爆炸火球內(nèi)部溫度測量方法研究

摘 要 針對(duì)爆炸溫度場測量環(huán)境復(fù)雜、參數(shù)變化動(dòng)態(tài)范圍大和測量難度大的問題，提出了一種基于比色測溫技術(shù)的爆炸場內(nèi)部溫度測量方法，并搭建了相應(yīng)的爆炸場溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功測試了由

30 kg甲、乙配方溫壓彈形成的火球溫度場。研究結(jié)果顯示，甲配方炸藥爆炸最高溫度達(dá)到2 950 ℃，爆炸持續(xù)時(shí)間為420 ms左右；而乙配方炸藥爆炸最高溫度可達(dá)3 200 ℃，爆炸持續(xù)時(shí)間小于400 ms，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸火球內(nèi)部溫度的測量。與傳統(tǒng)的熱電偶傳感器相比，所提系統(tǒng)能夠有效地獲取爆炸火球內(nèi)部溫度，具有可行性。

關(guān)鍵詞 比色測溫 爆炸溫度場 瞬態(tài)高溫 火球內(nèi)部溫度

中圖分類號(hào) TH811" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 10003932（2025）02019807

溫壓炸藥是一種由金屬粉、高能氧化劑等組成的混合炸藥，主要通過爆炸產(chǎn)生的高溫高壓毀傷目標(biāo)，其爆炸形成的火球溫度具有很高的熱輻射效應(yīng)［1］。溫壓炸藥的爆炸過程分為3個(gè)階段：第一，溫壓彈爆炸瞬間，不需要消耗氧氣，其反應(yīng)僅為幾微秒，同時(shí)也只會(huì)釋放小部分能量，但其產(chǎn)物是含量極高的富燃料；第二，無氧燃燒反應(yīng)，是以粒子形式存在的，反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)短暫，約為幾十至幾百微秒；第三，隨著氣流燃燒場擴(kuò)散，之前的富燃料接觸到空氣后發(fā)生二次燃燒，釋放出更大的能量［2］。

近年來，隨著溫壓武器和云爆武器的快速發(fā)展［3］，云爆戰(zhàn)斗部爆炸火球內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確測量和內(nèi)部溫度解算技術(shù)的研究具有重要的科學(xué)背景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，由于爆炸溫度場具有持續(xù)時(shí)間短、溫度變化范圍大及溫度峰值高等特點(diǎn)［4］，目前針對(duì)爆炸溫度場內(nèi)部的準(zhǔn)確測量仍然十分困難。為了獲取到準(zhǔn)確的爆炸溫度，研究者們不斷深入，另辟蹊徑。目前測量瞬態(tài)爆炸溫度的方法主要有接觸式和非接觸式兩種方法。

FROST D L等利用K型熱電偶對(duì)金屬化炸藥爆炸火球的溫度進(jìn)行測量，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在鋁粒子時(shí)，火球中的氣體溫度高達(dá)1 800 K，低于燃燒粒子的溫度2 700 K［5］；HOBBS M J等利用壓力傳

感器和自制的紅外輻射溫度計(jì)對(duì)炸藥爆炸早期封閉爆炸中的火球膨脹溫度進(jìn)行了測量［6］；鄭勇杰等采用WRe5/26熱電偶獲取了不同爆心距處的溫度-時(shí)間曲線，分析了TNT裝藥溫度峰值隨距離和裝藥質(zhì)量變化的規(guī)律［7］。CHANG PJ等通過一系列粉塵爆炸，比較納米和微米鋁粉塵的火焰結(jié)構(gòu)，采用雙色高溫計(jì)技術(shù)對(duì)火焰的發(fā)展進(jìn)行定性觀察［8］。梁高等采用多波長輻射測溫技術(shù)對(duì)爆炸場瞬態(tài)溫度進(jìn)行反演，通過分析溫度隨波長靈敏度的變化關(guān)系，確定溫度精度最高時(shí)的波長［9］。黃志成等運(yùn)用比色測溫法，給出最優(yōu)波段的選取，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮膛內(nèi)溫度的測試［10］。張啟威等基于高速相機(jī)、黑體輻射理論、圖像傳感器的拜爾陣列和自編Python代碼，構(gòu)建了依據(jù)比色測溫原理的高速二維溫度測試系統(tǒng)，并對(duì)添加不同含量TiH的乳化炸藥、TiH2粉塵和C2H2氣體的爆炸溫度場進(jìn)行了測量［11］。上述研究均推動(dòng)了爆炸場溫度的研究，但是到目前為止還沒有一種用于爆炸火球內(nèi)部溫度測量的方法。

