CN113418625A - 一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速温度分布测量技术，特别是一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置与方法，其特征是，至少包括：第一激光器、第二激光器、合束镜、第一反射镜、光学扩束系统、光束会聚单元、分束镜、第二反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第一光学阵列传感器、第二光学阵列传感器、爆炸信号采集模块和控制模块；第一激光器和第二激光器分别发出波长为λ1和λ2的激光光束。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速变化数据，实现温度的高时空分辨测量的用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置与方法。

Description

一种采用双波长激光测量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，特别是一种采用双波长激光测量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速变化数据，实现温度的高时空分辨测量的用双波长激光测量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，一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是，至少包括：第一激光器、第二激光器、合束镜、第一反射镜、光学扩束系统、光束会聚单元、分束镜、第二反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第一光学阵列传感器、第二光学阵列传感器、爆炸信号采集模块和控制模块；第一激光器和第二激光器分别发出波长为λ1和λ2的激光光束，波长为λ1和λ2 的激光光束分别进入合束镜与第一反射镜入射光学面，波长为λ2的激光光束经第一反射镜反射至合束镜的反射输出面；波长为λ1的激光光束经合束镜后折射输出，波长为λ1的折射输出光与波长为λ2 的反射输出光合为一束光后经光学扩束系统，由光学扩束系统扩束后通过爆炸体，在由爆炸体输出进入光束会聚单元，经光束会聚单元对光束进行会聚，会聚后的输出光重新经分束镜和第二反射镜分成两束平行光，两束平行光在经第一滤光片和第二滤光片滤波，分别滤出波长为λ1和λ2的激光光束，并分别进入第一光学阵列传感器和第二光学阵列传感器的检测面；第一激光器和第二激光器及第一光学阵列传感器和第二光学阵列传感器分别与爆炸信号采集模块电连接，爆炸信号采集模块和控制模块电连接，爆炸信号采集模块采集电爆炸的起始信号；控制模块对起始信号经过一定的延时后，触发第一激光器、第二激光器和第一光学阵列传感器、第二光学阵列传感器同步工作，控制模块对起始信号进行不同时段人延时，记为Δτ₁，Δτ₂，...，Δτ_N，控制模块存储Δτ₁，Δτ₂，...，Δτ_N延时数据，第一光学阵列传感器和第二光学阵列传感器曝光后，分别记录下两个波长的灰度图像矩阵，将两个灰度图像矩阵进行数据处理，消除爆炸体中散射效应的影响，再结合吸收系数与波长和温度的关系，获得温度分布数据，通过调整触发信号的延时，可以测得不同时刻的温度分布，从而获得高时空分辨的温度数据。

所述的第一激光器、第二激光器是脉冲宽度在纳秒量级激光器。

所述的第一激光器和第二激光器的波长分别记为λ1和λ2，λ1 和λ2相差在10-20nm范围之间。

所述的第一反射镜对波长λ2全反射，第一反射镜和合束镜将第一激光器和第二激光器发出的激光合为一束。

所述的光学扩束系统用于对第一激光器和第二激光器发出的光束的进行扩束，扩束后的光束宽度与爆炸体的分布范围一致。

一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的方法，其特征是：爆炸体爆炸后，爆炸信息采集模块采集爆炸起始信号，快门控制模块对起始信号延时Δτ₁后，给第一激光器、第二激光器发送触发信号，给第一光学阵列传感器、第二光学阵列传感器发送快门触发信号，第一激光器、第二激光器发出的光束经合束、扩束后进入爆炸体，经爆炸体散射、吸收后的透射光被光束会聚单元会聚，会聚后的光束经分束后，分别经第一滤光片和第二滤光片滤光后，进入第一光学阵列传感器和第二光学阵列传感器的检测面；第一光学阵列传感器和第二光学阵列传感器记录了透射光中波长λ1的光强分布，设记录到的波长为λ₁的光强矩阵为

波长为λ₂的光强矩阵为

略去延时标记，存在爆炸体时，将某个延时不同时间下记录的波长为λ₁的光强矩阵记为I₁(i,j)；波长为λ₂的光强矩阵记为I₂(i,j)，则如下公式成立：

其中σ为散射系数，α为吸收系数。由于λ₁、λ₂相差不大，可近似认为散射系数相等，两式相除，消掉散射系数σ，有：

即

结合吸收系数与波长、温度的关系，可求得各像素对应的温度T(i,j)；结合第一光学阵列传感器(11)、第二光学阵列传感器(12)的像素尺寸参数和光学系统的放大率参数，对T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体温度分布T(x,y)。

本发明的原理及优点是：采用双波长激光来测量爆炸体的空间温度分布。测量时，双波长激光系统在触发信号控制下，向爆炸体发射双波长脉冲激光，从爆炸体透过的双波长激光经滤光片滤光后，分别进入两个光学阵列传感器。光学阵列传感器曝光后，分别记录下两个波长的灰度图像。将两个灰度矩阵进行数据处理，消除爆炸体中散射效应的影响。再结合吸收系数与波长和温度的关系，获得温度分布数据。通过调整触发信号的延时，可以测得不同时刻的温度分布，从而获得高时空分辨的温度数据。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

