CN106979832A - 一种光纤分光测温系统及其测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤分光测温系统及其测温方法，采用8路光纤分光技术测试爆炸温度的方法，适合于弹药行业爆炸温度的精密测试，该方法依据光谱辐射理论，通过对爆炸辐射功率的准确测量和光谱发射率的算法研究，完成爆炸温度的精密测试，包括光学成像装置、8路集束光纤分光模块、8块覆盖可见光到近红外波段的滤光片模块、由4路可见光和4路红外探测器组成的8路探测模块、8路同步控制模块、8路数据采集与处理模块以及计算机测试装置。与现有技术相比，不仅准确测试爆炸物的发射率随波长和时间的变化，也提高了整个测试系统的信号的质量，体现了准确度高、实时性强、及便携性等特点。

Description

一种光纤分光测温系统及其测温方法

技术领域

本发明涉及爆炸温度测试技术领域，具体涉及一种光纤分光测温系统及其测温方法。

背景技术

在爆炸温度的测试领域，目前主要有全辐射测温法、亮度测温法、双色测温法、红外热像仪测温法、超光谱测温法及多光谱测温法，全辐射测温法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的温度，理论上只要能测出全波长总辐射功率就可以测定物体的真实温度，但是目前尚无对全波段有响应的探测器，也没有能透过全波段的光学材料，因此，全辐射测温法无法实现温度的准确测试；亮度测温法也称为单色温度计测温法，是爆炸领域中最早出现的方法，也是结构最为简单的一种方法，这种方法通过滤光片使得只有某个指定波长的能量能进入光电探测器，所以测得的温度实际上是物体的亮温，而非实际的爆炸温度，若想得到被测物体的真温，则需要估计被测物体的发射率，而通过估计方法得到的物体发射率具有很大误差；双色测温法是在高温计中设计两个光谱通道，通过对两个通道的光谱信息计算得出物体的温度，双色温度计假定被测物体是灰体，即发射率不受工作波长和时间的影响，只与温度有关，而爆炸物的发射率是随波长和时间变化的量，因此，该方法测量的温度仍为亮温，而非真实温度；利用红外热像仪测量爆炸温度，红外热像仪具有面成像、数据信息量大的优点被应用于爆炸温度测量中，尤其对研究炸药爆炸火团温度扩散方面具有其它高温计不可比拟的优势，但此方法测得的仍为物体的亮温，未解决未知发射率的条件下测量物体真温的问题，且适合爆炸温度小于1000℃以下辐射温度的测试；超光谱测温法一般采用光谱辐射计，光谱辐射计前端配置传输光纤也称光纤光谱仪，其测试原理都是通过对爆炸物辐射功率的准确测试和光谱发射率的模拟算法来完成爆炸温度的测量，在超光谱测温法中光电探测器一般采用单元探测器或阵列探测器，采用单元探测器完成整个波长范围的测试，需要进行光谱扫描，扫描一个周期大约在毫秒量级，采用阵列探测器也大约在毫秒量级，因此，无法测试爆炸速度在微秒量级的弹药，适用于慢速爆炸温度的测试，另外，该测试方法无法给出爆炸温度随时间的变化情况；多光谱测温法是采用光学分光技术将测试光路分为4路、6路，先后出现了4波长高温计、6波长辐射高温计等，测温上限高达8000K，初步获得了爆炸温度的准确测量，该方法由于采用光学分光元件，4路需要三块分束镜、6路需要五块分束镜、8路需要七块分束镜，测试通道越多，波长越精细，测量精度越高，因此需要的分束镜越多能量的衰减也越大，同时造成分光系统体积庞大，外场携带和使用不方便，另外也使的测试的可靠性降低。综上所述，如何实现爆炸温度的准确测试及其随时间的变化曲线一直是爆炸测试领域的难题。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明的目的是提供一种光纤分光测温系统，能准确测量随时间变化的爆炸温度，适合于高温、超高温目标的爆炸或火焰真实温度的准确测量。

本发明的另一目的是提供一种光纤分光测温系统的测温方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤分光测温系统，包括设于爆炸源一侧的光学成像装置、集束光纤分光模块、滤光片模块、探测模块、高速数据采集处理模块及计算机测试装置；

