多光谱辐射瞬态高温测温计的研制

在现代动力学发射系统中,在强电磁场激发下瞬间产生的等离子体的火焰辐射温度对飞行目标运动状态以及动力系统轨道烧灼情况有着重要的影响。针对该情况下火焰不仅温度极高,而且其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再使用,而基于光学高温计和CCD成像阵列等非接触式测温方法也无法响应瞬态过程。文章以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计可以对目标产生的从300～860nm的波段内任意波长光谱的提取,最快响应时间可达到2ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。实验结果表明,利用目标发出的多光谱辐射测温与高速响应光电探测器件相结合的方法能够测量得到动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

非漫发射体温度测量原理

辐射测温以Planck定律为基础可以在不同的空间位置测量物体表面的发射辐射来反演温度,以实现物体表面温度的非接触测量,具有重要现实意义。Planck定律确立了光谱辐射强度与黑体温度之间的定量关系,然而在辐射测温理论和实践研究中,实际物体表面光谱发射率的复杂性和未知性成为辐射温度精确测量的主要障碍。基于特定的发射率模型,可以在未知晓物体表面发射率的条件下实现物体温度的非接触测量,但此时难于考虑被测物体的非漫发射特征。为了在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度测量,研究中直接从辐射测量方程出发,经过适当数学转化后,提出了辐射测温中的一个新概念一表观发射率,并对其特征进行了分析,结果表明在对非漫发射体进行温度测量时在同一次测量中,表观发射率虽然形式上很复杂但仅是波长的函数,可以直接针对波长进行模型构建,进而可以在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度的封闭求解,进而给出了有限立体角辐射测量条件下非漫发射体的波长和波段测量方程。同时,还对有限面积条件下的温度测量进行了研究,发现如果具有非漫发射特征有限面积上的温度处处相同,基于表观发射率的构建也可以实现温度的封闭求解。     

光谱响应对辐射光谱测温法的影响研究

针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题,利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱,分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征,确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段,获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况,详细分析了温度对光谱响应系数的影响,总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则,并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响,这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。     

基于有限立体角测量的多光谱测温

辐射测温以Planck定律为基础通过测量物体表面的发射辐射来反演温度。推导了有限立体角辐射测量条件下的单色测温方程,发现多光谱辐射测温能够实现温度和光谱发射率同时求解通常需满足特定的辐射测量条件：进行微元立体角辐射测量或仅针对漫发射体的有限立体角辐射测量。引入多项式发射率模型,经过数学转化,可以摆脱以上测量限制,得到具有测量普适性的单色测温方程,但却不一定能同时测量光谱发射率。对测温方程组的多解问题进行了初步研究,提出使测量通道数大于待求变量数及采用非线性最小二乘来解决此问题。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

高温黑体性能评定和温度测量

中国计量科学研究院引进了高温黑体BB3500M作为新的光谱辐射照度基准光源。黑体BB3500M包括辐射腔体和温度反馈系统。辐射腔体由一系列高温热解石墨环组成,可以加热至3 500 K。在光谱辐照度测量中,高温黑体的性能参数和温度测量至关重要。对于黑体的性能参数,着重考察了黑体温度的稳定性和腔底温度的均匀性。在将高温黑体的光谱辐射照度传递给工作标准灯时,黑体的温度可能发生改变。实验观测了一小时内黑体的温度漂移情况。当高温黑体加热至3 016 K时,采用温度反馈系统的BB3500M稳定在0.3 K。实验光路中设置了限制光栏,用于屏蔽来自黑体腔壁的辐射。黑体腔底辐射环的温度均匀性优于0.2 K。在温度测量中,2 473 K以下的温度可以直接溯源到中国计量科学研究院热工处,对于更高温度的测量需要进行温度延伸。文中从普朗克公式出发,通过多波长亮度比较法进行了温度延伸。实验先在低温区进行延伸证实了方法的可能性,然后进行了高温区的温度延伸。     

高速碰撞诱发闪光辐射温度的测量及误差分析

为实现对高速碰撞诱发的闪光辐射温度进行实验测量及误差分析,建立了二级轻气炮加载系统及闪光辐射温度测量系统。采用聚碳酸酯弹丸分别以6 km/s、3.9 km/s的速度垂直撞击2A12铝靶,利用瞬态光纤高温计采集闪光信号,通过比色法计算不同碰撞条件下的闪光辐射强度及辐射温度。依据普朗克辐射定律计算了不同波长及温度条件下的闪光辐射强度理论值,与实验测量结果相比较并进行了误差分析;分别采用双色测温法的不同波长组合及四色测温法计算了闪光辐射温度及其平均温度,通过计算标准差分析了波长的选取对闪光辐射温度的影响。结果表明：与理论计算结果相比较,实验测量得到的闪光辐射强度值偏低,采用双色测温法计算闪光辐射温度时波长的选取对计算结果影响很大,波长间隔越大计算结果误差越小（误差最小值实验No.1为68.25 K,实验No.2为30.67 K）;四色测温法计算得到的闪光辐射温度与平均温度相近（误差实验No.1为72.88 K,实验No.2为63.66 K）,因此采用比色法计算闪光辐射温度时应尽量选取大间隔波长或多个波长参与计算以降低误差。     

