（安全技术及工程专业论文）爆炸场温度的多谱线测试方法研究.pdf

a b s t r a c t 1 1 1 em e a s u r e m e mo fe x p l o s i o nf i e l dt e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n ta s p e c to ft h es t u d y0 n e x p l o s i o nh e a tr a d i a t i o nd a m a g e a tp r e s e n t ，t h em o s tw i d e l y a p p l i e dm e t h o do ff i e l d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y i th a sal a r g ee r r o rb e c a u s et l l eh o tg a si n t h ee x p l o s i o np r o c e s si sc o n s i d e r e d 邪b l a c kb o d yo r g r a yb o d y t h eh i g ht e m p e r a t u r e m e a s u r e m e mm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo fa t o m i cs p e c t r o s c o p y , t h a ti s m u l t i s p e c t r u m a v e r a g em e t h o da n dm u l t i s p e c t r u ms l o p em e t h o d ，h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h es t u d yo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , t h ed e v i c e sw i t hm u l t i s p e c t r u mw e r ep r o v e d t ob ea b l et oi m p r o v ea c c u r c yb yi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fs p e c t r u ml i n ef r o mf o u rt o e i g h t t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to fd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e ，p a r a m e t e rw a so p t i m i z e d n o i s ew a s e l i m i n a t e d i ne x p l o s i o nf i e l dt e s t so fv a r i o u sh i g h e n e r g ye x p l o s i v e sa n d t n t , t h et r a n s i e n t h i g h 。t e m p e r a t u r e sw e r em e a s u r e dw i t ht h i ss y s t e m a ss h o w nb yt h er e s u l t so fa v e r a g e m e t h o d s ，t r a n s i e n th i g h t e m p e r a t u r ev a l u ea n df i r e b a l ld u r a t i o no ft h es a m ee x p l o s i v e sw e r e b a s i c a l l ys a m ea se a c ho t h e r t h et e m p e r a t u r ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tq u a l i t yh i g h e n e r g y e x p l o s i v e sw a sa l s oi nl i n ew i t ht h el a w t e m p e r a t u r er e s u l t sb ys l o p em e t h o ds h o w s g o o d r e p e t a b i l i t y t h r o u g hs o m er e s e a r c hs u c ha sf i r e b a l lm o d e la n dh e a tr a d i a t i o nd a m a g ec r i t e r i 乱 h e a tr a d i a t i o nd a m a g ee f f e c tw a sa n a l y s e