所述光学成像装置包括一透镜组，所述透镜组将爆炸源成像至所述集束光纤分光模块输入端；

所述集束光纤分光模块输出端输出8路信号传递至滤光片模块；

所述滤光片模块包括4路可见光滤光片和4路近红外滤光片，分别接收所述集束光纤分光模块输出的8路信号；

所述探测模块包括分别与4路可见光滤光片相匹配的可见光探测器和与4路近红外滤光片相匹配的近红外探测器；

所述高速数据采集处理模块采集处理来自所述探测模块的4路可见光和4路近红外信号数据；

所述计算机测试装置包括硬件控制和运算软件，所述硬件控制包括8路同步控制模块、高速数据采集与处理模块的采集时间、前置放大倍数及通道参数设置，所述同步控制模块感应所述爆炸源信号，触发所述高速数据采集处理模块对数据的采集处理，所述运算软件通过计算机测试装置测出多个波长在某时刻下的光谱辐射功率，从而获得爆炸温度。

所述可见光探测器采用的是高稳定性硅光电探测器。

所述近红外探测器采用的是高灵敏度InGaAs探测器。

所述高速数据采集处理模块包括硅探测器组前置放大电路及I/V转换电路、InGaAs探测器组前置放大电路及I/V转换电路、多通道高速数据采集处理存储模块。

所述同步控制模块中的各路为并联式触发，任一路感应到信号即可触发所述高速数据采集处理模块进行快速采集。

一种光纤分光测温系统的测温方法，其特征在于以下步骤：

1)爆炸发生后，所述爆炸源一侧的光学成像装置将爆炸源成像至集束光纤分光模块输入端；

2)所述集束光纤分光模块输出端输出8路爆炸源信号传递至滤光片模块；

3)所述滤光片模块通过4路可见光滤光片和4路近红外滤光片，分别接收所述集束光纤分光模块输出的8路信号；

4)所述探测模块通过4路可见光探测器探测到4路可见光，通过4路近红外探测器探测到4路近红外光；

5)所述计算机测试装置中的同步控制模块感应所述爆炸源信号，触发所述高速数据采集处理模块对来自所述探测模块的4路可见光和4路近红外信号数据的采集处理；

6)爆炸测温的核心是爆炸物发射率的测试，通过所述计算机测试装置测出多个波长在某时刻下的光谱辐射功率，当爆炸物发射率已知时就可以最终获得爆炸温度；

即为爆炸物发射率的模拟算法；

根据爆炸物发射率公式可得：

其中，E(λ，t)为设备测量的波长为λ处某时刻t下的光谱辐射功率，Eb(λ，t)为标准黑体在波长为λ处光谱辐射功率；

对上述公式取对数、并采用维恩位移公式近似计算：

令k_i＝ln E(λ,t)+5lnλ+-ln c₁，则有：

分别将8个波长点分别带入上述公式，建立如下方程组：

上述方程组中m取5，共设计8个波长点，方程组有5+2个未知数，8个方程，通过求解8个超越方程，分别获得a0、a1、a2、a3、a4、a5、T7个未知数，带入公式即可获得某时刻t下爆炸物发射率；

7)分别计算整个爆炸过程中各个时刻下的爆炸物发射率和爆炸温度，即可获得爆炸物随时间分布的爆炸温度。

本发明依据光谱辐射理论，通过对爆炸辐射功率的准确测量和光谱发射率的算法研究，完成爆炸温度及其随时间的精密测试。

本发明的有益效果是：在多光谱测温法的基础上结合光纤分光原理，设计了8路光纤分光技术测试爆炸温度系统，结合模拟算法，实现爆炸真实温度的准确快速的测量计算。与现有技术相比，不仅准确测试爆炸物的发射率随波长和时间的变化，也提高了整个测试系统的信号的质量，体现了准确度高、实时性强、及便携性等特点。

附图说明

下面根据附图及实施例，对本发明的结构和特征作进一步描述。

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的结构作进一步描述。

本发明优选实施例用于高爆弹药瞬时辐射温度及温场分布测试与校准技术，其爆炸温度范围为1000℃～4000℃，实现准确测试其爆炸温度。

参看附图1，该光纤分光测温系统由光学成像装置2、8路集束光纤分光模块3、8块覆盖可见光到近红外波段的滤光片模块、4路可见光探测器和4路近红外探测器组成的8路探测模块、8路同步控制模块5、8路高速数据采集处理模块4以及计算机测试装置6组成，依据光谱辐射理论，通过对爆炸辐射功率的准确测量和光谱发射率的算法研究，完成爆炸温度及其随时间的精密测试。

