CN112985621A - 一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法 - Google Patents

一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及快速温度分布测量技术，特别是一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法，其特征是：它包括：光学成像镜头、分束镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一阵列式光学传感器、第二阵列式光学传感器、爆炸起始信息采集模块和快门控制模块，在金属丝爆炸源的前方固定有光学成像镜头，在光学成像镜头后端有分束镜，分束镜将光学成像镜头对爆炸源的成像分成两路，两路光路上分别有第一窄带滤光片和第一阵列式光学传感器，第二窄带滤光片和第二阵列式光学传感器。它提供一种为解决金属丝电爆炸过程中，可以测量金属丝电爆炸过程中温度分布的时空快带变化数据，实现温度的高时空分辨测量的测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法。

Description

一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法
技术领域
本发明涉及快速温度分布测量技术，特别是一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法。
背景技术
脉冲大电流通过金属丝时，由于欧姆加热机制在金属丝中瞬间沉积大量的能量，金属丝发生相变而快速膨胀，并伴随着发光、爆炸声等现象，这种复杂的物理过程称为金属丝电爆炸。金属丝电爆炸在Z箍缩等离子体、X箍缩X射线源、纳米粉体制备、电爆炸开关、化石能源开发、地球物理勘探等领域具有广泛的应用。
金属丝电爆炸过程伴随有复杂的物理和化学变化过程。随着爆炸过程的进展，金属丝经历从固态、液态、气态以及等离子态的复杂变化过程，整个过程通常持续数微秒时间。与此同时，爆炸体的空间分布范围也发生了很大的变化，从最开始的1mm以下的细金属丝，逐渐扩展到整个爆炸容器的范围。随着物质状态和空间分布范围的变化，爆炸体的发生着吸热、放热以及热传导的复杂热过程，导致爆炸体的温度空间分布发生着剧烈的变化。爆炸体温度的时空演变规律，与爆炸体的状态、性质存在密切的关系。对爆炸体的温度分布进行高时空分辨率测量，对研究金属丝电爆炸过程、优化金属丝电爆炸制备纳米粉体工艺等具有重要意义。
由于金属丝电爆炸过程的持续时间短、在爆炸早期物质分布范围小、爆炸过程中物质分布范围跨度大等原因，对电爆炸过程的温度进行高时空分辨率测量存在很大的技术难点。
目前可以采用光学辐射高温计来测量爆炸体的温度，但这不能对温度分布进行高时空分辨率测量。在空间上，只能测量爆炸体的整体温度或平均温度，测不出温度随空间的变化情况；在时间上，也无法精确定位测量的是什么时刻的温度，只能测量爆炸过程中的平均温度。这对电爆炸过程的研究是远远不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种为解决金属丝电爆炸过程中，可以测量金属丝电爆炸过程中温度分布的时空快带变化数据，实现温度的高时空分辨测量的测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法。
本发明的目的是这样实现的，一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：它包括：光学成像镜头、分束镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一阵列式光学传感器、第二阵列式光学传感器、爆炸起始信息采集模块和快门控制模块，在金属丝爆炸源的前方固定有光学成像镜头，在光学成像镜头后端有分束镜，分束镜将光学成像镜头对爆炸源的成像分成两路，两路光路上分别有第一窄带滤光片和第一阵列式光学传感器，第二窄带滤光片和第二阵列式光学传感器；第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器将最终的成像检测信息提供给爆炸起始信息采集模块进行金属丝电爆炸温度分布提取。
所述的分束镜为宽带分束镜，分束镜在整个爆炸辐射谱线内的分束比例为1:1。
所述的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的透过中心波长分别记为λ1和λ2，第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的透过中心波长不同，均位于辐射谱线内。
所述的第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器为两个相同的传感器，为CCD或CMOS图像传感器。
所述的光学成像镜头对爆炸体进行成像，从成像镜头输出的光线被分束镜分为两束，分别到第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器的成像接收面。