d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr e s u l t sw e r ea p p l i e dt o a n a l y s eh u m a nh e a tr a d i a t i o ni n j u r y , a n dh e a ti n j u r yr a d i u sf o rac e r t a i na m o u n te x p l o s i v ew a s o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a la n da n a l y s i n gr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ea t o m i cm u l t i s p e c t r u m t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm e t h o di nt h ep a p e rw a ss u i t a b l ef o rt h et r a n s i e n tm e a s u r e m e n to f e x p l o s i o nf i r e b a l lt e m p e r a t u r e s k e yw o r d s ：b l a s tf i e l d ，a t o m i cs p e c t r o s c o p y , t r a n s i e n th i g h t e m p e r a t u r e ，m u l t i s p e c t r u m ， h e a tr a d i a t i o nd a m a g e i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 伽i y 年石月峥日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 炸药是在一定的外界作用下( 如受热、撞击) 才能发生爆炸，同时释放能量并形成 高热气体的化合物或混合物。最早的炸药一黑火药，是于9 世纪初或更早时间，由中国 炼丹师们发明的。1 0 世纪，中国古代首先将火药用于军事。后来火药由蒙古人和阿拉伯 人传入欧洲。虽然火炸药的诞生已有千余年的历史，但直到1 9 世纪末叶，世界上还只 有黑火药一个品种。黑火药作为中国古代四大发明之一，开创了自供氧物系，是高功率 化学能运用的先驱，把武器由冷兵器发展到了热兵器。1 8 世纪以后，化学作为一门科学 有了迅速的发展，为炸药原料的来源和合成及制备提供了条件，化学家们开始致力于研 制性能更好、威力更大的爆炸材料，使各种新型炸药不断涌现。1 7 7 7 年英国的沃尔夫首 先合成猛炸药苦味酸，在1 9 世纪末被广泛使用。1 8 4 5 年德国化学家舍恩拜将棉花浸于 硝酸和硫酸的混合液中，洗掉多余酸液，发明出硝化纤维，并于1 8 6 0 年被普鲁士军队 制成枪和炮弹的发射药。1 8 6 3 年威尔勃兰德发明了梯恩梯( t n t ) ，逐渐取代了苦味酸， 因为综合性能好，被称为“炸药之王 。1 8 6 6 年诺贝尔发明了代拿买特。之后法国化学 家维埃利发明的无烟火药具有极重要的意义。1 8 9 9 年德国人亨宁发明了黑索金，在原子 弹出现之前，它是威力最大的炸药，被称为“旋风炸药。在第二次世界大战之后，曾 取代了梯恩梯( t n t ) “炸药之王 的宝座。 近百年来，炸药的消耗量越来越大，炸药已经成为现代武器、工业和交通建设、乃 至太空运载工具所必须依靠的一种能源，它与电能、原子能具有同等重大的意义，对于 推动社会前进起着非常重要的作用。同时，随着现代化学工业的快速发展，爆炸事故频 繁发生。矿井瓦斯爆炸、可燃性粉尘爆炸、高压密闭容器爆炸等，都曾造成巨大的财产 损失和人员伤亡。 2 0 世纪7 0 年代以来【1 1 ，世界范围内重大工业事故不断发生，给人类正常的生产、生 活造成了巨大的威胁和伤害。如1 9 7 6 年意大利塞维索工厂环己烷泄漏事故，造成3 0 人死 亡，2 2 万人紧急疏散；1 9 8 4 年1 2 月3 日，印度博帕尔一农药厂发生的甲基异氰酸酯泄漏 恶性中毒事故，造成2 5 0 0 多人中毒死亡，2 0 余万人中毒受伤，6 7 万人受到残留毒气的 影响；1 9 9 3 年2 月2 6 日，美国曼哈顿岛世界贸易中心摩天大楼爆炸事故，爆炸的炸坑直 径5 4 m ，造成5 人死亡，7 0 0 多人受伤，经济损失3 0 亿美元以上。俄罗斯海军北方舰队的 库尔斯克号核潜艇，于2 0 0 2 年8 月1 2 日在正常工作的状态下因易燃气体泄漏突然爆炸， 沉入巴伦支海海底，舰艇上1 1 8 名官兵全部遇难。 在国内，也发生了许多风险度非常高的事故，造成了不可挽回的生命和财产损失。 1 9 8 9 年8 月1 2 日，中国石油总公司胜利石油公司黄岛油库发生特大火灾爆炸事故。大火 1 l 绪论 硕士论文 燃烧了1 0 4 个小时才完全扑灭，烧掉原油3 6 0 0 0 吨，烧毁油罐5 座，死亡1 9 人( 其中包括l o 余名消防队员) ，直接经济损失3 5 4 0 万元。