基于此，筆者提出一種基于比色測溫技術(shù)的爆炸場內(nèi)部溫度測量方法，并搭建對(duì)應(yīng)的爆炸場溫度測量系統(tǒng)，對(duì)30 kg甲、乙配方溫壓彈形成的火球溫度場進(jìn)行測試，獲得火球的內(nèi)部溫度；同時(shí)與傳統(tǒng)的熱電偶溫度傳感器對(duì)比，分析了比色測溫系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 雙波段比色測溫原理

非接觸測溫（即輻射測溫）的基本原理是黑體輻射的普朗克（Planck）定律［12］。Planck定律描述的是輻射能量的光譜分布，它的相應(yīng)公式表明了光譜輻射出射度M（λ，T）與波長λ和絕對(duì)溫度T的關(guān)系：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)爆炸場溫度測量的需求，測試系統(tǒng)必須在惡劣環(huán)境中工作，承受高溫、高壓和高沖擊力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需具備高可靠性和高抗干擾能力，并提供可靠的防護(hù)措施。

針對(duì)上述要求對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測、放大電路和采集存儲(chǔ)模塊4個(gè)部分，其工作流程如下：光學(xué)系統(tǒng)將火球的寬譜輻射光轉(zhuǎn)換為窄譜光信號(hào)，隨后光電探測器捕獲窄譜光信號(hào)并輸出相對(duì)較弱的信號(hào)，之后硬件電路將探測器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換和放大，然后采集存儲(chǔ)模塊中的AD轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用SPI接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至Flash進(jìn)行存儲(chǔ)，最后由上位機(jī)讀取爆炸信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理，進(jìn)而得到溫度場整體的溫度分布情況。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

由于測試環(huán)境的復(fù)雜性，所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮具有濾除雜散光和聚焦的功能，提高系統(tǒng)抗干擾能力，減少信號(hào)失真。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高沖擊、高溫環(huán)境的可靠防護(hù)和對(duì)光路振動(dòng)的有效抑制，采用了雙通道輻射采樣方式；同時(shí)采用多級(jí)串聯(lián)的光學(xué)設(shè)計(jì)，包括防護(hù)透明玻璃、可見光濾光片、光柵、聚焦透鏡和窄帶濾光片，以提高溫度測量節(jié)點(diǎn)的靈敏度和測量精度。濾光片的中心波長分別為810 nm和940 nm，帶寬為25 nm，截止透過率大于90%。光學(xué)系統(tǒng)的單路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 放大電路

由于探測器從目標(biāo)源獲取能量信息后輸出信號(hào)較小，所以利用放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。在運(yùn)算放大器選型時(shí)，要選取低噪聲、高增益、高共模抑制比和性能穩(wěn)定的運(yùn)算放大器，因此選用ADA4522運(yùn)算放大器。同時(shí)為改變增益以及穩(wěn)定增益波動(dòng)，設(shè)計(jì)了高速模擬開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)增益動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功能。

2.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

由于系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性和100 μs的采集速率，同時(shí)要求對(duì)原始數(shù)據(jù)、解算數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所以利用Flash和上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此部分功能，通過衡量價(jià)格、性能及穩(wěn)定性等因素，選擇W25Q64型Flash。

2.4 系統(tǒng)標(biāo)定

要實(shí)現(xiàn)比色測溫系統(tǒng)的精確測量，就必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，利用黑體爐對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。為減少實(shí)驗(yàn)操作引起的誤差，分別在1個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行3次測量，并取其平均值作為系統(tǒng)在該溫度下輸出的電壓值，再通過式（5）得到解算溫度，進(jìn)而計(jì)算出相對(duì)誤差，系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

測溫手段分為兩種：一種是非接觸式，使用自制的比色測溫系統(tǒng)進(jìn)行爆炸火球內(nèi)部溫度的測量；另一種是接觸式，使用自制的鎢錸熱電偶定點(diǎn)測溫。采用比色測溫和熱電偶相結(jié)合的方式對(duì)溫壓炸藥爆炸過程的信號(hào)進(jìn)行采集，目的在于獲取爆炸過程中不同維度下的爆炸信息。

