专利名称：毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪的制作方法
技术领域：
本发明属于火工品技术领域，主要涉及一种火工药剂性能测试仪器，尤其涉及一 种毫秒级火工药剂燃烧真温的测定仪。
背景技术：
火工品是武器系统始发能源的关键器件和装置，其主要作用是引爆、传爆、点火、 传火、延期、作功等。火工药剂燃烧真温是表征火工品输出性能的一个重要指标，是评定火 工品输出能力的重要参数，该温度的获得不仅能够完善火工品输出特性参数，而且也能够 为新型火工品的设计和药剂配方的研制提供技术支持。GJB5384. 7-2005规定了烟火药剂火 焰温度测定方法，主要采用热电偶测温法测量火工药剂燃烧真温，由于火工药剂的作用过 程是高速的一次性过程，而热电偶测温法存在时间响应延迟，导致该方法不能测得毫秒级 作用的火工药剂燃烧真温，致使在火工品设计研究中需要的温度数据无法提供，给总体论 证研究和产品设计带来很大困难，不利于火工药剂性能的研究和新型火工品的研发。为了 解决毫秒级火工药剂燃烧温度的测定问题，人们尝试用红外热成像法测定火工药剂作用过 程中的温度，而与温度直接相关的参数是发射率。由于火工药剂的作用过程很复杂，使得其 发射率难以确定，因而无法提供红外热成像法测温时所需的发射率数据，故热成像法不能 获得被测火工药剂的燃烧真温。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种燃烧真温测定 仪，具体地说，该测定仪可以测量毫秒级火工品药剂燃烧作用过程中的燃烧真温。为解决上述技术问题，本发明提供的燃烧真温测定仪包括含有光学瞄准头和光谱 分光系统的光学系统、探测系统和数据采集系统；其特征在于所述光学瞄准头含有主物 镜、第一反射镜、瞄准物镜和光纤并集成在一个光具座中，第一反射镜为带有瞄准分划线的 平面反射镜，被测火工药剂和光纤的第一端口分别位于主物镜的一对共轭物点和像点上， 第一反射镜为活动式即通过旋钮可以移入或移出测量光路，当第一反射镜移入测量光路时 将位于主物镜与传输光纤之间且反射面与光轴成45°角，瞄准物镜的分划线位于主物镜的 等效共轭像点上，当被测火工品药剂燃烧产生的热辐射经主物镜成像，该成像光束首先经 第一反射镜反射后会聚在瞄准物镜的分划线处，在第一反射镜移出测量光路后，该成像光 束直接会聚在传输光纤的第一端口并经传输后到达光纤的第二端口 ；所述光谱分光系统含 有准直物镜、次物镜、分光棱镜和第二反射镜并集成在暗箱中，第二反射镜为平面反射镜， 当光学瞄准头中的光纤通过光纤连接器与光谱分光系统的箱体连接时，光纤的第二端口位 于准直物镜的物方焦点处并将光纤传输的像点准直成平行光束；该平行光束经过分光棱镜 后成为按波长排列的光谱束，光谱束经次物镜会聚后再经第二反射镜反射后到达所述探测 系统；所述探测系统含光电探测器和前置放大器，光电探测器为线阵列探测器，前置放大器 为电阻反馈式放大电路，光电探测器将其光敏面上接收到的光谱成像光束同步转换成η路电流信号且6 < η ^ 20，η路电流信号经相应的电阻反馈式放大电路后转换为电压信号，传 输到下一级的数据采集系统；所述数据采集系统为装有数据采集卡、存储器和数据处理单 元的计算机，存储器中存有η路测试通道的工作波长、η路测试通道的亮温-电压数组、普 朗克常数C2、黑体参考温度T'，η路测试通道测量参考温度T'获得的测量电压值V' pi=1,2......，η ；数据处理单元含有页面�？�、采集�？�、转换�？�、计算�？楹拖允灸？椋鲆趁婺？榈墓δ苁窃诩扑慊允酒辽舷允静问柚美负凸δ馨磁プ椋问柚美赣糜� 设置初始真实温度T、真温初始计算时间t- Δ t和截止时间t+ Δ t，t为η路测试通道中 最大亮温值Tmax所对应的时间，采集模块的功能是根据采集按钮指令通过数据采集卡采 集η路测试通道测量被测火工药剂获得的电压-时间数组；所述转换�？榈墓δ苁堑饔么� 储器中η路测试通道的亮温-电压数组，将采集�？榛竦玫摩歉龅缪�-时间数组转换成η 个亮温-时间数组Ts^ ；所述计算�？