2 0 0 0 年6 月3 0 日，广东江门土出高级烟花厂突 如其来的大爆炸夺去了3 8 人的生命，3 2 0 0 平方米的花园式厂房被夷为平地，附近的民居 和企业受到不同程度的破坏。2 0 0 3 年1 2 月2 3 日，位于重庆市开县高桥镇的中石油川东钻 探公司发生特大井喷事故，造成2 4 3 人死亡，6 万多人紧急疏散。2 0 0 7 年5 月2 9 日，河北 兴隆县满族乡经委所属的一个炸药库内的8 7 5 吨炸药发生爆炸，造成至少2 4 人伤亡，近 百问房屋受损。2 0 0 8 年6 月1 3 日，山西孝义安信煤矿井下炸药库存放的私制炸药自燃引 起爆炸，产生有毒有害气体，部分巷道垮塌，造成3 4 名矿工死亡。2 0 0 9 年4 月1 7 日，湖 南郴州市永兴县发生了一起煤矿私自存放雷管炸药，导致仓库爆炸的事件，造成1 8 人死 亡，3 人失踪。 这些爆炸事故虽然大都是失控的偶然事件，是低概率事件，但是发生频率却越来越 高，且破坏性有所提高。所以迫切要求对其爆炸毁伤效应进一步研究，提出可行的防爆 措施，以降低爆炸造成的损失。 爆炸事故中人员伤亡的很大原因在于冲击波和热辐射的毁伤作用。热辐射毁伤效应 是指爆炸源爆炸释放出来的热对目标的毁伤效应，它与爆炸产物的温度有着很大关系1 2 ， 由于爆炸具有巨大的破坏性，传统接触式测温方法不能应用于爆炸产物的温度测量。近 年来，随着测温理论的发展，国内外学者在测温领域做了许多有益的尝试和探索。 1 2 国内外研究概况 温度的测量方法大致可分为两种：接触法和非接触法【3 1 。现将接触法与非接触法的 特点做一比较，如表1 1 所示。 表1 i 接触法与非接触法的特点比较 接触测温特点非接触测温特点 不适合瞬态测温 不适合测运动中的物体 不便于同时测多个物体 测温动态范围窄 测温要求简单 测温装置要与被测物体良好接触 设备和操作简单 检测物体表面温度，适合瞬态测温 反应速度快，可测运动中的物体 测温精度和分辨率较高 测温动态范围宽 可对微小物体测温 可测绝对温度和相对温度 精确测量时，测温要求严格 由接触法测温和非接触法测温的特点比较可知，非接触法在高温测量方面有更大的 优势，因此国内外对非接触法测温研究很多，现已经在工业炉、焊接、火箭发动机等高 温场合广泛应用。非接触法测温大多是根据被测物体的热辐射，按其亮度或辐射能大小 2 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 推算出被测物体的温度，也就是辐射测温法。辐射测温的研究一直都是围绕准确测量物 体能量和如何将测得的能量转化为被测物体温度这两个技术指标进行研究和发展的。与 此相关的，是测温仪的测量范围、精度、目标大小、距离远近、响应时间和稳定性。在 实际应用中，还会涉及到被测物体的光谱发射率的研究。下面将主要介绍一下测温技术 在国内外的研究状况。 ( 1 ) 国外研究概况 国际上早在上世纪初就开始研究高温计的设计和制造了。如隐丝式光学高温计， 至今仍应用在8 0 0 以上的测量领域中。1 9 2 7 年国际温标采用此种高温计作为金点以上 的温度复现及传递标准器f 4 】。它的工作原理是在峰值为6 5 0 n m 的尽可能小的带宽中，使 目标与钨灯的灯丝亮度平衡，灯丝就会隐在目标中。但是此高温计需要手动调节灯丝电 流，人为造成的误差大，不适合自动控制系统。 6 0 年代中期，出现了用光电倍增管作为检测器的光电高温计【5 1 。它是以光电倍增管 做亮度比较，以此替代隐丝式光学高温计中的人眼，因此具有较高的精度和灵敏度，且 不用人为参与，我国也曾采用此种检测元件研制成基准光电比较仪和标准光电高温计。 在7 0 年代初，w i t h e r e l l 和f a u l a b e r 【6 】指出，硅光电探测器稳定性好、灵敏度高、 结构牢固、寿命长、价格适中，适合测量精密光度。r u f f i n o t t 在噪声和数据检测方面提 出了硅光电二极管可以应用到高分辨率温度计的设想。1 9 7 9 年，c a s h d o l l a r 研制成功了 3 波长高温计，在3 种工作波长( 0 8 p m 、0 9 肛m 、1 0 1 n ) 下测量火焰及爆炸粉尘的温 度，测量上限可至2 0 0 0 k 。 19 8 6 年，欧共体及美国联合课题组的h i e r n a u t 等人研制成功了亚毫秒级6 波长高温 计【8 】，用于2 0 0 0 k 一 5 0 0 0 k 温区内真温和光谱发射率的同时测量，温度测量精度为0 5 ， 发射率测量精度为1 5 ，同年又应用自主研制的6 波长高温计，对钨、钽、钼等金 属的熔点温度和光谱发射率进行了测量，结果表明：这些金属的熔点温度测量精度优于 0 5 。 1 9 9 2 年德国gk l i n g e n b e r g 等人【9 】发表了有关改进型钠谱线翻转法的论文。后来爆 温测量开始采用双波长色温法，即测量两个不同波长的辐亮度之比。mdt a r a s o v 等人i l u j 研制的双波长光导纤维高温计，就是依据此方法。 随着研究的深入，辐射温度计【8 】从单色波发展为两色波和多色波，从短波发展为长 波，仪器的功能也逐步丰富和智能化。仪器的测量精度、响应速度、稳定性、分辨率等 都达到了相当高的水平，测温范围也从中高温延伸到低温。 