外温度校准器进行测温装置的标定。

2)红外温度校准器参数选择：测量范围0～2500℃、精度±1℃、稳定度±0.3℃、分辨率0.1℃、发射率0.95。

3)红外温度校准器升温：以20℃为一个梯度，将红外温度校准器进行升温，到达预设温度后再保留一段时间直至温度稳定。

4)测温装置测温：将被标定的比色红外温度传感器的敏感面，垂直地对准红外温度校准器的黑体平台，采用多通道数据采集系统，分别测试短波、长波的电压输出端，并计算短波段与长波段的测试结果比值，填写测温装置相关标定数据表见表1。

表1本发明火炮高速比色红外测温装置相关标定数据表

表1是本发明火炮高速比色红外测温装置相关标定数据表。其中第1列为序号，第2列为温度标称值，第3列为短波段电压值，第4列为长波段电压值，第5列为短波段电压与长波段电压的比值。

第五步，数据采集、存储和处理。

1)在火炮射击前，检查测温装置安装、联接的正确性，并观察该状态下测试信号的输出是否正常，正常情况下温度传感器的信号输出为0V。

2)根据试验大纲要求，在不同的射击状态下(如不同的射速、不同的弹种和带弹量等)，进行火炮温度参量的多通道采集、存储，并在同一时刻测试每个通道电压信号的变化量。

第六步，温度计算。

将温度传感器测得的短波电压与长波电压相除，得到的比值，放入表1中的标定数据表中进行线性插值，得到比色温度，所测温度由下式计算。

其中，t—计算得到的温度值(℃)。

λ—当前测得的比值。

λ_n-1—从数据表中查得刚好小于λ值的对应比值。

λ_n—从数据表中查得刚好大于λ值的对应比值。

t_n-1—与λ_n-1对应的标准温度值(℃)。

记录测试结果表见表2所示：

表2本发明火炮高速比色红外测温装置测试结果表

表2是本发明火炮高速比色红外测温装置测试结果表。其中第1列为序号，第2列为短波段电压值，第3列为长波段电压值，第4列为短波段电压与长波段电压的比值，第5列为测得温度值，第6列为测得温度平均值，第7列为测试相对误差。

本发明一是改中温区单色红外测温为比色红外测温，克服了红外测温由于被测目标发射率变化所带来的影响，并实现中温区、高温区双比色红外测温，减小了测试误差；二是高速比色红外温度传感器实现响应时间由10ms至0.02ms，提高了测试装置的动态响应能力；三是改采集设备由数字示波器为多通道数据采集系统，实现采集设备测量误差由±1.5％至±0.1％、测温装置最大测试精度0.35％等。

从图3可以看出，高速比色红外温度传感器的量程范围为400～1200℃，多通道数据采集系统的采样率为1MHz/ch、电压测量范围为±50mV。从图3可以看出，标称值500℃时，测得短波电压为9.255mV、长波电压为14.982mV，短波电压与长波电压比值为0.6177，测得一组温度为501.832℃，三组温度平均值为501.627℃，相对测试误差为0.33％。

Claims (2)

1.一种火炮高速比色红外测温装置，其特征在于：包括中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器、取样电路和多通道数据采集系统；中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器输出的短波电流、长波电流信号，分别通过各自的取样电路转化为短波电压、长波电压信号，送多通道数据采集系统的四个输入通道；中温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为1.35μm和1.60μm的两波段红外探测器，对400～1000℃温度范围的信号进行提取，并调理成0～24mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为短波电压信号和长波电压信号送多通道数据采集系统；高温高速比色红外温度传感器，分别采用中心波长为0.96μm和1.06μm的两波段红外探测器，对900～2500℃温度范围的信号提取，并调理成0～15mA的电流，分别通过250Ω、1/4W的取样电路转换为短波电压信号和长波电压信号送多通道数据采集系统。

2.一种采用权利要求1所述火炮高速比色红外测温装置测量火炮温度的方法，其特征在于采用以下步骤：

步骤一、调节各装置的参数；

1)中温高速比色红外温度传感器供电电压15～24VDC，供电电流50mA，温度范围400～1000℃，距离系数120:1，光谱响应波段短波1.35μm，长波1.60μm，响应时间20μs，采用光学瞄准，0～24mA电流输出；

