1、第 1 页 共 49 页瞬态高温的测试方法与实现摘 要在武器的研制和生产中，有许多研究对象需要测量的是随时间快速变化的瞬态温度，这些瞬态温度的共同特点是温度高，变化快，测量条件恶劣，常伴有高压或高速气流流动，多为不可重复一次性过程。因此，测量条件非常困难，技术难度很高。本文主要研究温压弹爆温参量的测试技术，阐述了温度测量的国内外现状和发展趋势，针对爆炸场温度测试的特殊性确定了温度测试系统的主要技术指标，建立了系统的总体设计方案，并根据系统的测试要求选定了适合爆炸恶劣环境测试的美国 NANMAC 公司的 E12 型温度传感器。同时根据总体方案设计了系统硬件电路，其中模拟部分主要有温度补偿电路、电
2、源电路、抗混叠滤波器等,重点介绍温度补偿原理及其补偿电路的设计。数字部分有逻辑控制电路、存储电路以及后续的接口电路等，其中数字部分主要是以 CPLD 为控制核心，完成采样过程和数据存储的时序控制功能。同时针对温压弹爆炸场下电磁干扰强的特点进行了系统电磁兼容性设计。系统软件部分主要用 VB 编写了读数程序。测试数据通过 USB口读入计算机，完成数据的通信、显示、处理等功能。最后对系统进行了调试。本文研究的瞬态高温测试系统具有体积小、低功耗、抗干扰能力强等特点，能够在高温、高压、高冲击、强电磁干扰环境下准确、可靠地实时测量温度场爆温参量。关键词: 瞬态高温、温度传感器、温度补偿第 2 页 共 49
3、 页Transient high-temperature test methods and implementationAbstractIn the development and production of weapons, many of the object to be measured is the time fast transient temperature, these transient temperature have in common is high temperature, change quickly measure harsh conditions often ac
4、companied by a Gaoya or high-speed Qi Liu flows, mostly one-time process can not be repeated. Therefore, the measurement is very difficult conditions, technology is very difficult. This paper mainly studies temperature parameters measurement technology at explosion of thermobaric bomb,In this paper,
5、the domestic and foreign temperature Measurement present situations and the trend of development are elaborated.Aimed at the particular environment in the explosion of thermobaric bomb,the main technical parameters of the temperature Measurement system are determined;the design scheme of the system
6、is established.And the Nanmac Corporations temperature sensor is selected in accordance with the test system for explosion environment.And design the system hardware electric circuits which mainly include analogous circuit and Digital circuit.The analogous circuit include temperature compensation ci
7、rcuit,power circuit,Anti-alias filter and so on，especially introduce the principle of temperature compensation and the compensation circuit design.The Digital circuit takes the CPLD as control core to complete the sampling process and the data storage sequential control function,aiming at EMI in exp
8、losion environment of thermo baric bomb,researched on the systems EMC. The read routine is compiled with VB,The test data is sent into computer through USB to complete the communication,displaying and processing, etc.Finally,the system was tested.In this paper,super high temperature measurement syst