除了较为普遍的全辐射测温法、亮度测温法、比色测温法等，还有很多其他测温方 法用以解决高温及超高温目标真实温度的测量【1 1 1 ，如高温火焰温度测量中的辐射吸收法 1 2 , 1 3 】、改进型钠谱线翻转法【1 4 ，1 5 1 、相干反斯托克斯拉曼散射光谱法【1 6 1 、平面激光诱导荧 光光谱法【1 6 】、遥感傅里叶变换红外分子振转基带精细结构光谱测温法、遥感傅里叶变换 3 l 绪论硕士论文 红外分子振转光谱最大强度测温法以及等离子体b o l t z m a n n 发射光谱测温法等，这些测 温法也得到了很好的发展。 ( 2 ) 国内研究概况 我国对测温技术的研究起步相对晚一些，但发展很迅速。很多科研单位相继展开了 这方面的研究，有关高温测量的译文、论文的数量逐年增多，研究深度也逐渐加大，出 版物逐渐丰富，研究出的产品也成功投放市场。 1 9 8 4 年，武汉光学技术研究所研制成功3 波长h d w - 1 型红外测温仪，1 9 8 8 年北京联 大提出了多光谱温度自动检测法，1 9 8 9 年王瑞才研制成功了4 波长高温计，并应用于电 弧加热下勺蚀材料的温度测量，但都没有应用多波长测温理论中的数据拟合方法，只是 停留在比色、单色高温计的处理思想上，多个通道数据只是为了相互校验。1 9 9 5 年以来， 戴景明对多光谱测温理论进行了系统的研究，首先校验了国际通用发射率模型对各种材 料的适用性和有效性，1 9 9 8 年又进一步将神经网络理论用于多光谱测温理论，取得了较 大进展。 在多光谱辐射温度计的数据处理中需要假设发射率与波长的数学模型，孙晓刚、杨 春玲等【l l 】提出一种自动判别发射率与波长数学模型的新方法。孙晓刚、戴景明等【1 7 1 研制 成功一种新型的与发射率无关的多光谱辐射高温计，采用神经网络技术、棱镜分光技术， 克服了以往需要假设发射率与波长函数关系以及光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波 长的缺点。孙晓刚、原桂彬等【1 8 】将g a b p ( 遗传神经网络) 用于基于亮度温度的多光谱 测温的数据处理，比单纯的b p 神经网络具有更高的识别精度。袁宝慧【1 9 】等提出了多通 道瞬时光纤测试装置对液体炸药硝基甲烷爆轰波光谱发射率及爆温进行了实验测量。他 们引入了比信号测试的方法，简化了装置的标定，并利用最小二乘法法建立了爆轰波光 谱发射率及爆温的迭代计算格式。李佳等【2 0 】提出的瞬时多光谱爆温测量系统可在一次爆 炸过程的l o o n s 时间内完成四个时刻爆轰温度的测量。 南京理工大学现代光谱实验室提出了瞬态实时双谱线测温系统【2 1 2 2 】用于测量导爆 管起爆器瞬态电火花温度和炸药的爆温，时间分辨率可达0 1 9 s 。此种测温方法与辐射测 温法不同，是基于原子光谱理论进行爆温的测试。目前以此理论所做的研究还不成熟， 需要做进一步更深入的研究。 1 3 本课题的主要工作 本论文在现有文献资料和研究成果的基础上，对爆炸场温度的多谱线测试方法和应 用进行了研究，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 探讨爆炸场温度的理论计算方法，并从热力学角度分析影响爆温的因素和改 变爆温的途径。 ( 2 ) 总结辐射测温和原子光谱测温的理论基础、原理和分类，讨论这些测温方法 4 硕士论文 爆炸场温度的多谱线测试方法研究 的优缺点，寻找合适的爆炸场温度测量方法。 ( 3 ) 根据测温和数据处理的要求，对原有多光谱测温装置和测温软件进行改进， 用改进后装置在靶场进行多发炸药的爆炸试验。 ( 4 ) 完成爆炸测试系统的标定工作，采用两种原子光谱测温法，即多谱线平均法 和多谱线斜率法，对温度测试结果进行分析。重点研究测温方法的可行性和引起试验误 差的不利因素。 ( 5 ) 从火球模型、热毁伤准则等几方面对热辐射毁伤效应进行分析、研究，并用 测温系统的实测值分析热毁伤效果，求得不同质量炸药的作用半径。 5 2 爆炸温度理论计算方法硕士论文 2 爆炸温度理论计算方法 2 1 爆温的理论计算 为使爆温的理论计算简化，有以下三条假定口3 】： ( 1 ) 爆炸过程近似地视为定容过程： ( 2 ) 爆炸过程是绝热的，爆炸反应中放出的能量全部用以加热爆炸产物； ( 3 ) 爆炸产物的热容只是温度的函数，而与爆炸时所处的压力( 密度) 等其它条 件无关。这一假定只在压力较低时正确，当计算高密度炸药的爆温时会带来一定误差。 2 1 1 由爆炸产物的平均热容计算爆温 根据上述假定，炸药的爆热与爆温的关系可以写成： q v = c v t ( 2 1 ) 式中，石v 为温度由o c 到t 范围内全部爆炸产物的平均热容，j m o l - 1 。1 或 j 埏；t 为所求的爆温值，。 一般热容与温度的关系为： c v = a d + a j t + a 2 t 2 + a j t 3 + ( 2 2 ) 对一般不太复杂的计算，选取其中第一、二项，即认为热容与温度成直线关系，则 有： c v2 a o + a j t ( 2 3 ) 这样， q ，= c v t = ( a d + a ，t ) t ( 2 4 ) a j t 2 + a o t q ，= o ( 2 5 ) 于是，爆温的计算式为： t = ( - a o + 4 a 0 2 + 4 a ，q v ) 2 a ， ( 2 6 ) 利用公式( 2 6 ) 计算爆温时，必须知道爆炸产物的组分、爆炸反应方程式和爆炸产 物的热容。 