比色高温传感器参数分析及其在爆炸场中的应用

随着现代科技的发展，温度的测量与控制在国防军事、科学实验及工农业生产中具有越来越重要的作用，尤其是航天、兵器领域 ，有很多测量目标都是随时间迅速变化的瞬态高温，而瞬态温度涉及到物质传递、能量释放等多个方面，可以很好地反映燃烧爆炸过程中非常关键的信息。

瞬态温度测试工作的特点往往是作用时间短、温度极高且上升速率快、常伴有高速气流或高压冲击波，大多数都是不可以重复的-次性过程，因此，测试条件十分恶劣，技术难度大，尤其是在外场条件下实验的成本会特别高，对数据的捕获率与系统的可靠性都有很高的要求，很难用传统的方法进行测量。

温度测量分为接触测温与非接触测温两大类，接触测温法主要有热电偶和热电阻，其测得的温度虽然是物体的真实温度，但其动态特性差，且对被测物体的温度场有影响，此外受传感器材料耐温上限的限制，不宜用于超高温测量 非接触测温在理论上不存在测温上限，具有测温范围广、响应速度快、不破坏被测对象温度场等特点，因此被广泛用于瞬态高温的测量。非接触测温目前仍以辐射测温法为主1]，与原子光谱法和激光光谱法等其他测温方法比较起来，辐射测温成本低廉、系统可靠、操作简单。

综合各种非接触测温方法来看，目前已有多种测温原理和装置问世 ，比如红外热成像仪、多波长测温仪和各种激光光谱法等。但是对高量程、高响应速度和高冲击加速度的爆炸温度场，上述各种仪器不仅成本偏高，而且数据分析复杂，对操作人员的技术要求较高，不适合普遍使用。针对以上需求，就现有的工业用红外比色测温仪进行系统的分析和优化，以期实现对瞬态高温响应的准确动态检测。

1 比色测温系统设计辐射测温最基本的定律是黑体的光谱辐射强度分布，由Planck定律给出，即T)- (1)式中，i 为单- 方 向黑体 的光谱辐射 强度 (W ·m ·m )， 为波长( m)，T为物体温度(K)，C 为第-辐射常数(取0.595 531×10 W·m2)，Cz为第二辐射常数(取1.438 786×10 in·K)。根据 Planck辐射定律，在不同波长 和 z下对同-温度T进行测量，仪器将辐射能转换为电流信号 J 和J。，则测量结果之比R随温度的变化关系为Rc -皂-(鲁) 蓑爱邕 是菩≈(鲁)expI(1- )]以上即为比色测温的基本原理。而对于实际物体必须考收稿日期：2012-12-02，修订 日期：2013-01-25基金项目：科技部973”项目(2011CB706900)资助作者简介：李 磊，1988年生，北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室硕士研究生 e-mail.nm.nj.1ei###163.com通讯联系人 e-mail：qmliu###bit.edu.cn第 9期 光谱学与光谱分析 2467虑其发射率e(A ，丁)。通常选取两个非常相近的波段进行测量，并近似认为 - ，这样就不必知道物体的发射率同时避免了因环境条件剧烈变化而引入的结果误差；而且根据能量随温度变化的非线性关系可以确定：测温仪所测得的温度是视场光路上的最高温度5]，因此比色法很适合测试燃烧爆轰等瞬态高温现象。

比色测温系统在金属加工、燃料燃烧、武器生产及运用方面已经有大量的文献报道6 ]，但对于瞬态高温的测试，比色法目前在量程、响应速度和精度上都有-定的缺陷，如比色测温在测量金属热加工表面温度时的误差达 9.5 ～13 g]，在测量 FAE爆炸火球温度时的单次误差为 7.8 ～16.7 [10J。 为了能实现快速、准确的高温测试，对 比色测温系统要求其测温范围在 l 200 3 500 K，响应速率在 5O s以内，高温段测试误差不超过 1 。基于此我们对现有的比色测温仪进行了改进和优化。