光学成像装置2将爆炸源1成像到8路集束光纤分光模块3，光学成像装置2由一组透镜组成。

8路集束光纤分光模块设计为1分8，即输入端为1路，集束光纤输入端面积为8平方毫米，输出端分解为8路,每路输出光斑大小为1平方毫米，集束光纤均分设计，光进入集束光纤分光模块后输出即分解为8路光信号分别到达滤光片模块；

8块滤光片模块分别由4路可见光滤光片、4路近红外滤光片及其安装支架组成，其峰值波长分别为：可见光450nm、650nm、近红外850nm、1000nm、1200nm、1600nm、1850nm、2000nm，带宽小于30nm；

8路探测模块由4路高稳定性硅光电探测器和4路高灵敏度近红外探测器InGaAs探测器组成，其中硅光电探测器波长范围为350nm～1110nm，完成对4个波长点450nm、650nm、850nm、1000nm信号的采集，InGaAs探测器波长范围为850nm～2200nm，完成对近红外4个波长点1200nm、1600nm、1850nm、2000nm信号的采集，通过以上设计，实现从可见光到近红外多波段爆炸物辐射信号的探测；

8路高速数据采集处理模块是用于对8路可见光到近红外信号采集和数据处理，为硅光电探测器和InGaAs探测器组而设计的，包括硅探测器组前置放大电路及I/V转换电路、InGaAs探测器组前置放大电路及I/V转换电路及多通道高速数据采集处理存储模块。

8路同步控制模块用于对爆炸源信号的同步触发和采集，与8路高速数据采集处理模块相结合，完成对整个测试系统的触发和控制，8路同步控制设计为并联式触发，即任意1路感应到信号即可触发8路进行快速采集。

计算机测试装置包括硬件控制和运算软件两部分，其中硬件控制包括8路同步控制模块、高速数据采集与处理模块的采集时间、前置放大倍数、通道参数设置等硬件系统的设置与调试，运算软件包括系统标定、发射率测试、爆炸温度测试、爆炸温度时间分布测试功能。

爆炸测温的核心是爆炸物发射率的测试，该方法采用模拟算法，即：

根据发射率定义：

其中，E(λ,t)为设备测量的波长为λ处某时刻t下的光谱辐射功率，Eb(λ,t)为标准黑体在波长为λ处光谱功率。

将公式(2)带入公式(1)，并取对数、并采用维恩位移公式近似计算有：

令k_i＝lnE(λ,t)+5lnλ+-lnc₁则公式(3)变为：

分别将8个波长点分别带入公式(4)，有如下方程组：

本发明m取5，设计8个波长点，因此，按照方程组有5+2个未知数，8个方程，通过解8个超越方程，分别获得a0、a1、a2、a3、a4、a5、T7个未知数，带入公式(1)即可获得某时刻t下爆炸物发射率。

同理，分别计算整个爆炸过程中各个时刻下的爆炸物发射率和爆炸温度，即可获得爆炸物随时间分布的发射率和爆炸温度。

以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤分光测温系统，其特征在于：包括设于爆炸源一侧的光学成像装置、集束光纤分光模块、滤光片模块、探测模块、高速数据采集处理模块及计算机测试装置；

所述光学成像装置包括一透镜组，所述透镜组将爆炸源成像至所述集束光纤分光模块输入端；

所述集束光纤分光模块输出端输出8路信号传递至滤光片模块；

所述滤光片模块包括4路可见光滤光片和4路近红外滤光片，分别接收所述集束光纤分光模块输出的8路信号；

所述探测模块包括分别与4路可见光滤光片相匹配的可见光探测器和与4路近红外滤光片相匹配的近红外探测器；

所述高速数据采集处理模块采集处理来自所述探测模块的4路可见光和4路近红外信号数据；

所述计算机测试装置包括硬件控制和运算软件，所述硬件控制包括8路同步控制模块、高速数据采集与处理模块的采集时间、前置放大倍数及通道参数设置，所述同步控制模块感应所述爆炸源信号，触发所述高速数据采集处理模块对数据的采集处理，所述运算软件通过计算机测试装置测出多个波长在某时刻下的光谱辐射功率，从而获得爆炸温度。