9、em with small size,low power,anti-interference ability etc.the system can work exactly,reliably and in a real-time to get the super high Detonation temperature parameters in the environment which is with high temperature and high pressure,high-impact,strong electromagnetic interference environment.K
10、eyword:Transient high-temperature, temperature sensor, temperature compensation第 3 页 共 49 页1 绪论1.1 课题的目的和意义温度是工农业生产、科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量 1。在武器的研制和生产中，有许多研究对象需要测量的是随时间快速变化的瞬态温度，如枪炮膛内火药气体的温度，身管内外壁的瞬态温度，火箭及导弹燃气射流温度，爆炸与爆轰温度等等。这些瞬态温度的共同特点是温度高，变化快，测量条件恶劣，常伴有高压或高速气流流动，多为不可重复一次性过程。因此，测量
11、条件非常困难，技术难度很高。瞬态高温对兵器的使用寿命、效能和性能有很大的影响。就火炮而言，在火炮的设计和生产过程中，测出膛内的瞬态温度及其分布，了解火药气体对炮管的烧蚀作用，并采取积极有效的措施抑制火焰强度，减轻烧蚀，提高身管的使用寿命。测出膛口气流和火焰温度，可深入了解膛口闪光的形成机理有效地减弱闪光亮度，减少炮兵的可探测性，提高自身的生存能力 2。静态爆轰的瞬态高温的研究就是让被测物处于静止状态使其引爆，并测量其瞬态高温，对于火药的毁伤效应以及武器的研究有重要意义。本文选择了对温压弹的爆炸温度进行测量，温压弹的爆炸速度一般为 3 到 4 千米每秒, 比高爆炸药的爆炸速度（典型值为 8 千米
12、每秒）低许多。由于温度高（在炸点附近超过 2000） 、作用时间短、伴有高压或高速流动，常为不可重复一次性过程，测试条件非常恶劣， 因此，温压炸药爆温是爆轰参量中最难直接测量的一个量，对于提高整个武器系统的可靠性具有重要的意义 3。1.2 瞬态高温测试的国内外现状和发展趋势温度测量的方法主要分为两类，接触式测温法和非接触式测温法 4。接触式测温法比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，测量的温度与实际温度有差距，即所谓的动态响应误差，需对其传感器进行动态校准。同时也是材料的温度传导方面的问题，因此需要通过了
13、解温度传导理论对其所测数据进行分析。非接触式测温的测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏第 4 页 共 49 页被测物体的温度场，反映速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差比较大 5。国内外对瞬态温度测量的研究，除在传统测温技术基础上改进发展之外，还直接引进了当今一些先进科技成果，使之有了许多进展和突破。二十世纪六、七十年代辐射测温技术有了飞速发展，利用辐射测温原理的温度计包括光学高温计、全辐射温度计、部分辐射温度计和比色温度计等。它具有能测量运动物体和不破坏被测对象的温度场等特点，适用于燃烧温度的测量。光纤传感器是七十年代后期提出的一种新型
14、检测仪器，它利用光在媒质中的强度、偏振态、相位特性和干涉特性的变化来检测物理量，可用于温度、位移速度、加速度、转速、压力、液位、流量、水声、电流、磁场等物理量的测量。早在光纤出现以前，辐射温度计就已经是一个非常成熟的测量工具。蓝宝石光纤温度传感器是一种特殊的光纤温度传感器，与一般的光纤传感器不同，它采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头。由于蓝宝石单晶光纤所具有的特殊的光学、物理性能，使得光纤传感头能直接放置于被测的高温环境中，因此具有更高的灵敏度、准确性和可靠性。美国 R.R.Dils 博士 83 年首先研制成功的蓝宝石单晶光纤高温计，为高温区的接触式测温开辟了一个新天地。美国国家标准局已将其作为
15、 6301064范围内新的测温标准。迄今为止，美国、英国、法国、德国、日本等发达国家对蓝宝石光纤高温传感器做了大量的研究，并在不同程度上进入了实用化阶段。在此技术基础上，走在最前列的美国，目前已有 Accufiber、Allison、Luxtron 以及Savannah River 等多家公司生产工业及军用产品 6。国内清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究。清华大学周炳琨等人于 1989 年 1 月申请的光纤黑体腔温度传感器测温范围可达 400-1300，重复性和稳定性可达 0.1%，灵敏度可达 0.1，空间分辨率达几百微米，响应时间为毫秒量级，结构可靠，
