CN111044565A - 一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，解决了利用现有方法不能获得真实温度的问题。本发明利用光纤经光学探测单元，在其损毁前将火炸药及装药燃烧或爆轰时产生的光信号传输到DMD光谱仪形成多个光谱通道及对应的辐射亮度信息，经反演得到火炸药燃烧转爆轰过程固体产物的真温和光谱发射率。本发明具有测温范围宽、采样频率高、测量精度高的特点。本发明适用于基于样品管法的火炸药及装药燃烧转爆轰过程高温固体产物的真温和光谱发射率的实时测量，也适用于温度在1400℃～4000℃区间的其他含能材料的燃温或爆温的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，适用于基于样品管法的火炸药及装药燃烧转爆轰过程高温固体产物的真温和光谱发射率的实时测量，也适用于其它含能材料燃温或爆温的测量。
背景技术
燃烧转爆轰(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)是火炸药装药由燃烧发展为稳定爆轰过程中出现的一个复杂的物理、化学反应，它广泛存在于火箭推进剂燃烧、身管武器发射药燃烧、爆破器材起爆以及炸药生产、贮存和使用过程中。温度是重要物质状态参数之一，非接触测温法已经成为燃烧和爆炸温度测量的主流方法。其中，辐射测温法应用最为广泛，从测量方法原理角度出发，主要有单色法、双谱线测温法、比色法、红外热像仪法及基于CCD(电荷耦合器件)成像技术的多谱段辐射测温法等。
单色温度计测温技术是利用滤光片使得只有某个指定波长的能量能进入光电倍增管，所以测得的温度实际上是被测目标的亮温。应用双谱线温度计测得的是爆炸过程中的激发温度，与真实温度在概念和数值上均不等同。比色测温法在被测物体假定是灰体的前提下得到的亮温。红外热像仪测温方法得到的温度依然为亮温，并未能解决发射率未知的条件下目标真温测量的问题。CCD多光谱辐射测温法不适于亮度较高的高温火焰温度测量，且精度较低。
现有辐射温度测量装置由于火炸药燃烧和爆炸火焰光谱发射率的影响等因素造成不能获得真实温度，因此，有必要研究一种测量燃烧转爆轰过程真温的新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，以克服现有辐射温度测量装置由于火炸药燃烧和爆炸火焰光谱发射率的影响等因素造成真实温度不能获得之不足。
本发明实现过程如下：
一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，测试方法包括测试准备、测试步骤、数据处理及结果表述。
一、测试准备，包括：
1.1多光谱测温系统标定
有源温区标定：在标定区间1400℃～2200℃内，采用整百度温度点标定法标定；
无源温区标定：在标定区间2200℃～4000℃内，利用已知温度点建立的温度-电压模型，在此基础上应用导数最小二乘法对模型参数求解，实现对无源温区的标定。
1.2光学探测单元安装
根据样品自身特性及和约束强度的需要，在样品管身上定点设置平凸台，将光学探测单元(光纤探头)安装在样品管身平凸台上，安装示意图如图1所示。
1.3样品管装药
将测试样品装入样品管中，记录样品质量和装药高度，计算样品堆积密度；
测试样品为粉状、颗粒状、块状装药或多个成型药柱相连组成。其中，粉状、颗粒状测试样品装药时要求其在管内不发生流动。成型药柱装药时要求药柱表面无裂纹，端面平整光滑。
对于粉状、颗粒状测试样品，将其分三等份，在装完每一份后，都让管子从50mm高处垂直地落下，以便把试样压实，装药过程中保证微波传感器始终处于样品管中轴处。
1.4点火药包安装
将点火头插入装有3g～5g黑火药的玻璃纸中，用细线扎紧制成点火药包。将点火导线从样品管点火端堵头轴向微孔中穿出，将点火药包埋植于测试样品颗粒中。利用点火端堵头密封试样管。
1.5测试现场布置
装入火炸药样品和点火具的样品管，安装好点火端堵头后水平放置于支撑台及见证板上。
点火电源、DMD光谱仪和上位机布设于安全区域。
1.6设备连接