2.根据权利要求1所述的光纤分光测温系统，其特征在于：所述可见光探测器为高稳定性硅光电探测器。

3.根据权利要求1所述的光纤分光测温系统，其特征在于：所述近红外探测器为高灵敏度InGaAs探测器。

4.根据权利要求1所述的光纤分光测温系统，其特征在于：所述高速数据采集处理模块包括硅探测器组前置放大电路及I/V转换电路、InGaAs探测器组前置放大电路及I/V转换电路、多通道高速数据采集处理存储模块。

5.根据权利要求1所述的光纤分光测温系统，其特征在于：所述同步控制模块中的各路为并联式触发，任一路感应到信号即可触发所述高速数据采集处理模块进行快速采集。

6.一种光纤分光测温系统的测温方法，其特征在于以下步骤：

1)爆炸发生后，所述爆炸源一侧的光学成像装置将爆炸源成像至集束光纤分光模块输入端；

2)所述集束光纤分光模块输出端输出8路爆炸源信号传递至滤光片模块；

3)所述滤光片模块通过4路可见光滤光片和4路近红外滤光片，分别接收所述集束光纤分光模块输出的8路信号；

4)所述探测模块通过4路可见光探测器探测到4路可见光，通过4路近红外探测器探测到4路近红外光；

5)所述计算机测试装置中的同步控制模块感应所述爆炸源信号，触发所述高速数据采集处理模块对来自所述探测模块的4路可见光和4路近红外信号数据的采集处理；

6)爆炸测温的核心是爆炸物发射率的测试，通过所述计算机测试装置测出多个波长在某时刻下的光谱辐射功率，当爆炸物发射率已知时就可以最终获得爆炸温度；

$\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)=e^{a_0+a_1\mathrm{\λ}+a_2{\mathrm{\λ}}^2+...+a_m{\mathrm{\λ}}^m}$

即为爆炸物发射率的模拟算法；

根据爆炸物发射率公式可得：

$\frac{E(\mathrm{\λ},t)}{E_b(\mathrm{\λ},t)}=\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)$

其中，E(λ，t)为设备测量的波长为λ处某时刻t下的光谱辐射功率，Eb(λ，t)为标准黑体在波长为λ处光谱辐射功率；

对上述公式取对数、并采用维恩位移公式近似计算有：

$a_0+a_1\mathrm{\λ}+a_2{\mathrm{\λ}}^2+...+a_m{\mathrm{\λ}}^m=\ln E(\mathrm{\λ},t)+5ln\mathrm{\λ}+\frac{c_2}{\mathrm{\λ}T}-\ln c_1$

令k_i＝ln E(λ,t)+5lnλ+-ln c₁，则有：

$a_0+a_1\mathrm{\λ}+a_2{\mathrm{\λ}}^2+...+a_m{\mathrm{\λ}}^m=k_i+\frac{c_2}{\mathrm{\λ}T}$

分别将8个波长点分别带入上述公式，建立如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0+a_1{\mathrm{\λ}}_1+a_2{{\mathrm{\λ}}_1}^2+\mathrm{...}+a_m{{\mathrm{\λ}}_1}^m=k_i+\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_{1}T}\\ a_0+a_1{\mathrm{\λ}}_2+a_2{{\mathrm{\λ}}_2}^2+\mathrm{...}+a_m{{\mathrm{\λ}}_2}^m=k_i+\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_{2}T}\\ \mathrm{......}\\ a_0+a_1{\mathrm{\λ}}_8+a_2{{\mathrm{\λ}}_8}^2+\mathrm{...}+a_m{{\mathrm{\λ}}_8}^m=k_i+\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_{8}T}\end{array}\right.$

上述方程组中m取5，共设计8个波长点，方程组有5+2个未知数，8个方程，通过求解8个超越方程，分别获得a0、a1、a2、a3、a4、a5、T7个未知数，带入公式即可获得某时刻t下爆炸物发射率；

7)分别计算整个爆炸过程中各个时刻下的爆炸物发射率和爆炸温度，即可获得爆炸物随时间分布的爆炸温度。