榈墓δ苁墙拥郊扑惆磁ブ噶詈螅来渭扑悝锹凡馐� 通道的初始发射率<、迭代计算η路测试通道在j个温度计算点下的准真温数组Tiwsu，j =2At · f+1，f为各测试通道的采样率，计算各温度计算点j的温度期望数组E (Tj),计算 被测火工药剂的发射率-时间数组ε *，被测火工药剂在整个作用过程中的真温-时间数组 Tws;所述显示�？榻扑隳？榛竦玫恼嫖�-时间数组Tws以曲线形式直接显示在计算机 屏幕上，同时在接到电压曲线显示按钮和亮温曲线显示按钮指令后，根据电压-时间数组 和亮温-时间数组Tss」分别在计算机屏幕上显示出η路测试通道的电压-时间曲线和亮 温-时间曲线。在本发明中，所述主物镜、准直物镜和次物镜均为消色差双胶合透镜，所述瞄准物 镜为放大物镜，所述光纤为IOm多模光纤；所述分光棱镜由第一、第二三角棱镜和五角棱镜 组成，所述第一三角棱镜和所述第二三角棱镜的夹角为90°，第二三角棱镜和五角棱镜的 夹角为45°，准直物镜出射的平行光束以20. 695°的入射角和出射角经过所述分光棱镜 P。本发明所述光电探测器含有16个像元，光谱响应范围为0. 4 1. 1 μ m，其位于短 波光谱一端的连续8个像元两两并联形成4个光电转换通道，其余8个像元各自为一个光 电转换通道，12个光电转换通道对应12路测试通道。在本发明中，每个测试通道的采样率均为ΙΟΟΚΗζ，且取At = O. 03ms, j = 7，Tft 始=Tmax+200K。本发明的有益效果体现在以下几个方面(一 )毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪通过内置高速率的数据采集装置，采样速 率高达单通道ΙΟΟΚΗζ，实现对毫秒级火工药剂辐射信息的获�。饩隽舜橙鹊缗疾馕路� 不能测得毫秒级火工药剂辐射信息的难题。( 二)利用方差极小化原理循环迭代计算测得的被测火工药剂的辐射信息数据， 由于真温计算的关键因素在于光谱发射率的计算，本发明给出了实际物体中光谱发射率、 波长、温度之间的数据关系，巧妙地处理了发射率的计算问题，进而得到被测火工药剂的燃烧真温。
图1是本发明毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪的组成示意图。
图2是图1中所示光学系统的组成及光路示意图。图3是图2中所示分光棱镜的组成示意图。图4是光电探测器中12路光电转换通道示意图。图5是图1中所示数据采集系统中数据处理单元的工作流程图。图6是图5中所示真温计算子程序的工作流程图。图7是某点火药燃烧过程的电压-时间曲线。图8是某点火药燃烧过程的亮温-时间曲线。图9是某点火药燃烧过程的真温-时间曲线。
具体实施例方式下面结合附图及优选实施例对本发明的详细内容作进一步说明，以便对本发明的 目的、技术内容及优点进行更深入的理解。正如图1所示，毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪包括光学系统、探测系统和数据 采集系统。由于火工品药剂作用过程中可能会伴随有飞片、冲击波、振动产生，为了保证光 谱分光系统远离燃烧爆炸现�。苊夤饴贩⑸莆唬跋煜低承阅埽痉⒚鹘庋低撤殖� 两个独立的集成部件即光学瞄准头和光谱分光系统。根据图2所示，光学瞄准头含有主物镜Li、第一反射镜FS、瞄准物镜L4和光纤并 集成在一个光具座中。主物镜Ll为消色差双胶合透镜，瞄准物镜L4为放大物镜，第一反射 镜FS为带有瞄准分划线的平面反射镜，光纤为IOm长的多模光纤。被测火工药剂T和光纤 的第一端口分别位于主物镜Ll的一对共轭物点和像点上，第一反射镜为活动式即通过旋 钮可以移入或移出测量光路，当其移入测量光路时，其位于主物镜与传输光纤之间且反射 面与光轴成45°角。瞄准物镜L4的分划线位于主物镜的等效共轭像点上，当被测火工品药 剂燃烧产生的热辐射经主物镜Ll成像，该成像光束首先经第一反射镜反射后会聚在瞄准 物镜L4的分划线处，在第一反射镜移出测量光路后，该成像光束直接会聚在传输光纤的第 一端口并经传输后到达光纤的第二端口。