图1采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置的结构图。

图中，1、第一激光器；2、第二激光器；3、合束镜；4、第一反射镜；5、光学扩束系统；6、光束会聚单元；7、分束镜；8、第二反射镜；9、第一滤光片；10、第二滤光片；11、第一光学阵列传感器；12、第二光学阵列传感器；13、爆炸信号采集模块；14、控制模块；15、爆炸体。

具体实施方式

如图1所示，一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是，至少包括：第一激光器1、第二激光器2、合束镜3、第一反射镜4、光学扩束系统5、光束会聚单元6、分束镜7、第二反射镜8、第一滤光片9、第二滤光片10、第一光学阵列传感器11、第二光学阵列传感器12、爆炸信号采集模块13和控制模块14；第一激光器1和第二激光器2分别发出波长为λ1和λ2的激光光束，波长为λ1和λ2的激光光束分别进入合束镜3与第一反射镜4入射光学面，波长为λ2的激光光束经第一反射镜4反射至合束镜3的反射输出面；波长为λ1的激光光束经合束镜3后折射输出，波长为λ1的折射输出光与波长为λ2的反射输出光合为一束光后经光学扩束系统5，由光学扩束系统5扩束后通过爆炸体15，在由爆炸体15 输出进入光束会聚单元6，经光束会聚单元6对光束进行会聚，会聚后的输出光重新经分束镜7和第二反射镜8分成两束平行光，两束平行光在经第一滤光片9和第二滤光片10滤波，分别滤出波长为λ1和λ2的激光光束，并分别进入第一光学阵列传感器11和第二光学阵列传感器12的检测面；第一激光器1和第二激光器2及第一光学阵列传感器11和第二光学阵列传感器12分别与爆炸信号采集模块13电连接，爆炸信号采集模块13和控制模块14电连接，爆炸信号采集模块13采集电爆炸的起始信号；控制模块14对起始信号经过一定的延时后，触发第一激光器1、第二激光器2和第一光学阵列传感器11、第二光学阵列传感器12同步工作，控制模块14对起始信号进行不同时段人延时，记为Δτ₁，Δτ₂，...，Δτ_N，控制模块14 存储Δτ₁，Δτ₂，...，Δτ_N延时数据，第一光学阵列传感器11和第二光学阵列传感器12曝光后，分别记录下两个波长的灰度图像矩阵，将两个灰度图像矩阵进行数据处理，消除爆炸体中散射效应的影响，再结合吸收系数与波长和温度的关系，获得温度分布数据，通过调整触发信号的延时，可以测得不同时刻的温度分布，从而获得高时空分辨的温度数据。

第一激光器1、第二激光器2是脉冲宽度在纳秒量级激光器，第一激光器1和第二激光器2的波长分别记为λ1和λ2，λ1和λ2相差在10-20nm范围之间。

第一反射镜4对波长λ2全反射，第一反射镜4和合束镜3将第一激光器1和第二激光器2发出的激光合为一束。

光学扩束系统5用于对第一激光器1和第二激光器2发出的光束的进行扩束，扩束后的光束宽度与爆炸体的分布范围一致。

一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的方法：爆炸体15爆炸后(金属丝电爆炸装置启动后)，爆炸信息采集模块13采集爆炸起始信号，快门控制模块14对起始信号延时Δτ₁后，给第一激光器1、第二激光器2发送触发信号，给第一光学阵列传感器11、第二光学阵列传感器12发送快门触发信号，第一激光器1、第二激光器2发出的光束经合束、扩束后进入爆炸体，经爆炸体散射、吸收后的透射光被光束会聚单元6会聚，会聚后的光束经分束后，分别经第一滤光片9和第二滤光片10滤光后，进入第一光学阵列传感器11和第二光学阵列传感器12的检测面；第一光学阵列传感器11和第二光学阵列传感器12记录了透射光中波长λ1的光强分布，记为

第二光学阵列传感器12记录了透射光中波长λ2的光强分布，记为

对这两组数据进行数据处理，即可得到Δτ₁时刻爆炸体的温度分布

快门控制模块14对起始信号延时Δτ₂，重复上述过程，可测得Δτ₂时刻的温度分布

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：

对这两组数据进行数据处理，即可得到Δτ₁时刻爆炸体的温度分布

是通过如下获取：

设记录到的波长为λ₁的光强矩阵为

波长为λ₂的光强矩阵为

略去延时标记，存在爆炸体时，将某个延时不同时间下记录的波长为λ₁的光强矩阵记为I₁(i,j)；波长为λ₂的光强矩阵记为 I₂(i,j)，则如下公式成立：

其中σ为散射系数，α为吸收系数。由于λ₁、λ₂相差不大，可近似认为散射系数相等，两式相除，消掉散射系数σ，有：

即

结合吸收系数与波长、温度的关系，可求得各像素对应的温度T(i,j)；结合第一光学阵列传感器11、第二光学阵列传感器12(或CCD或CMOS图像传感器)的像素尺寸参数和光学系统的放大率参数，对 T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体温度分布T(x,y)。