通过光纤转接法兰连接光学探测单元和DMD光谱仪，连接DMD光谱仪和上位机，点火电源触发信号输出端信号线与DMD光谱仪外触发端口，连接点火电源输出端线缆与点火导线。
二、测试步骤，包括：
2.1测温系统调试
通电开启DMD光谱仪、上位机，系统进行自检。自检通过后，预设采集和存储参数，等候口令。
2.2点火击发
所有人员撤离至安全地点后，由试验领导小组下达口令，点火口令发出时，数据采集、记录。
2.3试验结束
观察试验现象，拍照、收集残片残药等。
三、数据处理，包括：
为了获知真温和发射率，对测量得到的电压值和时间数据进行处理，步骤为：
3.1根据实际需要设置相应的参数：测量数据文件的调用路径、所要处理的数据的位置、第几通道以及数据显示形式；
3.2根据设定的参数，获取测量数据，以时间顺序依次对各个通道的数据进行排序和筛选，形成新的数据样本；
3.3筛选获取有用的数据样本，操作步骤为：判断放大电路的第二级输出数据是否饱和，如果没饱和采用第二级的电压值，如果已经饱和则对第一级的电压值进行换算，采用换算之后所得的数值；
3.4根据事先确定的各个通道的温度标定函数，将新的数据样本转换成亮度温度值；
3.5采用亮度温度逼近法获取真温值的估计值，以数字表格和图像曲线的形式显示真温值和亮度温度值，应用基于模型约束的多波长真温构建方法进行计算获得某时刻的精确的真温和发射率。
所述的结果表述，包括：
以真温-时间曲线、光谱发射率-时间曲线及其主要特征数据作为结果表述，包括但不限于燃烧转爆轰过程中的真温最大值。
所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其理论依据是广泛应用于热辐射领域的以波长为变量的黑体辐射普朗克定律，其表达式为：
式中：ωλ，能量密度(J/m3)；h，普朗克常数(6.624×10-34J·s)；c，光速(m/s)；T，绝对温度(K)。
按光谱辐射亮度和光谱能量密度的关系Lλ＝cωλ/(4π)，以及黑体所遵守的朗伯辐射规律Mλ＝πLλ，得到黑体的光谱辐射出射度：
式中：Mλbb，黑体的光谱辐射出射度(W/(m2·μm))；c1，第一辐射常数(3.7415×108(W·μm4/m2))；c2，第二辐射常数(1.43879×104(μm·K))。
普朗克公式运用过程中存在2种极限条件：
1)当c2/(λT)≥1时，即短波或低温情形，普朗克公式变为：
仅适用于黑体辐射的短波部分，称为维恩公式。
2)当c2/(λT)≤1时，即长波或高温情形，普朗克公式变为：
仅适用于黑体辐射的长波部分，称为瑞利-普金公式。
根据维恩公式(3)，多光谱测温系统第i个通道的输出信号Vi可简化为：
式中：检定常数，与波长、该波长下探测器的一些参数以及c1有关；λi，第i个通道的有效波长(μm)；εi，温度为T时的光谱发射率；N，多光谱测温系统通道个数。
根据维恩公式(3)，多光谱测温系统第i个通道的亮度温度Ti和真温T的关系为：
公式(6)称为亮度温度模型，本方法就是基于此模型建立的。
同公式(5)，公式(6)也包含N个方程，这N个方程有N+1个未知数(N个光谱发射率εi和真温T)。因此，为了使这N个方程能够求解，需要假设一个发射率模型。
按照所构建发射率模型的变量的关系，目前用于创建发射率样本的发射率假设模型可分为2种：关于发射率-波长之间的关系的假设模型和关于发射率-真温之间的关系的假设模型。其中，经典的关于发射率和波长的发射率假设方程有：
lnεi＝a+bλ (7)
εi＝a0+a1λ (9)
本发明优点：
(1)发明了一种等够获得燃烧转爆轰过程高温真温的测量与反演方法，并可在较宽的温度范围内实现温度标定；
(2)本发明可同步高速获得燃烧转爆轰过程固体产物的真实温度和光谱发射率，应用于火炸药燃烧和爆炸等复杂环境适应性和准确性较佳。
附图说明
图1为光纤探头安装示意图。图中，1样品管，2平凸台，3光纤探头，4光纤。
图2为典型真温曲线。图中，某高能发射药装药燃烧转爆轰过程中的真温最大值为3430K。
图3为典型光谱发射率曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1