2 1 2 由爆炸产物内能值计算爆温 除上述方法外，也可利用爆炸产物的内能值来计算爆温，爆炸产物的内能值随温度 变化的数据已较准确的求出。 表已知热力学定律关系式： 一( 1 e = d q + p d v ( 2 7 ) 爆炸情况，被假定为定容过程，即d v = 0 ，而放出的热量，全部用在转变为爆炸产 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 物的内能上，对上式积分得：a e = 一q v 。这样利用表中产物的内能数据就可算得爆温， 表中所列数据的温度范围为2 9 1 k , - , 5 0 0 0 k 。 计算过程是：首先设定一个爆温，按此假定的温度查表，求出其爆炸产物的全部内 能值e ，并与该炸药的爆热q v 值进行对照，如果偏离很大，则再假设一个温度重新计 算a e 值，若此a e 值与q v 值很近似，即可以认为所假设的温度为爆温。 为了对工业炸药的爆温进行估算，可以采用表2 3 的经验公式。 表2 3 工业炸药的爆温经验公式 炸药类型爆温近似值( ) 含硝化甘油的非安全炸药 含硝化甘油的安全炸药 含梯恩梯的非安全阿莫尼特 含梯恩梯的安全阿莫尼特 巴里斯太火药 0 6 0 7 q + 2 8 0 o 4 2 3 q + 4 3 0 o 4 4 0 q + 5 6 0 o 4 1 6 q + 4 7 0 o 5 0 2 q 怕0 7 2 2 改变爆温的因素和改变爆温的途径 根据炸药使用的实际需要，往往要改变或调整炸药的爆温，或升高或降低。爆温的 计算一般如下式所示： t ：一q v ：里! ：鬯丝 ( 2 8 ) c vc v 式中，q f j 为爆炸产物生成热的总和；q 啦为炸药的生成热。 由公式( 2 8 ) 可知，提高爆温的途径有三个方面： ( 1 ) 增加爆炸产物的生成热； ( 2 ) 减少炸药本身的生成热； ( 3 ) 减少爆炸产物的热容量。 前两条途径的结果就是增加爆热。因此增加爆热的途径，如调整氧平衡使炸药氧化 完全，产生大量生成热较大的产物一c o ：、h 。o 等，或引入某些高能元素，或添加高能 金属粉等物质，对提高爆温也是有效的。 但需要指出的是，如果爆热的增加伴随爆炸产物热容的增大，那么前者可使爆温提 高，后者却会导致爆温下降，综合效果如何，要看具体情况。因此调整爆温应全面考虑 三个因素的综合作用。 一般加入高能金属粉，如铝、镁等，它们的爆炸产物生成热较大，产物的热容增加 不多，有利于爆温的提高。 降低炸药爆温也是实际应用中经常考虑的问题。降低爆温的途径与提高爆温的途径 恰恰相反，即减小爆炸产物的生成热、增大炸药的生成热和爆炸产物的热容。 7 2 爆炸温度理论计算方法硕士论文 为了达到降低爆温的目的，一般采用在炸药中加入附加物的方法。这些附加物可以 改变氧与可燃元素间的比例，使之产生不完全氧化的产物，从而减少爆炸产物的生成热， 有的附加物不参与爆炸反应，只是增加爆炸产物的总热容。 在工业安全炸药中，还常加入一些带有结晶水的盐类，或加入一些热分解时能吸热 的物质，如硫酸盐、氯化物、重碳酸盐、草酸盐等，用作消焰剂。现代工业炸药甚至含 有游离状态的水，如水胶炸药、乳化炸药等。 2 3 本章小结 本章从热力学角度对爆炸温度的理论计算做了介绍，用爆炸产物平均热容和爆炸产 物内能值两个方面研究了爆温的计算方法，并列举了影响爆温的因素和改变爆温的途 径。而爆炸形成的爆炸场温度不确定性很大，科研界广泛使用实验方法测量不同燃料爆 炸时的火球温度。爆炸过程异常复杂，爆炸场温度会因为环境变化等因素而有所不同， 因此需要选择合适的测温方法进行实验测定。 8 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 3 爆炸场温度测试方法 3 1 辐射测温方法 3 1 1 辐射测温理论基础 3 1 1 1 辐射测温的测量参量 ( 1 ) 辐射能q ：以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位为j o ( 2 ) 辐射通量巾：单位时间内辐射源发出的辐射能。 由：d o d t 它描述了辐射的时间特性，单位是w 。 ( 3 ) 辐射出射度m ：辐射体在单位面积内所辐射的辐射通量 m ：堂 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中，呻为辐射体面积元d a 向半球空间( 2 1 t 立体角内) 所发出的辐射通量。辐 射出射度表示了辐射通量的表面密度，其单位为w m - 2 。 ( 4 ) 辐射亮度l ：辐射体的面元d a 在某一给定方向上单位立体角d o ) 内的辐射通 量。 l ： 堂 ( 3 3 ) d o d a c o s 0 辐射亮度的单位是w m - 2 s r 。当要描述辐射体各部分的辐射特性时就需要使用辐 射亮度的概念。 ( 5 ) 辐照度e ：辐射接受体在单位体积上所接受的辐射通量。 e ：业( 3 4 ) d a 它和辐射出射度具有同样的定义方程和单位。它们分别用来描述微面元发射和接收 辐通量的特性。因此对于一个光电系统而言，应用辐出度来描述光源的辐射特性，而用 辐照度来表示光源对接收辐射的光电探测器的作用。 ( 6 ) 单色辐出度m p 单色辐照度e 九。 为表征辐射，不仅要知道辐射的总能量、强度等，还应知道其光谱组分。因为辐射 源所辐射出的能量往往是由许多波长的能量组成的，为了研究各种波长的光分别辐射的 能量，还需要对单一波长的光辐射作相应的定义。 单色辐射出射度m ，的表达式 m ，：d m ( 3 5 ) 9 3 爆炸场温度测试方法硕士论文 其单位为w c m 。1 t m 。 单色辐照度e ， e ，：些 ( 3 6 ) “ d 九 其单位为w c m 刁g m 。 ( 7 ) 辐射发射率。 在自然界中黑体的发射能力最强，它实际上是一种理想情况，实际物体的发射能力 都小于黑体。为了描述实际物体的辐射情况，引入了辐射发射率的概念。它定义为实际 物体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值，表示如下式： t ) _ 端 ( 3 7 ) 因此任何非黑体的值都小于1 ，而且它的值是波长和温度的函数。当某物体的值 与波长无关，在某温度下为常数但不为零时，该物体就被定义为灰体，所以它的发射率 可表示为( t 1 。 3 1 1 2 辐射测温的基本原理 ( 1 ) 普朗克辐射定律： 根据该定律，物体的单色光谱辐照度e ( w c m - 2 岬。) 为： ，c ：。、一j e ( 九，a - ) - - ( 九，t ) c ，九。le 盯- 1i ( 3 8 ) 式中，九为波长，p m ；t 为绝对温度，k ；c ，是第一辐射常数，常数值为 3 7 4 1 0 8 w l a m 2 ；c 2 是第二辐射常数，常数值为4 3 8 8 1 t m k 。所有常用的温度测量方法 都是基于普朗克公式，它是通用和准确的热辐射公式。 根据普朗克定律，利用计算机可以很精确地计算任意温度和谱段范围内目标物体的 辐出度，也可用查表法进行计算，但在许多情况下，人们广泛使用的是普朗克辐射公式 的近似式，它们在一定的适用范围内是相当精确的，在分析时用起来也相当方便。 维恩近似公式： e ( 九，t ) = ( 九，t ) c ，九一5 e 盯 ( 3 9 ) 当z , t c ，即波长较短、物体温度较低时，普朗克辐射公式就可以用维恩近似公 式表示，它表示了物体在温度t 时，波长为九的单色辐射能力。从维恩公式可以看出， 某一波长的热辐射与温度t 成指数关系，所以e p ，t 1 随t 的变化是非常快的，这就是利 用热辐射测量高温的有利条件。 瑞利一金近似式： e ( 九，t ) = ( 九，t ) 导古 ( 3 1 0 ) 1 0 硕士论文 爆炸场温度的多谱线测试方法研究 它适用于x t c ，即九t 相当大的情况，也就是波长越长，物体温度越高。 ( 2 ) 维恩位移定律： 九m t = 2 8 9 8 p m k ( 3 1 1 ) 它指出了处于某一温度t 的物体，它的光谱辐出度具有最大值时所对应的波长值 九。与温度的乘积等于一个常数。 ( 3 ) 斯藩一玻尔兹曼定律：物体在某温度的总辐出度和它的温度的四次方成正比， 即： m ( t ) = ( t ) 订。 ( 3 1 2 ) 式中，o 是斯藩一玻尔兹曼常数，常数值为5 6 7 x 1 0 2 w c m - 2 k 一。 3 1 2 辐射测温的原理与分类 3 1 2 1 全辐射测温法 全辐射测温是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物 体温度的【11 1 。全辐射出射度s t e f a n - b o l t z m a n n 定律给出，即 m b = a t 4 ( 3 1 3 ) 式中，m 。为绝对黑体在全部波长范围内的总的辐射出度，w c m 2 ；t 为绝对黑体温 度，k ；o 为s t e f a n b o l t z m a n n 常数，0 - = 5 6 7 x1 0 1 2 w c m - 2 k 4 。 当温度为t 的待测物体与温度为t 的绝对黑体在整个光谱范围内总的辐射通量相等 时，黑体的温度工就定义为待测物体的辐射温度。 但在实际测定中，各种对象并不是绝对黑体，而是灰体，贝j s t e f a n - b o l t z m a n n 定律要 做如下修改： m = f t l o t 4 ( 3 1 4 ) 根据定义有 f t l e f t 。= a t , 。 ( 3 1 5 ) 只要测出全波长总辐射出度，则被测物体温度就可以确定。但目前尚无对全光谱波 段辐射均匀相应的探测器，也没有能透过全光谱波段的窗口或透镜的红外光学材料，因 此，全辐射测温只是一个理想化的概念。 作为待测辐射源的总发射率，与光谱发射率一样，其确定是一个困难的问题。在 物理测试中，即使作了测量，一般来说，总发射率的确定误差是非常大的。这将会在测 温中造成很大的误差。因此，这是在精密测量或温度变化剧烈的测温中，较少使用全辐 射测温的重要原因。 全辐射测温仪也主要用于物体物理性质的测量，包括： ( 1 ) 对已知发射率的物体进行绝对测量或对固定物体的绝对温度进行检测； ( 2 ) 物体辐射量的测量； 3 爆炸场温度测试方法硕士论文 ( 3 ) 物体热分布状况的监测，确定或判断与热分布有关的物理性能。 