1.1 最优波长选择实验中的两探测器分别以 si和 Ge光电二极管为光敏元件，响应时间为4 s，峰值探测率分别为 1.0×10和 1.5×10”cm·Hz ·W- ，有效工作区间分别为 0.5～1.2和1.O～ 1.8m。

除了探测器本身的有效工作波段限制以外，选择吸收波长的主要依据l ]如下：根据韦恩位移定律，温度在 2 000～ 3 500 K的火焰或爆轰产物(视为黑体时)其最大吸收波长在0.83～1.45 m的近红外范围内；必须避开爆轰产物中非对称分子结构的物质如 CO，Hz0(g)以及Alz03(s)等对红外辐射具有强烈吸收作用的谱带；引入温度灵敏度s(T)作为衡量系统响应特性的重要指标 ，分别比较了单通道电流信号的温度灵敏度s，(T)和比值的温度灵敏度 (T)，计算公式如下s cT - - ( ) ㈤SR(T) -(鲁) e冲譬( - )]·导( - ) c4 丁 1 z/图 1和图 2是根据式(3)和式(4)绘制出的不同波长下电流灵敏度和比值灵敏度随温度的变化情况，可见在2 000 K以上的高温段，电流灵敏度 S (T)随温度的变化很大 ，其中最灵敏的波长位于 0.65～O.95 hem范围内；而双波长及其间Fig.1 Current sensitivity with differentwavelengths temperature隔对比值灵敏度SR(T)的影响更明显，其中(O.957，1.474)m这种情况的灵敏度最大，是响应速度和可靠性最好的组合。

l 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 40oo乃Fig.2 Ratio sensitivity with differentwave bands tempe rature综合考虑以上因素初步确定比色测温系统中si和Ge探测器的最优波长分别为 0.957和 1.474 bcm。

通常比色测温在计算温度的时候并没有考虑吸收波长带宽 锨 的影响，但感光元件本身客观存在-定的带宽，那么探测器接收到的辐射能量应按波段积分值计算，这样得到的结果更符合实际情况。以21-0.957 m和221.474肛m为两个探测器的中心波长，分别比较了320.5 Izm， -0.2m和 3A0三种带宽情况下输 出比值的变化关 系，如 图 3所示，可见波长带宽对于比值的影响很大尤其是在高温段。

当然每个探测器具体的带宽都不同，而且仪器电路、检测光路和环境变化等因素都会影响比色系统的工作参数和测试精度，因此要得到准确的中心波长丸和相应的波段上下限扎和 的值(即仪器的实际工作参数)就必须通过标定实验。

T/KFig.3 TheinflueiIce ofwavelengthbandwidth on outputratio1.2 光路电路设计图 4是实验测试爆炸瞬态温度场热辐射的光路示意图，比色测温仪最前端为-汇聚光能的凸透镜，焦距为，；其后放置光电探测器以接收辐射能量，也即光线进入仪器所成的像，探测器和透镜间的距离即透镜的相距 ；As为辐射能量经测温系统透镜后到达探测器的发光面积，直径为d；A 为进入探测器视场的待测爆炸云雾的发射面积，直径为D；此区域距仪器最前端凸透镜的距离为L，L：D称为仪器的距离系数，具体值为250：1。

--I 丌1)/ 0- -2468 光谱学与光谱分析 第 33卷Fig.4 Optical schematic diagram of explosion temperaturefield measured by the colorimetric thermometer由热辐射特性可知，高温物体发出的辐射能量不仅受发射率和吸收波长的影响，还与发射角度和发射面积有关，也就是与辐射立体角 n和仪器距离系数有关。