一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，测试方法包括测试准备、测试步骤、数据处理及结果表述。
一、测试准备，包括：
1.1多光谱测温系统标定
有源温区标定：
在标定区间1400℃～2200℃内，采用整百度温度点标定法标定。标定装置由标准辐射温度计(标准计，其最小分辨率为0.1℃)、高温黑体辐射源(黑体炉，其发射率为0.995)、电压源和控制柜等组成。标定步骤如下：
(1)关闭多光谱测温系统瞄准头的镜头盖，对高温计的各个通道的输出电压值采样500次，对这些值进行处理并取平均后记为各个通道的零点值；
(2)打开多光谱测温系统瞄准头的镜头盖，调整瞄准头瞄准黑体炉的输出窗口，将黑体炉调整到所要标定的温度。整百度标定法的温度步长为100℃，即相邻的两个标定温度的间隔为100℃；
(3)黑体炉的温度是由标准计测量并显示的，当标准计的示数相对稳定时，记录该温度值，并对多光谱测温系统的各个通道的输出电压值采样500次，对这些值进行处理并取平均后记为各个通道的测量值；
(4)此标定温度点的电压值为测量值与零点值的差值。该电压值与温度值即为所需要的标定数据，对各个通道的标定数据进行拟合得到温度-电压曲线。
无源温区标定：
在标定区间2200℃～4000℃内，利用已知温度点建立的温度-电压模型，应用导数最小二乘法对模型参数求解，实现对无源温区的标定。
1.2光学探测单元安装
根据样品自身特性及和约束强度的需要，在样品管1身上距点火端600mm处设置平凸台2，将光学探测单元安装在样品管身平凸台上，安装示意图如图1所示。在本发明中，光学探测单元为光纤探头3。
1.3样品管装药
测试样品为颗粒状某高能硝胺发射药，药型为6/7；装药时要求其在管内不发生流动；将试样分三等份，在装完每一份后，都让管子从50mm处垂直地落下，以便把试样压实；记录装药质量1163.8g、装填高度1160mm、样品管内径40mm、管壁厚9mm、样品密度1.68g/cm3，计算样品堆积密度0.8g/cm3，47.55％TMD。
1.4点火药包安装
将点火头插入装有3g黑火药的玻璃纸中，用细线扎紧制成点火药包。将点火导线从样品管点火端堵头轴向微孔中穿出，将点火药包埋植于测试样品颗粒中。利用点火端堵头密封试样管。
1.5测试现场布置
装入火炸药样品和点火具的样品管，安装好点火端堵头后水平放置于支撑台及见证板上；
点火电源、DMD光谱仪和上位机布设于安全区域。
1.6设备连接
通过光纤转接法兰连接光学探测单元和DMD光谱仪，连接DMD光谱仪和上位机，点火电源触发信号输出端信号线与DMD光谱仪外触发端口，连接点火电源输出端线缆与点火导线。
二、测试步骤，包括：
2.1测温系统调试
通电开启DMD光谱仪、上位机，系统进行自检；自检通过后，预设采集和存储参数，等候口令；
2.2点火击发
所有人员撤离至安全地点后，由试验领导小组下达口令，点火口令发出时，数据采集、记录；
2.2试验结束
观察试验现象，拍照、收集残片残药等。
三、数据处理，包括：
为了获知真温和发射率，对测量得到的电压值和时间数据进行处理，具体步骤为：
3.1根据实际需要设置相应的参数：测量数据文件的调用路径、所要处理的数据的位置(通过时间范围和步长确定数据的位置)、第几通道以及数据显示形式(电压值形式、亮度温度值形式还是发射率形式)；
3.2根据设定的参数，获取测量数据，以时间顺序依次对各个通道的数据进行排序和筛选，形成新的数据样本。
3.3由设定的参数所得到的测量数据并非全都是后续求解真温时的有效数据。为了过滤掉无效数据，需要对这些数据进行筛选，从而获得有用的数据样本。数据筛选的主要设计思路为：判断放大电路的第二级输出数据(电压值)是否饱和，如果没饱和采用第二级的电压值，如果已经饱和则对第一级的电压值进行换算，采用换算之后所得的数值；
3.4根据事先确定的各个通道的温度标定函数，将新的数据样本转换成亮度温度值。
3.5采用求温度初值的方式(亮度温度逼近法)获取真温值的估计值，以数字表格和图像曲线的形式显示真温值和亮度温度值。应用基于模型约束的多波长真温构建方法进行计算，即可获得某时刻的精确的真温和发射率。