一种测量金属丝电爆炸温度分布的方法，其特征是：包括光学成像镜头、分束镜、两个中心波长不同的窄带光学滤波片，两台阵列式光学传感器，爆炸信号采集模块，以及快门控制模块；成像镜头对爆炸体进行成像，从镜头输出的成像光线经分束镜分为两束，分别经两个光学滤波片滤光后进入光学阵列传感器；两个阵列式光学传感器均位于成像镜头的成像接收面上，从而两个阵列式光学传感器实现对爆炸体不同波长的灰度成像；爆炸信号采集模块采集电爆炸的起始信号，将该信号送入快门控制模块，控制模块根据设定的采集延时，向光学传感器发送快门控制信号；两个光学传感器同时对爆炸体进行灰度成像，分别记录波长为λ1和λ2辐射的灰度图像；将辐射波长λ1、λ2及其对应的灰度值结合黑体辐射公式进行运算，得到爆炸体空间温度分布。
所述的两个光学传感器分别是第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器，两个光学滤波片分别是第一窄带滤光片和第二窄带滤光片，分束后的成像光线分别经第一窄带滤光片和第二窄带滤光片滤光后进入第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器；第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器均位于光学成像镜头的成像接收面上，这样，第一阵列式光学传感器的CCD对辐射波长λ1进行灰度成像，第二阵列式光学传感器的CCD对辐射波长λ2进行灰度成像，爆炸起始信息采集模块采集爆炸起始信号，将该信号送入快门控制模块，快门控制模块中存储了来自两路的成像延时数据，记为Δτ1，Δτ2，…，ΔτN，快门控制模块根据延时数据对起始信号进行延时后，生成同步控制信号，对第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器的快门打开时间进行控制；在一次测量当中，第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器采用相同的的曝光时间。
所述的爆炸起始信息采集模块采集爆炸起始信号Δτ1，快门控制模块在起始信号Δτ1后，打开第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器的电子快门进行曝光，从金属丝爆炸源发出的光线被成像在第一阵列式光学传感器和第二阵列式光学传感器的接收面上，分别记录下辐射波长λ1、λ2的灰度图像，为两个矩阵，记为
Figure BDA0003006502470000041
对这两个矩阵进行数据处理，即可得到Δτ1时刻爆炸体的温度分布
Figure BDA0003006502470000042
快门控制模块将延时调整为Δτ2，重复上述过程，可测得Δτ2时刻的温度分布
Figure BDA0003006502470000043
重复该过程N次，可测得各延时下的温度分布，最终得到温度的时空分辨数据：
Figure BDA0003006502470000044
Figure BDA0003006502470000051
所述的对这两个矩阵进行数据处理，即可得到Δτ1时刻爆炸体的温度分布中的温度是依据：
黑体辐射公式计算：
Figure BDA0003006502470000052
其中h为普朗克常数，c为光速，kB为玻尔兹曼常数；
具体计算过程是：设某个延时下记录的辐射波长为λ1的灰度矩阵为I1(i,j)；辐射波长为λ2的灰度矩阵为I2(i,j)，将灰度值和对应的波长代入黑体辐射公式：
Figure BDA0003006502470000053
两式相除，消掉未知常数ε，有：
Figure BDA0003006502470000054
(2)式中只有T(i,j)为未知量，代入灰度矩阵数据可求得温度T(i,j)，结合CCD或CMOS图像传感器的像素尺寸参数和光学成像镜头的放大率参数，对T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体所在物空间的温度分布T(x,y)。
本发明的工作原理及优点是：本发明包括光学成像镜头、分束镜、两个中心波长不同的窄带光学滤波片，两台阵列式光学传感器，爆炸信号采集模块，以及快门控制模块。成像镜头对爆炸体进行成像，从镜头输出的成像光线经分束镜分为两束，分别经两个光学滤波片滤光后进入光学阵列传感器；两个阵列式光学传感器均位于成像镜头的成像接收面上，从而两个阵列式光学传感器实现对爆炸体不同波长的灰度成像；爆炸信号采集模块采集电爆炸的起始信号，将该信号送入快门控制模块，控制模块根据设定的采集延时，向光学传感器发送快门控制信号。两个光学传感器同时对爆炸体进行灰度成像，分别记录波长为λ1和λ2辐射的灰度图像；将辐射波长λ1、λ2及其对应的灰度值结合黑体辐射公式进行运算，得到爆炸体空间温度分布。
改变采集延时，可得到温度的时间变化。本方案中，通过光学传感器快门打开时刻的控制，实现时间分辨测量；阵列式传感器成像测量，实现了高的空间分辨率；双波长、双传感器测量方案，结合数据处理消除了黑体发射率及其它非理想因素的干扰，提高了测量精度。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例原理图。
图中，1、光学成像镜头；2、分束镜；3、第一窄带滤光片；4、第二窄带滤光片；5、第一阵列式光学传感器；6、第二阵列式光学传感器；7、爆炸起始信息采集模块；8、快门控制模块；9、爆炸源。
具体实施方式
如图1所示，一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置与方法，包括：光学成像镜头1、分束镜2、第一窄带滤光片3、第二窄带滤光片4、第一阵列式光学传感器5、第二阵列式光学传感器6、爆炸起始信息采集模块7和快门控制模块8，在金属丝爆炸源9的前方固定有光学成像镜头1，在光学成像镜头1后端有分束镜2，分束镜2将光学成像镜头1对爆炸源9的成像分成两路，两路光路上分别有第一窄带滤光片3和第一阵列式光学传感器5，第二窄带滤光片4和第二阵列式光学传感器6；第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6将最终的成像检测信息提供给爆炸起始信息采集模块7进行金属丝电爆炸温度分布提取。