那么该区域的爆炸云雾发射出的辐射能量为PT- Ii ( ) T (5)JⅡ 其中i ( )为高温云雾的方向-光谱辐射强度，按 Planck辐射定律计算，n为辐射出射的立体角，具体计算式为12- A s- 警- ( ) (6)对光探测器，单位面积的光探测器接收的能量为i ( )d m 。

eS - eT- - - ) (7)而从图4中透镜成像的几何关系知，当物距无限远时，相距 永远大于焦距 -厂但会无限趋近于，，因此发光面积与成像的面积比为A T- (寺)≈(争) (8)那么探测器每单位面积实际接收的能量为- ) (睾)2 (罟) -f等 ( ) -。f b e，I( ) (9) J/J AaJ Aa式中， ( )为物体的半球光谱辐射力，其数值是相同条件下方向 光谱辐射力的 倍。系数 n为探测器直径与透镜焦距之比的平方，对确定的光探测器和仪器光路，a的值就可以唯-确定 。

考虑到仪器本身存在暗电流和光线选择透射等问题，将这些涉及系统光路、电路的影响因素总称为系统光电转换系数，记为k，单位为 A·w ，表示仪器单位时间内输出的电信号与其接收到的辐射能量问的倍数关系，是-个只与系统设计有关的常量，可通过标定实验获得。

由于电路的影响，当被测温度接近室温时探测器本身也会有微弱的电信号，这两个探测器的零点信号值也要通过实验确定。这样实际操作中计算温度使用的比值应为各探测器输出电信号的值再减去相应的零点值之比。

经过上述优化处理的比色测温系统，其测温原理可表述如下：设si和Ge两探测通道的光电转换系数为k 和惫z，标定得到的具体工作波段为( 6) m与( 2。， 26) m，测量温度为TK的物体时输出的电流信号为 J 和 ，经实验确定其相应的零点电信号为 I-o-120-0.08 A，则比值-温度的对应关系为R - -： 2G。 J 丽 (1o)根据上式可以编制出用于数据分析的求解程序，只要确定式中的各系数，就可得到比值R与温度T的对应关系；反之将确定的R-T数据代人程序，则可以求出具体的系数值。

2 系统标定方法优选采用中国计量院高温黑体炉对改进后的比色测温系统进行标定，就比色测温系统而言，需确定的系数有各探测器吸收波长的上下限 和 和光电转换系数k，这样每个探测器需要三个不同的标准温度测试值才能最终确定上述参数。

显然标定结果的准确性与标准温度点的选取有极大关系，对以下 三种标准温度 的选取情 况进行 了综合 比较：1 400，2 000和 2 800℃三点间隔均匀，兼顾低温和高温；1 800，2 20O和 2 400℃三点间隔较密，多为高温点；850，1 200和 1 350℃三点间隔紧密且均为低温点。

图 5为上述三种标定结果的理论 曲线图，与高温黑体炉的实测结果相比，显然根据第-组标准点所得结果的精度最高，第二组的标定曲线在高温段略有偏差。三种情况下主要温度的计算值和相对误差列于表 i。

3 5003 0002 5002000l 500l 00050o0 0.5 1.O 1.5 2.ORI(Si)/i(Ge)Fig.5 Comparison ofthetheoretical curves obtained by differ-ent calibration methods经比较分析，最终选用 1 400，2 000和 2 800℃为标准温度，分别记录两探测器输出的电流信号，代人标定求解程序即可最终确定测温系统的工作参数和理论响应关系，以下是其中-台仪器的具体标定结果。表 2是经标定实验确定的各探测器工作参数，图6所示为合成探测器的电流和输出比值响应曲线。