3.2 現(xiàn)場布局

現(xiàn)場布局如圖3所示。比色測溫節(jié)點(diǎn)按扇形布置在溫壓彈周圍一定距離的定點(diǎn)處，采用側(cè)面取樣和向上取樣兩種方式。側(cè)面取樣節(jié)點(diǎn)固定在50 cm高的鋼制腳架上，向上取樣節(jié)點(diǎn)埋于土中高出地面10 cm，熱電偶溫度傳感器固定在鋼制基座上。通過連接線將節(jié)點(diǎn)環(huán)路連接，在確保同步觸發(fā)的同時(shí)，避免出現(xiàn)因節(jié)點(diǎn)之間連接線的斷開而導(dǎo)致后面的節(jié)點(diǎn)無法進(jìn)行信號(hào)采集的情況。考慮到在現(xiàn)場測試時(shí)，會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)以至于無法采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)的問題，設(shè)置兩種控制方式——手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)。手動(dòng)觸發(fā)需通過485線向節(jié)點(diǎn)下達(dá)采集命令，自動(dòng)觸發(fā)由提前設(shè)置的閾值控制，閾值的選擇排除自然光的干擾，確保節(jié)點(diǎn)正確觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用文中的測溫系統(tǒng)分別對(duì)30 kg甲配方的炸藥和30 kg乙配方的炸藥的爆炸溫度場進(jìn)行測量。對(duì)比獲取的原始爆炸信號(hào)和經(jīng)處理操作后的溫度-時(shí)間曲線信息，反映爆炸火球內(nèi)部溫度的測量結(jié)果和爆炸相關(guān)過程。

3.3.1 比色測溫系統(tǒng)結(jié)果

在系統(tǒng)溫度解算過程中，針對(duì)原始爆炸信號(hào)中存在的異常點(diǎn)，采取了人工修正和算法修正的方法，最終得到修正后的火球內(nèi)部溫度值。圖4、5分別節(jié)選了節(jié)點(diǎn)SN04在甲、乙配方炸藥下的原始爆炸信號(hào)和溫度解算圖像，圖6、7分別節(jié)選了節(jié)點(diǎn)SN10在甲、乙配方炸藥下的原始爆炸信號(hào)和溫度解算圖像。比色測溫系統(tǒng)的峰值溫度見表2，爆炸持續(xù)時(shí)間見表3。

由圖4a、b可知，在爆炸的瞬間溫度迅速達(dá)到初始峰值，而后又有一個(gè)短暫的回落過程，由于溫壓彈的二次燃燒，溫度繼續(xù)升高，達(dá)到最高溫度。結(jié)合溫壓炸藥的特性，在炸藥爆炸后，迅速燃燒，產(chǎn)生爆轟產(chǎn)物，火球溫度到達(dá)第1個(gè)峰值；之后進(jìn)行無氧燃燒過程，最后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物與氧氣接觸發(fā)生二次燃燒，達(dá)到爆炸溫度的最大值。對(duì)比圖4和圖6可以看出，隨著與爆心距離的增加，且爆轟產(chǎn)物在空中出現(xiàn)的隨機(jī)性，火球內(nèi)部最高溫度和爆炸持續(xù)時(shí)間也會(huì)有所差別。

比較表2、3中的數(shù)據(jù)可以看出，乙配方炸藥在一定程度上的最高溫度高于甲配方，但是乙配方炸藥在持續(xù)時(shí)間上低于甲配方。由圖4～7的溫度解算圖中可以發(fā)現(xiàn)，甲配方炸藥具備溫壓彈二次爆炸的特點(diǎn)，但是乙配方炸藥沒有很明顯的二次爆炸特征，過程比較單一。

3.3.2 熱電偶測溫傳感器結(jié)果

圖8節(jié)選了熱電偶1在甲配方炸藥下的原始爆炸信號(hào)和溫度解算圖像，在進(jìn)行第2場實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱電偶被損壞，無有效數(shù)據(jù)，不進(jìn)行展示。

從圖8可以看出，熱電偶溫度傳感器1所測得的溫度最大值為1 123 ℃，上升時(shí)間長達(dá)416 ms。

3.3.3 兩種測溫方法的對(duì)比

通過圖4、6、8的對(duì)比，可以看出：

a. 在距離爆心10 m以內(nèi)，熱電偶溫度傳感器受爆炸沖擊波的影響較大，無法確保有效數(shù)據(jù)采集；而比色測溫系統(tǒng)能夠有效測量火球場內(nèi)部溫度，并且通路損壞情況較為罕見，系統(tǒng)具有可行性。

b. 熱電偶溫度傳感器的上升時(shí)間較長，且響應(yīng)速度不足以滿足對(duì)瞬態(tài)高溫的快速測量需求；相反，比色測溫系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間低于100 μs，能夠滿足溫壓彈爆炸的快速性和爆發(fā)性，可準(zhǔn)確捕捉爆炸信號(hào)，從而提高測量精度。

c. 熱電偶僅適用于測量最高溫度為1 000 ℃左右的場景，無法滿足對(duì)爆炸火球內(nèi)部溫度的測量需求；而比色測溫系統(tǒng)的測溫范圍為750～