所述的光学成像镜头1用于实现对爆炸体的成像，光学镜头1为平行光镜头。
分束镜2为宽带分束镜，分束镜2在整个爆炸辐射谱线内的分束比例为1:1。
第一窄带滤光片3和第二窄带滤光片4的透过中心波长不同，均位于辐射谱线内，分别记为λ1和λ2。
第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6为两个相同的传感器，为CCD或CMOS图像传感器。
这里以CCD为例进行阐述。第一窄带滤光片3位于第一阵列式光学传感器5前，第二窄带滤光片4位于第二阵列式光学传感器6，第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6采用CCD图像传感器。
光学成像镜头1对爆炸体进行成像，从成像镜头输出的光线被分束镜2分为两束，分别到第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6的成像接收面。
分束后的成像光线分别经第一窄带滤光片3和第二窄带滤光片4滤光后进入第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6。第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6均位于光学成像镜头1的成像接收面上，这样，第一阵列式光学传感器5的CCD对辐射波长λ1进行灰度成像，第二阵列式光学传感器6的CCD对辐射波长λ2进行灰度成像，爆炸起始信息采集模块7采集爆炸起始信号，将该信号送入快门控制模块8，快门控制模块8中存储了来自两路的成像延时数据，记为Δτ1，Δτ2，…，ΔτN，快门控制模块8根据延时数据对起始信号进行延时后，生成同步控制信号，对第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6的快门打开时间进行控制。在一次测量当中。
第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6采用相同的的曝光时间。
本发明的工作过程为：金属丝爆炸源9电爆炸装置启动后，爆炸起始信息采集模块7采集爆炸起始信号Δτ1，快门控制模块8在起始信号Δτ1后，打开第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6的电子快门进行曝光，从金属丝爆炸源9发出的光线被成像在第一阵列式光学传感器5和第二阵列式光学传感器6的接收面上，分别记录下辐射波长λ1、λ2的灰度图像，为两个矩阵，记为
Figure BDA0003006502470000091
Figure BDA0003006502470000092
对这两个矩阵进行数据处理，即可得到Δτ1时刻爆炸体的温度分布
Figure BDA0003006502470000093
快门控制模块8将延时调整为Δτ2，重复上述过程，可测得Δτ2时刻的温度分布
Figure BDA0003006502470000094
重复该过程N次，可测得各延时下的温度分布，最终得到温度的时空分辨数据：
Figure BDA0003006502470000095
Figure BDA0003006502470000096
下面阐述从每次测得的灰度矩阵I1、I2计算温度分布的方法：
略去延时标记，设某个延时下记录的辐射波长为λ1的灰度矩阵为I1(i,j)；辐射波长为λ2的灰度矩阵为I2(i,j)，将灰度值和对应的波长代入黑体辐射公式：
Figure BDA0003006502470000097
两式相除，消掉未知常数ε，有：
Figure BDA0003006502470000098
其中h为普朗克常数，c为光速，kB为玻尔兹曼常数。(2)式中只有T(i,j)为未知量，代入数据可求得温度T(i,j)。
结合CCD或CMOS图像传感器的像素尺寸参数和光学成像镜头的放大率参数，对T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体所在物空间的温度分布T(x,y)。

Claims (9)

1.一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：它包括：光学成像镜头(1)、分束镜(2)、第一窄带滤光片(3)、第二窄带滤光片(4)、第一阵列式光学传感器(5)、第二阵列式光学传感器(6)、爆炸起始信息采集模块(7)和快门控制模块(8)，在金属丝爆炸源(9)的前方固定有光学成像镜头(1)，在光学成像镜头(1)后端有分束镜(2)，分束镜(2)将光学成像镜头(1)对爆炸源(9)的成像分成两路，两路光路上分别有第一窄带滤光片(3)和第一阵列式光学传感器(5)，第二窄带滤光片(4)和第二阵列式光学传感器(6)；第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)将最终的成像检测信息提供给爆炸起始信息采集模块(7)进行金属丝电爆炸温度分布提取。