Claims (6)

1.一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是，至少包括：第一激光器(1)、第二激光器(2)、合束镜(3)、第一反射镜(4)、光学扩束系统(5)、光束会聚单元(6)、分束镜(7)、第二反射镜(8)、第一滤光片(9)、第二滤光片(10)、第一光学阵列传感器(11)、第二光学阵列传感器(12)、爆炸信号采集模块(13)和控制模块(14)；第一激光器(1)和第二激光器(2)分别发出波长为λ1和λ2的激光光束，波长为λ1和λ2的激光光束分别进入合束镜(3)与第一反射镜(4)入射光学面，波长为λ2的激光光束经第一反射镜(4)反射至合束镜(3)的反射输出面；波长为λ1的激光光束经合束镜(3)后折射输出，波长为λ1的折射输出光与波长为λ2的反射输出光合为一束光后经光学扩束系统(5)，由光学扩束系统(5)扩束后通过爆炸体(15)，在由爆炸体(15)输出进入光束会聚单元(6)，经光束会聚单元(6)对光束进行会聚，会聚后的输出光重新经分束镜(7)和第二反射镜(8)分成两束平行光，两束平行光在经第一滤光片(9)和第二滤光片(10)滤波，分别滤出波长为λ1和λ2的激光光束，并分别进入第一光学阵列传感器(11)和第二光学阵列传感器(12)的检测面；第一激光器(1)和第二激光器(2)及第一光学阵列传感器(11)和第二光学阵列传感器(12)分别与爆炸信号采集模块(13)电连接，爆炸信号采集模块(13)和控制模块(14)电连接，爆炸信号采集模块(13)采集电爆炸的起始信号；控制模块(14)对起始信号经过一定的延时后，触发第一激光器(1)、第二激光器(2)和第一光学阵列传感器(11)、第二光学阵列传感器(12)同步工作，控制模块(14)对起始信号进行不同时段人延时，记为Δτ₁，Δτ₂，…，Δτ_N，控制模块(14)存储Δτ₁，Δτ₂，…，Δτ_N延时数据，第一光学阵列传感器(11)和第二光学阵列传感器(12)曝光后，分别记录下两个波长的灰度图像矩阵，将两个灰度图像矩阵进行数据处理，消除爆炸体中散射效应的影响，再结合吸收系数与波长和温度的关系，获得温度分布数据，通过调整触发信号的延时，可以测得不同时刻的温度分布，从而获得高时空分辨的温度数据。

2.根据权利要求1所述的一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的第一激光器(1)、第二激光器(2)是脉冲宽度在纳秒量级激光器。

3.根据权利要求1所述的一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的第一激光器(1)和第二激光器(2)的波长分别记为λ1和λ2，λ1和λ2相差在10-20nm范围之间。

4.根据权利要求1所述的一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的第一反射镜(4)对波长λ2全反射，第一反射镜(4)和合束镜(3)将第一激光器(1)和第二激光器(2)发出的激光合为一束。

5.根据权利要求1所述的一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的装置，其特征是：所述的光学扩束系统(5)用于对第一激光器(1)和第二激光器(2)发出的光束的进行扩束，扩束后的光束宽度与爆炸体的分布范围一致。

6.一种采用双波长激光测量电爆炸温度分布的方法，其特征是：爆炸体(15)爆炸后，爆炸信息采集模块(13)采集爆炸起始信号，快门控制模块(14)对起始信号延时Δτ₁后，给第一激光器(1)、第二激光器(2)发送触发信号，给第一光学阵列传感器(11)、第二光学阵列传感器(12)发送快门触发信号，第一激光器(1)、第二激光器(2)发出的光束经合束、扩束后进入爆炸体，经爆炸体散射、吸收后的透射光被光束会聚单元(6)会聚，会聚后的光束经分束后，分别经第一滤光片(9)和第二滤光片(10)滤光后，进入第一光学阵列传感器(11)和第二光学阵列传感器(12)的检测面；第一光学阵列传感器(11)和第二光学阵列传感器(12)记录了透射光中波长λ1的光强分布，设记录到的波长为λ₁的光强矩阵为

波长为λ₂的光强矩阵为

略去延时标记，存在爆炸体时，将某个延时不同时间下记录的波长为λ₁的光强矩阵记为I₁(i,j)；波长为λ₂的光强矩阵记为I₂(i,j)，则如下公式成立：

其中σ为散射系数，α为吸收系数。由于λ₁、λ₂相差不大，可近似认为散射系数相等，两式相除，消掉散射系数σ，有：

即

结合吸收系数与波长、温度的关系，可求得各像素对应的温度T(i,j)；结合第一光学阵列传感器(11)、第二光学阵列传感器(12)的像素尺寸参数和光学系统的放大率参数，对T(i,j)进行空间位置映射，可得爆炸体温度分布T(x,y)。

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