3 1 2 2 亮度测温法 亮度测温方法是根据p l a n c k 定律，通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确 定它的温度的。当实际物体( 非黑体) 在某一波段下的单色辐射出度同绝对黑体在同一 波长下的单色辐射出度相等时，该黑体的温度称为实际物体的亮度温度，表达式为： ( 九，t ) m ( 九，t ) = m ( x ，l ) ( 3 1 6 ) 根据亮度温度的定义，可知物体亮度温度t ，和真实温度t 的关系为： 钎1 = 之i n 赤t t t c 2 ( 九，) 知道波长为九的光谱发射率和用高温计测得的亮度温度t l 后，就可以用公式( 3 1 7 ) 求出实际物体的真实温度t 。测试波长选得越短，由发射率引起的误差就越小，所以单 色测温仪一般工作在短波区，特别是高温单色测温仪大都选择小于31 t m 为工作波长，有 的甚至还选在0 4 9 m o 5 1 t m 的可见光波段。此外，根据维恩位移定律可知，随着温度 的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动，因此测量高温物体宣选用短波波长，测 量低温物体宜选用长波波长。必须指出的是，短波单色测温仪的温度覆盖范围窄，易受 外界干扰。而长波单色测温仪虽然测量误差大，但是却有较宽的温度覆盖范围。 亮度测温方法的优势很明显，即灵敏。w e i n 位移定律指出，黑体的最大单色辐射亮 度与其温度的5 次方成正比。这对非黑体也近似成立。因此，温度的任何微小的变化， 都会引起单色亮度的很大变化。反而言之，任何单色亮度的粗糙测量，都会导致温度的 不准确测定。此外，对波长的选取限制较小，在较宽范围内的波长下都可以测得物体的 亮度温度。应该指出，不同波长所对应的亮度温度是不同的。因此，在具体的测定中经 常要求把测得的亮度温度修正到真实温度。 但是，亮度测温的一个较大缺陷是，在一般情况下，测得的温度只是待测对象的假 定温度，而不是真实温度。为了获得真实温度，必须用发射率进行比较计算或修正【l 们。 修正计算公式： 三一三：三i n 上( 3 1 8 ) 乃丁c 2 占( 旯，丁) 式中，t s 为参考光源的亮度温度，k ；t 为待测辐射源的亮度温度，k ；c 2 为第二辐 射常数，c ，= 1 4 3 8 8 x 1 0 m k ；九为辐射光的波长；( 九，t ) 为待测辐射源在波长为九， 温度为t 时的光谱发射率。 然而，如何确定待测辐射源的光谱发射率( 九，t ) 却存在困难，这就增加了温度测量 的复杂性。对于某些复杂体系，如爆炸物等变化异常剧烈的辐射源来说，要想测出每个 时刻所对应的光谱发射率( 九，t ) 就更困难u 】。 3 1 2 3 比色测温法 全辐射测温仪和单色测温仪都有一个使用条件，即必须了解被测物体的发射率才能 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 正确进行测量。而物体的发射率与温度范围、材料性质、辐射波长和发射角度等多种因 素有关，因此难以精确确定。通过测量两个波长范围的辐射能比值的方法，可以减小与 发射率有关的误差。假定九，一( 九，+ 九，) 和九2 ( 九2 + k ) 两个波长范围内的发射率相 等，则这两个波长上接收到的辐射能比值就只是温度的函数，而与被测物体的发射率无 关。比色测温仪就是测量两个波长的辐射功率之比来确定物体的温度。 所谓比色温度是指某一实际物体在温度t 时，两个确定波长下的光谱辐射亮度之比， 若与绝对黑体在温度t 时的上述两波长下的光谱辐射亮度之比相等，则绝对黑体温度t 就称为该实际物体的比色温度。 当t 3 0 0 0 k ，九 2 1 m i 时，韦恩公式近似成立，有： m ( 九，t ) = ( 九) c ，九。e x p i 一孝i ( 3 1 9 ) 取波长九，和九，处辐射功率的比值，得： r ( t 1 ：巡生：竖 ( 3 2 0 ) 、7 m ( x z ，t ) d x 2 将公式( 4 1 9 ) 带入公式( 4 2 0 ) ，得： r c t ，= 寒按( 等) e x p 睾( 丢一丢) c 3 捌， 考虑两波长处的带宽相等，可得： t = 假设( 九，) = ( k ) ，所测得的温度t ( 比色温度) 为： ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 比色测温系统是以测量两个波长的辐射亮度之比为基础，利用此方法测温时，仪表 显示的值为比色温度。比色温度t e 与物体的真实温度t 之间的关系式，见公式( 3 2 4 ) 。 i n 垒 1 一1 气 一! 一1 二：一 t 。c 2 ( 了1 一) 如 ( 3 2 4 ) 显然，比色温度与物体在两个确定波长上的发射率之比有关。如果两波长九，和九。对 应的发射率( 九，) 和( k ) 相等，则实际温度t 等于所测得的温度瓦。由此可见，为了提 3 爆炸场温度测试方法硕士论文 高比色测温的精度，关键是选择合适的波长，使两个波长处发射率相等。通常情况下， 九，和九，越接近，( 九，) 和( 九，) 相差就越小，测量误差也越小。 由以上分析可知，比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关 系来测定物体温度的，这可在一定程度上消除因发射率的不同而造成的误差。