3 500 ℃，能夠滿足當(dāng)前的測溫需求，保證溫度的準(zhǔn)確測量。

4 結(jié)束語

針對(duì)爆炸火球內(nèi)部溫度測量中存在的測量環(huán)境復(fù)雜、參數(shù)變化動(dòng)態(tài)范圍大及測量難度大等特點(diǎn)，考慮到傳統(tǒng)的溫度測量方法難以滿足爆炸溫度場內(nèi)部測量需求，研究了一種基于比色測溫系統(tǒng)的爆炸火球內(nèi)部溫度測量的方法，該系統(tǒng)測溫范圍廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，與傳統(tǒng)的溫度場測試系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)勢：

a. 傳統(tǒng)接觸式測溫法響應(yīng)速度低、容易損壞、不能較好地用于爆炸場溫度測量，所提系統(tǒng)響應(yīng)速度快、測溫范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸溫度場的非接觸式測量。現(xiàn)有爆炸場測溫方法大多應(yīng)用于爆炸火球表面溫度，而所提系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸火球內(nèi)部溫度的測量，擴(kuò)大了爆炸溫度場測量目標(biāo)的范圍，彌補(bǔ)了爆炸溫度場測溫領(lǐng)域的不足。

b. 相比于熱電偶溫度傳感器的局限性，采用所提系統(tǒng)可以完整記錄爆炸溫度場的整個(gè)變化過程，滿足爆炸場測試需求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 田培培，張猛，王高，等.基于紅外熱像儀的溫壓彈爆炸溫度場測試［J］.紅外技術(shù)，2016，38（3）：260-265.

［2］ 范彩玲.溫壓彈爆炸熱毀傷效應(yīng)研究［D］.太原：中北大學(xué)，2022.

［3］ 張?jiān)泼鳎瑒c明，李磊，等.爆炸場瞬態(tài)高溫測試的實(shí)驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2014，34（5）：513-520.

［4］ 許仁翰，周釔捷，狄長安.基于高速成像的爆炸溫度場測試方法［J］.兵工學(xué)報(bào)，2021，42（3）：640-647.

［5］" "FROST D L， JOHNMARK C， GOROSHIN S，et al.Thermocouple Temperature Measurements in Metalized Explosive Fireballs［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2021，46（6）：899-911.

［6］" "HOBBS M J，BARR A，WOOLFORD S，et al.HighSpeed Infrared Radiation Thermometer for the Investigation of Early Stage Explosive Development and Fireball Expansion［J］.Sensors，2022，22（16）：6143.

［7］" " 鄭勇杰，蘇健軍，姬建榮，等.TNT爆炸溫度場熱作用規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［J］.兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2023，44（6）：103-107；147.

［8］" " CHANG PJ，TOSHIO M，RITSU D.An investigation on the dust explosion of micron and nano scale aluminium particles［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2021，70：104437.

［9］" " 梁高，李新娥，孟庭偉，等.多光譜瞬態(tài)測溫系統(tǒng)最優(yōu)測溫波段的分析研究［J］.激光與紅外，2023，53（5）：759-763.

［10］" " 黃志成，李新娥，趙夏青.比色測溫法的最優(yōu)波段及測溫精度的研究［J］.激光與紅外，2023，53（12）：1871-1876.

［11］" " 張啟威，程揚(yáng)帆，夏煜，等.比色測溫技術(shù)在瞬態(tài)爆炸溫度場測量中的應(yīng)用研究［J］.爆炸與沖擊，2022，42（11）：105-117.

［12］" " 李云紅，王瑞華，李禹萱.雙波段比色測溫技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測試［J］.激光與紅外，2013，43（1）：71-75.

［13］" "YU Y B，CHOW W K.Review on an advanced hightemperature measurement technology：The optical fiber thermometry［J］.Journal of Thermodynamics，2009.DOI：10.1155/2009/823482.

［14］" " LV Y，HE X，WEI Z H，et al.Method to remove the eff

ect of atmosphere and ambient radiation on colorimetric temperature measurement［J］.Chemical Engineering Transactions，2015（46）：937-942.

［15］" "CHEN Y H，LIU W，F(xiàn)AN Z Y，et al.Colorimetric pyrometry system design and calibration experiment［J］.Proc SPIE，2015，9449：1-7.

（收稿日期：2024-09-13，修回日期：2025-01-10）