利用黑体炉得到的其他几个温度测试值，可以校验标定结果的精确性，从表3中的具体数据可见本测温仪在设计量程内各点的误差均不超过0.5 ，完全满足精度要求。

3 瞬态高温测试利用标定好的比色测温仪对燃料空气xx的爆炸温度场第 9期 光谱学与光谱分析 2469Table 2 Operational parameter of colorimetric thermometer3 5003 ooO2 50020ool 5o01 00050oO 20ooO 40 000If t3 5oo3 Ooo2 5o02 000l 50o1 Ooo50060 ooO 0 0.5 1.0 1.5RI(Si)/I(Ge)n昏6 Output and temperature of the colorimetric thermometer(a)：output currents of Si，Ge photo detectors；(b)：output ratio of colorimetric thermometerTable3 Accuracy analysis of test consequence by the colorimetric therm ometer进行动态测试，燃料空气xx由固态铝粉、液态燃料以及高能xx、敏化剂等组成，装药总质量 5.6 kg，采用中心分散装药、二次引爆作用，引爆后形成的高温云雾区近似为圆柱形，直径8 m。选取两台比色测温仪分别对爆心及距离爆心2m处的云团温度进行检测。仪器放置处距离云雾爆轰中心约L-50 1TI，根据仪器的距离系数L：D-250：I，本实验中仪器可测最小 目标直径为 D0.2 m。

图7所示为弹心处和距弹心 2 m处的电压响应信号，将两探测器通道的电压信号值相比即是仪器输出比值R，根据标定所得的理论关系曲线及其拟合公式即可将比值转化为温度数据，对应的温度响应关系曲线见图8。

2470 光谱学与光谱分析 第 33卷0.28O·240.200.160.120.08O·O402 5002 0001 500l 00050088 90 921，O0.80.60.40.2O80 82 84 86 88 90 92 94t/msVoltage responsive curve of doud explosion2 80024002 000ph 1 600l 20080o80 82 84 86 88 90 92 80t/ms85 90 95 1O0t/msFig.8 Temperature responsive curve of cloud explosion实验中各测点的测温结果列于表 4，云雾爆轰中心处的最高温度为2 513.8℃，持续时间 10.5 ms；距爆心 2 m处云团温度最高，峰值为 2 759.2℃，持续时间 8.6 ms。这是因为爆轰中心在燃料抛撒分散过程中与周围空气接触有限而形成空腔，使云爆燃料与空气未能混合均匀、造成爆轰不完全；而在距爆心 2 m处燃料与空气充分混合并达到完全爆轰状态，火球的温度也最高而且比较稳定∩见爆炸云团具有显著的高温毁伤特性。

Table 4 Test consequence of cloud exp losive temperature fidd4 结 论(1)系统分析了仪器的主要参数，包括中心吸收波长、波长带宽、立体角及光路电路等因素对比色测温仪响应速度和测试精度的影响程度，并从理论上确定了适用于瞬态高温测试的最优工作参数。

(2)提出精确分析比值-温度关系的计算公式，并编制程序以用于仪器标定和结果分析。

(3)提出以光电转换系数和工作波长上下极限为对象的标定方法，并通过高温黑体炉标定实验比较了选取不同标准温度所得标定结果的理论关系曲线。

(4)选取最优标定温度通过标定程序确定了仪器实际工作参数和理论响应关系，同时验证了仪器测温误差在 1 以内。

(5)现场动态测试了燃料空气爆炸场的温度响应，得到云雾爆轰区温度随时间、距离的响应关系。

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Research on Parameters of Dynamic Colorimetric Temperature Sensor andIts Application to Fuel Air Explosion Temperature Field DetectionLI Lei，LIU Qing-ming ，WANG Jian-pingState Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，ChinaAbstract According to the theory of colorimetric thermometry，the influences of center wavelength，wavelength bandwidth andsolid angle on response speed and the precision of the sensor was analyzed systematically，and the operating parameters for transi-ent high temperature measurement system were determined.A calculation method based on photoelectric conversion coefficient，and higher and lower operating wavelength of the colorimetric temperature sensor was given.At the optima l operating tempera-ture，calibration experiment was conducted in a high temperature blackbody furnace.Based on the experimental results，the oper-ating parameters of the sensor were determined and the colorimetric temperature response was calculated.The results show thatthe errors between the calculated response and the experiment one are less than 1 .By using the colorimetric temperature sen-sor，the temperature response of fuel air explosion field was detected and the variations of temperature with time and space in det-onation field were obtained。

Keywords Dual wavelength radiation temperature measurement；Radiation temperature measurement；Instantaneo us high-tern-perature；Calibration experiment；Explosive temperatureCorresponding author(Received Dec.2，2012；accepted Jan. 25，2013)