16、体积小、成本低。863 计划项目，浙江大学物理系光纤电子材料研究室单晶光纤及应用研究课题组沈行等人，于 1987 年在国内首次拉制成功蓝宝石单晶光纤，并经过多年努力，在蓝宝石纤高温传感器的实用化研究中，取得了较好的研究结果 7。早期的热电偶和热电阻温度计由于其动态性能差耐压性能差等缺点。仅仅在工业领域应用。但是随着热电偶测温技术的日益完善和发展，出现了一系列响应第 5 页 共 49 页时间快、耐压性能好的热电偶。如侵蚀（eroding thermocouple）热电偶 8，该产品是美国 NANMAC 公司的优秀产品,即使在烧蚀、焦化和侵蚀环境下也能测量温度。该公司对热电偶设计进行了大量改进，将
17、热电偶结置于探头端面上。它可以加工成任何形状在测量过程中会受侵蚀或磨损，但它会在受侵蚀的情况下自动更新其热电偶结。本课题所选用的就是这款产品。其瞬态温度响应时间为几百微妙、温度范围高达 2315、压力范围高达 10,000 PSI（约 69MPa） ，其各项性能指标都能够满足爆炸场温度检测的需要。1.3 本文主要研究内容本测试仪器主要用于测量温压弹爆炸场爆温参量，仪器采用存储测试技术，具有体积小、抗干扰能力强等特点，具体研究工作：（1）查阅国内外温度测量的发展现状、在存储测试的基础上提出了瞬态超高温存储测试方案。（2）设计新型温度测试仪，其中包括硬件设计和软件设计，硬件部分的设计包括温度补偿、
18、信号调理、电源管理、逻辑控制、存储等电路的设计。并在数据接口部分引入了可即插即用的 USB 传输设备，使得系统更加稳定方便。软件部分主要包括数据采集和信号处理两部分，可将采集到的数据保存下来再进行离线分析。软件采用多功能、模块化的程序设计方法，设计了数据采集模块、数据分析处理模块、数据存取模块等。在软件中可以进行信号采集和分析的相关参数设置，最终软件部分实现了信号的采集、处理、分析和显示等功能，实现了理论研究与实际应用的有机结合。（3）对新型测温系统做了调试工作。第 6 页 共 49 页2 瞬态高温的测试特点研究2.1 温度与温度测量选择合适的温度传感器对瞬态高温测试系统是非常重要的，因此要对
19、温度、温度测量的概念和温度传感器的分类、优缺点有一定得了解。温度是七个国际单位之一，温度概念的建立以及温度的测量，都是以热平衡现象为基础的。如何减小测温传感器热惯性，增强准确快速的测温能力是现代测温的发展方向。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。与此同时，温度的检测也是至关重要的，单从全世界使用的有关传感器和设备的经费开支上看，也可见温度测量的重要性。据估计，温度传感器的每年全球销售量达几亿美元 9。如果再加上有关的控制器、指示器和测量系统的其它方面的开支，该数据还要成倍增长。
20、温度的宏观概念是表示物体冷热程度的物理量，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等，处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示，分子运动愈激烈其表现温度越高。国际上一般采用摄氏温标、华氏温标和热力学温标来度量温度。按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温的测量。超低温般是指 010K，低温是指 10800K，中温是指 8001900K，高温是指19002400K 温度，2400K 以上被认为是超高温。温度测量是通过物体的某些物理性质随温度变化的特征间接测量的。温度测量分为接触式测温和非接触式测温两大类 10。温度测量方法如图 2
21、.1 所示：第 7 页 共 49 页接触式测温非接触式测温膨胀式测温压力式测温热电阻测温比色测温热电偶测温亮度测温激光测温红外测温热敏电阻测温光纤辐射测温红外辐射测温红外热成像测温图 2.1 温度测量方法分类目前，瞬态温度测量主要采用两大类技术，一种是采用传感器接触测温法，另一种是非接触式的测温法，可根据不同的要求选择不同的测试方法。2.1.1 非接触测温法及原理红外辐射这一物理现象起源于 1800 年 11。但直到本世纪 50 年代, 红外技术才开始进入广泛应用的阶段。非接触测温技术也叫辐射测温, 最早的非接触测温就是以光学高温计为代表的高温法。以后, 人们根据斯蒂芬-玻尔兹曼公式, 利用黑
22、体辐射能与热力学温度的关系进行测温, 这就是全辐射测温和部分辐射测温法。还有的人在光学高温计上进行改进, 出现了光电高温计、红外温度计等众所周知,任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例。物体的温度越高, 所发出的红外辐射能量越强。红外探测器经汇聚的红外光照射后产生信号, 该信号传到处理电路, 进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。普朗克定律单位面积黑体在半球面方向、单位时间的光谱辐射能量是波长 K 和黑体温度T 的函数, 这就是普朗定律。它给出了绝对黑体辐射的光谱分布 第 8 页 共 49 页（2.1）512/e