所述的结果表述，包括：
以真温-时间曲线、光谱发射率-时间曲线及其主要特征数据作为结果表述，包括但不限于燃烧转爆轰过程中的真温最大值。
图2为典型真温曲线。图中，某高能发射药装药燃烧转爆轰过程中的真温最大值为3430K。图3为典型光谱发射率曲线。
Claims (7)
1.一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，测试方法包括如下步骤：
一、测试准备；
1.1多光谱测温系统标定
有源温区标定：在标定区间1400℃～2200℃内，采用整百度温度点标定法标定；
无源温区标定：在标定区间2200℃～4000℃内，利用已知温度点建立的温度-电压模型，在此基础上应用导数最小二乘法对模型参数求解，实现对无源温区的标定；
1.2光学探测单元安装
在样品管身上定点设置平凸台，将光学探测单元安装在样品管身平凸台上；
1.3样品管装药
将测试样品装入样品管中，记录样品质量和装药高度，计算样品堆积密度；
1.4点火药包安装
将点火药包埋植于测试样品颗粒中，利用点火端堵头密封样品管，点火导线从样品管点火端堵头轴向微孔中穿出；
1.5测试现场布置
装入火炸药样品和点火具，并用点火端堵头密封的样品管水平放置于支撑台及见证板上；
点火电源、DMD光谱仪和上位机布设于安全区域；
1.6设备连接
光学探测单元与DMD光谱仪连接，DMD光谱仪与上位机连接，点火电源触发信号输出端信号线与DMD光谱仪外触发端口连接，点火电源输出端线缆与点火导线连接；
二、开始测试
2.1测温系统调试
通电开启DMD光谱仪、上位机，系统进行自检；自检通过后，预设采集和存储参数，等候口令；
2.2点火击发
点火口令发出时，采集、记录电压值和时间数据；
三、数据处理
3.1根据实际需要设置相应的参数：测量数据文件的调用路径、所要处理的数据的位置、第几通道以及数据显示形式；
3.2根据设定的参数，获取测量数据，以时间顺序依次对各个通道的数据进行排序和筛选，形成新的数据样本；
3.3筛选获取有用的数据样本；
3.4根据事先确定的各个通道的温度标定函数，将新的数据样本转换成亮度温度值；
3.5采用亮度温度逼近法获取真温值的估计值，以数字表格和图像曲线的形式显示真温值和亮度温度值，应用基于模型约束的多波长真温构建方法进行计算获得某时刻的精确的真温和发射率。
2.如权利要求1所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤一中，测试样品为粉状、颗粒状、块状装药或多个成型药柱相连组成；对于粉状、颗粒状测试样品装药时，将其分三等份，在装完每一份后，都让管子从50mm高处垂直地落下，以便把试样压实；成型药柱装药时要求药柱表面无裂纹，端面平整光滑。
3.如权利要求2所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤一中，点火药包由点火头插入装有3g～5g黑火药的玻璃纸中，用细线扎紧制成。
4.如权利要求3所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤三中，设置所要处理的数据的位置是通过时间范围和步长确定数据的位置。
5.如权利要求4所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤三中，设置的数据显示形式包括电压值形式、亮度温度值形式、发射率形式。
6.如权利要求5所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤三中，筛选获取有用的数据样本的方法包括：判断放大电路的第二级输出数据是否饱和，如果没饱和，采用第二级的电压值，如果已经饱和则对第一级的电压值进行换算，采用换算之后所得的数值。
7.如权利要求6所述的一种燃烧转爆轰过程真温多光谱测量方法，其特征在于，所述步骤一中，光学探测单元为光纤探头。
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