2.根据权利要求1所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的分束镜(2)为宽带分束镜，分束镜(2)在整个爆炸辐射谱线内的分束比例为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的第一窄带滤光片(3)和第二窄带滤光片(4)的透过中心波长分别记为λ1和λ2，第一窄带滤光片(3)和第二窄带滤光片(4)的透过中心波长不同，均位于辐射谱线内。
4.根据权利要求1所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)为两个相同的传感器，为CCD或CMOS图像传感器。
5.根据权利要求1所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的光学成像镜头(1)对爆炸体进行成像，从成像镜头输出的光线被分束镜(2)分为两束，分别到第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)的成像接收面。
6.一种测量金属丝电爆炸温度分布的方法，其特征是：包括光学成像镜头、分束镜、两个中心波长不同的窄带光学滤波片，两台阵列式光学传感器，爆炸信号采集模块，以及快门控制模块；成像镜头对爆炸体进行成像，从镜头输出的成像光线经分束镜分为两束，分别经两个光学滤波片滤光后进入光学阵列传感器；两个阵列式光学传感器均位于成像镜头的成像接收面上，从而两个阵列式光学传感器实现对爆炸体不同波长的灰度成像；爆炸信号采集模块采集电爆炸的起始信号，将该信号送入快门控制模块，控制模块根据设定的采集延时，向光学传感器发送快门控制信号；两个光学传感器同时对爆炸体进行灰度成像，分别记录波长为λ1和λ2辐射的灰度图像；将辐射波长λ1、λ2及其对应的灰度值结合黑体辐射公式进行运算，得到爆炸体空间温度分布。
7.根据权利要求6所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的方法，其特征是：所述的两个光学传感器分别是第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)，两个光学滤波片分别是第一窄带滤光片(3)和第二窄带滤光片(4)，分束后的成像光线分别经第一窄带滤光片(3)和第二窄带滤光片(4)滤光后进入第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)；第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)均位于光学成像镜头(1)的成像接收面上，这样，第一阵列式光学传感器(5)的CCD对辐射波长λ1进行灰度成像，第二阵列式光学传感器(6)的CCD对辐射波长λ2进行灰度成像，爆炸起始信息采集模块(7)采集爆炸起始信号，将该信号送入快门控制模块(8)，快门控制模块(8)中存储了来自两路的成像延时数据，记为Δτ1，Δτ2，…，ΔτN，快门控制模块(8)根据延时数据对起始信号进行延时后，生成同步控制信号，对第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)的快门打开时间进行控制；在一次测量当中，第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)采用相同的的曝光时间。
8.根据权利要求6所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的方法，其特征是：所述的爆炸起始信息采集模块(7)采集爆炸起始信号Δτ1，快门控制模块(8)在起始信号Δτ1后，打开第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)的电子快门进行曝光，从金属丝爆炸源(9)发出的光线被成像在第一阵列式光学传感器(5)和第二阵列式光学传感器(6)的接收面上，分别记录下辐射波长λ1、λ2的灰度图像，为两个矩阵，记为
Figure FDA0003006502460000031
对这两个矩阵进行数据处理，即可得到Δτ1时刻爆炸体的温度分布
Figure FDA0003006502460000032
快门控制模块(8)将延时调整为Δτ2，重复上述过程，可测得Δτ2时刻的温度分布
Figure FDA0003006502460000033
重复该过程N次，可测得各延时下的温度分布，最终得到温度的时空分辨数据：
Figure FDA0003006502460000034
9.根据权利要求8所述的一种测量金属丝电爆炸温度分布的方法，其特征是：所述的对这两个矩阵进行数据处理，即可得到Δτ1时刻爆炸体的温度分布中的温度是依据：
黑体辐射公式计算：
Figure FDA0003006502460000041
其中h为普朗克常数，c为光速，kB为玻尔兹曼常数；
具体计算过程是：设某个延时下记录的辐射波长为λ1的灰度矩阵为I1(i,j)；辐射波长为λ2的灰度矩阵为I2(i,j)，将灰度值和对应的波长代入黑体辐射公式：
Figure FDA0003006502460000042
两式相除，消掉未知常数ε，有：
Figure FDA0003006502460000043
(2)式中只有T(i,j)为未知量，代入灰度矩阵数据可求得温度T(i,j)，结合CCD或CMOS图像传感器的像素尺寸参数和光学成像镜头的放大率参数，对T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体所在物空间的温度分布T(x,y)。
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