23、xp(/)1MCT（ ， T）式中 为绝对黑体的辐射出射度； 为波长; T 为绝对温度； 为第一,r 1C辐射常数； 为第二辐射常数。2黑体辐射的几个特性:(1)总辐射出射度是随温度的增加而迅速增加的。(2)光谱辐射出射度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。(3)温度越高, 所有波长上的光谱辐射出射度也越大。斯蒂芬-波尔兹曼定律温度为 T 的物体, 其辐射度 M (辐射源在单位面积上向半球空间发射的总辐射功率, 单位为 ，由温度 T 决定。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,M 由下式2Wcm求出: 4MT:（2.2） （2.3）4MT式中 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数； 为物体表面的发射率；T 为物体热力
24、学温度。M 为辐射度。发射率是指被测量的物体吸收、透过和发射红外波段能量的能力, 其值为 0 (极光滑的镜面)1.0(黑体)。辐射出射度随温度的增加而迅速增大是很明显的, 这个增加与绝对温度的四次方成正比。故相当小的温度变化, 就会引起辐射出射度很大的变化。维恩位移定律在任意温度下, 黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值波长 与温度 乘积mT为一常数, 这就是维恩位移定律, 即（2.4）mTa:式中 为光谱辐射出射度的峰值波长; a 为一常数，光谱辐射出射度的峰值第 9 页 共 49 页波长与绝对温度成反比。非接触测温法就是基于上面的给的原理来进行测温，红外热成像仪测温法、光纤光谱测温法、双波长
25、色温测量法、光纤光谱测温法等等 12。这些测量方法可以不干扰被测温度场, 不影响温度场分布, 测温范围宽；在理论上无测量上限,可以测量相当高的温度；探测器的响应时间短, 反应速度快, 易于快速与动态测量。但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响, 其测量误差较大。与温度传感器接触法比较结构也比较复杂。仪器比较昂贵，测试成本很高。2.1.2 传感器接触测温法传感器直接接触测温法是把测量温度用的传感器置于被测介质中，使两者直接接触，进行热交换。根据热力学定律，当两者达到热平衡时，传感器所反映的温度，就是被测介质的温度。此方法直观可靠，应用也最为广泛,该方法的优点是设备和操作简单,测
26、得的是物体的真实温度等,早期的热电偶和热电阻温度计由于其动态性能差耐压性能差等缺点。仅仅在工业领域应用。不能应用于爆炸场高温测量。但是随着热电偶测温技术的日益完善和发展，出现了一系列响应时间快、耐压性能好的热电偶。性能指标都能够满足爆炸场温度检测的需要。热电偶主要分有四种：普通工业用热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶 13还有采用新技术发展起来的新型热电偶。在这里我们主要介绍能够应用于特殊场合的后三种。1.嵌装热电偶铠装热电偶是将热电偶丝装在有绝缘材料的金属套管中，三者经组合加工成可弯曲的坚实的组合体。将此铠装热电偶线按所需长度截断，对其测量端和参比端进行加工，即可制成铠装热电偶。由于它具有许多优
27、点，应用很普遍。它的主要优点是：(1)测量范围宽，规格多，品种齐全，适合于各种测量场合，在2001600温度范围内均能使用；(2)响应速度快，与装配式热电偶相比，因为外径细，热容量小，故微小的温度变化也能迅速响应。(3)挠性好，安装使用方便，铠装热电偶允许在其外径 5 倍的圆柱体上绕 5 圈，并可在多处位置弯曲；(4)使用寿命长，普通热电偶易引起热电偶劣化，断线等事故，而铠装热电偶用氧化镁绝缘，气密性好，致密度高，寿命长；(5)机第 10 页 共 49 页械强度，耐压性能好，最高可承受 360MPa 的压力，在有强烈震动，低温，高温，腐蚀性强等恶劣条件下均能安全使用；(6)铠装热电偶外径尺寸范
28、围宽，特殊要求时可提供直径达 12mm 的产品。铠装热电偶测量端型式主要有露端式、接壳式、绝缘式三种，其不同套管对应的响应时间如下表所示表 2.1 铠装热电偶响应系数套管直径（min） 露端式响应时间(s) 接壳式响应时间(s) 绝缘式响应时间(s)2.0 0.3 0.4 0.53.0 0.4 0.6 1.24.0 0.5 0.8 2.55.0 0.7 1.2 4.06.0 0.8 2.0 6.08.0 1.0 4.0 8.0温度场爆炸温度在瞬间完成。要求温度传感器在响应时间微秒量级上。由上面这些参数图可知铠装热电偶的响应时间和测量范围都达不到爆炸场温度测量的指标要求，不适合在爆炸场中应用。2
29、.薄膜热电偶采用真空蒸镀或化学涂层的办法将两种热电极材料附着在绝缘基板上形成薄膜状的热电偶，其热电极一般为镍铬镍硅或铜康铜等。使用时将其粘贴在被测物体的表面上，使薄膜层成为待测面的一部分，所以可略去热接点与待测面的传热热阻。薄膜热电偶的一种为针状型，是指电极呈针状，用薄膜方法将另一电极材料镀上 2m 绝缘材料，将其隔开。时间常数能达到 1s。另一种薄膜热电偶为片状形式，利用真空蒸发或溅射法制的薄膜热电偶厚度几十到几百纳米，热容量小，热响应快。薄膜热电偶是一种比较先进的瞬态温度传感器，其热接点很薄，厚度仅为 0.010.1m，响应时间仅为数毫秒级，因此非常适用于动态测温及测量微小面积上的温度。3. E12 型热电偶随着技术的不断发展，人们对热电偶设计进行了极大的改进，出现了一些精度更高、响应速度更快、性能更好的新型热电偶。如侵蚀（eroding