多光谱辐射测温技术测量火工烟火药剂燃烧温度

利用瞬态光谱辐射仪分析了火工烟火药剂燃烧火焰辐射光谱分布,介绍了多光谱辐射测温技术的工作原理。结合火工烟火药剂燃烧火焰特征光谱分布状况设计研制了具有12个工作通道的多光谱辐射测温系统,测试者可根据被测火焰光谱辐射分布状况选择合适的工作通道进行分析计算。该系统由光学部分,电路部分,数据采集部分及数据处理部分组成。文章以黑火药为例,应用该系统对其燃烧火焰的辐射能量进行了测定,经过迭代计算后给出黑火药燃烧温度随时间的变化曲线。实验证明,在分析被测火焰特征光谱分布的前提下,选择合适的光谱工作通道,多光谱辐射测温系统能够很好地应用于火工烟火药剂燃烧温度的测定,为火工烟火药剂燃烧输出特性的研究奠定了基础。     

四色高温测量中最佳化参数的选择

本文从黑体辐射定律出发,计算了物体辐射谱在四个不同波长处辐射强度的比率。结果表明,适当选取四个测量点的波长,四波长之差值及测量点波长带宽,该比率与被测辐射体温度之间有良了的单值关系,并可一定程度上消除物体单色辐射率对测温的影响。根据结果用图示出了各参数对四色高温测量的影响。     

光谱法测量煤粉火焰温度和黑度的研究

利用由ＣＣＤ线阵组成的微型光纤光谱仪研制了现场火焰光谱测量装置。通过测量３５０ＭＷ电站锅炉的煤粉火焰从 ５３３ｎｍ至１０５０ｎｍ波段的辐射光谱,发现煤粉火焰的辐射非常接近灰体辐射。根据这一特点,从维恩公式出发,利用最优化方法处理测得的火焰辐射光谱信号,得到了火焰的温度和黑度。     

基于炉口火焰辐射测温的转炉终温预测研究

转炉炼钢的铁水终点温度是衡量铁水是否符合出钢要求的一个重要指标,目前仍主要依靠人工经验进行控制,其预测精度难以保证。为了能够有效的预测终点铁水的温度,并能满足不同的转炉炉口尺寸的要求,提出了一种基于炉口火焰温度测量的转炉终点铁水温度预测的新方法。利用可以采集可见光和近红外波段的微型光谱仪作为关键器件构建了炉口火焰辐射信息的采集系统,实现对转炉炼钢现场的炉口火焰辐射信息进行实时、有效的采集。同时综合考虑了炉口火焰的实际温度范围和现场的测量距离,通过改进的系统标定方法,对所构建的辐射信息采集系统进行标定,并利用双波长法获得了炉口火焰的辐射温度。鉴于炉口的火焰温度与炉内的铁水温度之间存在着一定的联系,还利用所测得的火焰温度以及与铁水温度相关的转炉吹炼过程参数,建立了基于支持向量机的炉内铁水温度的回归预测模型。对68炉现场采集到的转炉吹炼数据进行验证实验后表明该方法的预测精度要优于人工经验,且接近采用副枪的铁水温度测量方式,可为中小型转炉的终点温度预测提供一种有效可行的方案。     

超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征实验研究

为研究超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征,构建了超高速碰撞产生热辐射的测量系统。采用实验测量与理论计算相结合的方法,得到了相近碰撞速度(约3 km/s)、不同弹丸入射角度(弹道与靶板平面的夹角)下的闪光辐射强度、闪光辐射温度、光谱辐射能量、辐射源面积及发光效率的演化过程。结果表明:闪光辐射强度、闪光辐射温度及光谱辐射能量均呈现急剧上升后缓慢衰减的特征,并且随着弹丸入射角度的增加而减小;在闪光辐射温度达到峰值后辐射源面积继续上升;弹丸入射角度越小发光效率越高,实验中发光效率数量级为10~(-5)。     

超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律,利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度,基于大量实验,建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合,得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明:在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大,验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀,随着等离子体云的向外膨胀,离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小;在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。     

红外双色诱饵剂性能测试研究

为了对抗目前广泛应用的红外双色(1～3和3～5 μm)制导系统,设计制备了一种能够模拟真实目标红外双波段辐射特性的新型红外双色诱饵剂,采用Imager IR8325中波红外热像仪测试其燃烧过程中的温度变化情况以及特定时刻的火焰温度分布;采用SR5000光谱辐射计、Tensor37遥感红外光谱仪测试红外双色诱饵剂静态光谱辐射特性,获得了其频域和时域特性,分析了双色诱饵剂辐射强度和红外中近颜色比的影响因素;同时为了研究高速飞行状态下双色诱饵剂的辐射强度和颜色比变化规律,采用直路式等速负压气溶胶风洞进行了诱饵剂动态辐射强度测试,解释了红外双色诱饵剂辐射特性在高速气流影响下与传统诱饵剂不同的衰减机理。实验结果表明,该双色诱饵剂火焰温度在850~1 100 ℃之间,与真实目标具有较为接近的温度特征,该诱饵剂的红外中近比为1<I_{3～5 μm}∶I_{1～3 μm}<3,3~5 μm红外辐射强度为(1.1±0.1) kW·sr-1,与真实目标具有较为接近的红外光谱辐射特征,是一种性能优良的双色诱饵剂。     

光弹材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算分析

基于材料的热力学关系和能量守恒定律,给出弹性体形变过程中红外辐射温度改变量和辐出度变化的物理计算方程.并结合有限元方法进行物理建模,对光弹材料三点弯载荷实验过程中的红外辐射出射度的分布进行数值计算和模拟.结果与实验结果吻合较好,表明模型及其相关理论是合理的,可以用来量化揭示实验中的红外辐射特征.从而得到一种能够利用计算机量化分析固体材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算方法.