如果发 射率在这两个波段范围内的变化缓慢，那么这两个波段辐射能量的比值就主要决定于 被测物体的表面温度。由于测量结果取决于两个波段辐射功率之比，故辐射能量的部分 损耗对测量结果没有影响，并且元件的性能或电路放大倍数的变化对测量结果也无显著 影响。 3 1 2 4 改进型的谱线自蚀法 谱线翻转法也称自蚀法或谱线隐现法，此法的原理是基于连续光源的亮度温度等于 火焰中测温物质的激发温度，它的理论基础是普朗克和基尔霍夫辐射定律。测定时预先 准确标定参考光源的温度，同时使待测火焰掺杂少量的钠元素。当参考光源发出的连续 辐射通过钠火焰时，经分光系统在5 8 9 o n m 和5 8 9 6 n m 处可呈现钠原子辐射线状光谱。如 果参考光源的亮度温度低于火焰温度，钠谱线呈现亮线；反之则呈现暗线。当参考光源 的亮度温度等于钠火焰温度时，钠谱线消失，该点称为钠谱线翻转点。此时，参考光源 的温度即为待测温度。显然，此法只能用于测定稳定火焰温度，而不能用于测定炸药爆 炸等的瞬态火焰温度。 因此，早在2 0 世纪7 0 年代，c e k l i n g e n b e r g 2 4 1 , 就提 了改进型钠谱线翻转法，由于采 用手工方式计算数据精度较差，王俊德等人改进了这种方法，建立了一套全智能化装置， 大大地提高了测光和计算精度，时间分辨率达到2 5 p s 。这套改进的钠谱线翻转法测温系 统是在参考光源( 钨带灯) 和钠火焰间加一个斩光器，使参考光源的光能够断续地辐照钠 火焰，这样就可交替地测出钠火焰有或没有参考光源叠加辐射的光谱强度，得到下述三 个物理量：标准钨带灯的辐射光谱强度i l 、钠火焰的辐射光谱强度i f 和钨带灯和钠火焰 叠加的辐射光谱强度i l + f 。从而可用下式计算得到待测火焰温度t f 【2 5 j ： 疋：f 矿+ 竺l n 生二生盐1 1 ( 3 2 5 ) i1 c hlf 。 式中，t f 为待测火焰温度，k ；t l 为标准钨带灯的钨带温度，k ；k 为b o l t z a n a n n 常 数；c 为光速，“s ；h 为p l a n c k 常数；名为n a 5 8 9 0 n m 的波长。 改进型钠谱线翻转法的优点是： 测温范围不受钨带灯亮度温度的限制、测温时间分辨率高；采用消衡法，并由电脑 全智能化控制，精密度高、准确性好；能够得到爆炸温度随时间的瞬态实时变化情况。 缺点是：由于每一瞬时只能直接记录i f 、i l + f 中的一个信号值，而另一个值要靠相 应的包络线用外推法求知，因此会有一定的人为影响因素，容易引起计算结果的误差1 2 6 。 该方法已用于测定泄爆管的瞬态温度以及固体火箭发动机尾气的实时瞬态温度和 1 4 硕士论文爆炸场温度的多谱线测试方法研究 塑料导爆管输出产物的温度 2 7 2 9 。 3 1 2 5 光纤光谱测温法 于常青等人 3 0 - 3 2 提出了一种光纤光谱探针方法，并用该方法实测了t n t 和海萨尔 炸药的爆轰辐射光谱，对辐射光谱进行计算，得到爆轰温度。 该方法基于黑体辐射理论，通过将光纤引入到炸药中心，用p i n 快速响应探测器采 集光信号并将光信号转换成电信号后用示波器记录，以研究爆轰反应过程的光谱时间响 应特征，之后用光学多通道分析仪( o m a ) 采集信号，并用经典普朗克公式进行拟合 得到炸药的爆温。 在爆轰过程中，爆轰波阵面( 化学反应区) 很薄，化学反应能量在几十纳秒的时间内 释放出来，因此可以将该区的辐射视为黑体辐射。将光纤( 直径与化学反应区厚度相当) 沿垂直于爆轰波传播方向插入炸药，把爆轰光波导引出来，通过光学多通道分析仪 ( o m a ) 得到爆轰光谱，再用普朗克公式按最小二乘法拟合测量到的爆轰光谱。实验 结果表明【3 2 】，将爆轰视为黑体辐射时，用光纤光谱探针法测量爆轰温度具有较高的精度， 而对于爆轰光谱中含有线谱的情况，若通过合理的分析和处理，也可达到较高的精度。 袁宝慧等人【3 3 3 4 】也提出了一种多通道瞬时光纤测试装置，用于测量液体炸药硝基甲 烷的爆轰波光谱发射率以及爆温。他们引入了比信号测试方法，简化了装置的标定，并 利用最小二乘法建立了爆轰波光谱发射率及爆温的迭代计算格式。实验结果表明，光谱 发射率与爆轰波辐射波长具有较强的依赖关系。之后，他们又提出了虚拟辅助光源反射 测量方法【3 5 1 ，使单波长和双波长光学测试装置也具备了同时测量爆轰波光谱发射率和爆 温两个参量的能力。 3 1 3 辐射测温的数据处理方法 ( 1 ) 基于固定发射率假设模型的数据处理方法 此类方法的特点是，在对辐射温度计的测量数据处理时，采用的是固定的发射率假 设模型。由于每种固定的发射率假设模型只适合某一种材料，因此应用这种方法处理数 据前，需要仔细研究被测对象的辐射特性，这是很难做到的。所以此类方法多数情况下 无法解决实际问题，只能进行实验研究。 这类数据处理方法包括：基于线性最小二乘法的数据处理方法、基于非线性最小二 乘法的数据处理方法、基于求解方程法的数据处理方法、基于镜像延拓法的数据处理方 法和基于二次测量法的数据处理方法。 ( 2 ) 基于可变发射率假设模型的数据处理方法 此类方法的特点是，在对辐射温度计的测量数据进行数据处理时，发射率假设模型 可以依据被测对象的不同在一定范围内变化。这类方法已