2)高温高速比色红外温度传感器供电电压15～24VDC，供电电流50mA，温度范围900～2500℃，距离系数120:1，光谱响应波段短波0.96μm，长波1.06μm，响应时间20μs，采用光学瞄准，0～15mA电流输出；

3)取样电路的电阻250Ω，功率1/4W，误差±5％；

4)多通道数据采集系统为16通道，测量带宽DC～2MHz，-3dB，电压输入范围±0.5mV、±1mV、±2.5mV、±5mV、±10mV、±25mV、±50mV、±100mV、±250mV、±500mV、±1V、±2V、±5V和±10V，共14个量程程控选择；低通滤波器100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz和1MHz，共9个量程程控选择；直流精度0.05％读数+0.02％量程；隔离电压±350VDC；接口型式BNC；

步骤二、高速比色红外温度传感器的安装与瞄准；

1)机械安装与瞄准；

安装：采用两台高低及方位均可调节、上平面中心部位带有安装螺栓的三角支架，将中温高速比色红外温度传感器、高温高速比色红外温度传感器，分别通过传感器底部的安装孔安装在三角支架上；

瞄准：先测量出两台高速比色温度传感器与被测目标的直线距离，再调节三角支架上的高低、方向调节杆，观察两台高速比色温度传感器的目镜使目标尽可能在目镜小黑点的中央、并尽可能充满小黑点，旋转温度传感器物镜使目标聚焦清晰；

2)电安装；

采用一台电压为15～24V、电流不小于200mA的直流电源，采用两线制，同时对中温高速比色红外温度传感器和高温高速比色红外温度传感器供电；

采用4个电阻值为250Ω、功率为1/4W、误差为±5％的电阻，分别接到中温高速比色红外温度传感器和高温高速比色红外温度传感器的中温短波、中温长波、高温短波、高温长波的输出端，将输出电流值转换为电压值；

步骤三、对多通道数据采集系统进行设置，1)自检：打开电源，仪器正常启动并通过自检，在桌面上双击DEWESoft7软件图标，进入设置主界面；2)采集设置：设采样率1MHz/ch,采集模式设为记录仪模式；3)通道设置：将通道1、通道2、通道3、通道4的ON/OFF均设为Used，设测量方式为电压方式，量程范围设为5V，滤波频率设为300kHz，耦合DC,激励电压设为0V，输出偏置设为0％；4)记录设置：点击Store记录键，设置文件名为001，处于等待记录状态；

步骤四、整套测温装置标定；

1)采用红外温度校准器进行测温装置的标定；

2)红外温度校准器参数选择：测量范围0～2500℃，精度±1℃，稳定度±0.3℃、分辨率0.1℃，发射率0.95；

3)红外温度校准器升温：以20℃为一个梯度，将红外温度校准器进行升温，到达预设温度后再保留一段时间直至温度稳定；

4)测温装置测温：将被标定的比色红外温度传感器的敏感面，垂直地对准红外温度校准器的黑体平台，采用多通道数据采集系统，分别测试短波、长波的电压输出端，并计算短波段与长波段的测试结果比值，填写测温装置相关标定数据表；

步骤五、数据采集、存储和处理；

1)在火炮射击前，检查测温装置安装、联接的正确性，并观察该状态下测试信号的输出是否正常，正常情况下温度传感器的信号输出为0V；

2)根据试验大纲要求，在不同的射击状态下，进行火炮温度参量的多通道采集、存储，并在同一时刻测试每个通道电压信号的变化量；

步骤六、温度计算；

将温度传感器测得的短波电压与长波电压相除，得到的比值，放入标定数据表中进行线性插值，得到比色温度，所测温度由下式计算；

所测温度由下式计算；其中，t是计算得到的温度值，单位℃；λ是当前测得的比值；λ_n-1是从数据表中查得刚好小于λ值的对应比值；λ_n是从数据表中查得刚好大于λ值的对应比值；t_n-1是与λ_n-1对应的标准温度值，单位℃。