光谱分光系统含有准直物镜L2、次物镜L3、分光棱镜P和第二反射镜M并集成在 暗箱中。准直物镜L2和次物镜L 3均为消色差双胶合透镜，第二反射镜M也为平面反射 镜，分光棱镜P由两个三角棱镜和一个五角棱镜组成(见图3)，其中光的入射角为45°， 第一个三角棱镜和第二个三角棱镜的夹角为90°，第二个三角棱镜和五角棱镜的夹角为 45°。当光学瞄准头中的光纤通过光纤连接器与光谱分光系统的箱体连接时，光纤的第二 端口位于准直物镜L2的物方焦点处，从而将光纤传输的像点准直成平行光束；该平行光束 以20. 695°的入射角和出射角经过分光棱镜P后成为按波长排列的光谱束，光谱束经次物 镜L 3会聚后再经第二反射镜M反射后到达探测系统。探测系统含光电探测器A和前置放大器。光电探测器A采用S4111-16R型16元 线阵，其光谱响应范围为0. 4 1. 1 μ m，前置放大器为电阻反馈式放大电路。光电探测器将 其光敏面上接收到的光谱成像光束同步转换成12路电流信号。根据火工药剂燃烧真温测 定经验值，本发明将测定仪的测温范围设定在1000 3000°C之间。由于位于短波处的探测 器接收到的火工药剂辐射出来的能量是很微小的，因此，本优选实施例将接收短波光谱处 的探测器像元进行并联，以增大其采集信息的能力，提高信噪比。具体做法是，将探测器位于短波光谱一端的连续8个像元两两并联形成4个光电转换通道(参见图4)，其余8个像 元各自为一个独立的光电转换通道，共计形成12个光电转换通道即对应了 12路测试通道。 12路电流信号经相应的电阻反馈式放大电路后转换为电压信号，传输到下一级的数据采集 系统。数据采集系统为装有数据采集卡、存储器和数据处理单元的计算机，BC426 数据采集卡设有12个采集通道，每个通道的采集速率为ΙΟΟΚΗζ，可以满足对毫秒级火工药 剂燃烧辐射信息的获取。存储器中存有12路测试通道的工作波长、12路测试通道的亮度温 度-电压数组(简称亮温-电压数组)、普朗克常数C2、黑体参考温度T'即2700K、12路测 试通道针对2700K黑体的测量电压值V' ”数据处理单元的主要功能是根据图5所示的工作流程，完成被测火工药剂燃烧辐 射信息的采集及相关计算，最终获得被测火工药剂的燃烧真温-时间曲线。数据处理单元 根据功能又划分为页面�？�、采集�？�、转换�？�、计算�？楹拖允灸？�。页面模块的功能是在计算机显示屏上显示参数设置栏和功能按钮组，参数设置栏 用于设置初始真实温度Twij、真温初始计算时间t_ At和截止时间t+At，功能按钮组中含 有采集按钮、电压曲线显示按钮、亮温曲线显示按钮和真温计算按钮。t_At、t+At分别取 12路测试通道中最大亮温值Tmax所对应的时间t士0. 03ms。由于实际物体的真实温度大 于其亮度温度，故在计算被测火工药剂的真实温度前需根据测得的最大亮度温度Tmax设 定初始真实温度，在本优选实施例中，取Τω = TmaX+200K。采集�？榈墓δ苁歉莶杉磁ブ噶睿ü莶杉ú杉�12路测试通道针对 被测火工药剂的电压-时间数组。转换模块的功能是调用存储器中12路测试通道的亮温-电压数组，将采集�？榛� 得的12个电压-时间数组转换成12个亮温-时间数组TSSi。计算�？榈墓δ苁墙拥郊扑惆磁ブ噶詈螅萃�6所示的算法流程解算出被测火 工药剂的真实温度。计算过程分为以下步骤(1)计算初始发射率
权利要求
1.一种毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪，包括含有光学瞄准头和光谱分光系统的光学 系统、探测系统和数据采集系统；其特征在于所述光学瞄准头含有主物镜(Li)、第一反射 镜(FS)、瞄准物镜(L4)和光纤并集成在一个光具座中，第一反射镜(F。为带有瞄准分划 线的平面反射镜，被测火工药剂(T)和光纤的第一端口分别位于主物镜(Li)的一对共轭物 点和像点上，第一反射镜(FQ为活动式即通过旋钮可以移入或移出测量光路，当第一反射 镜(FQ移入测量光路时将位于主物镜(Li)与传输光纤之间且反射面与光轴成45°角，瞄 准物镜(L4)的分划线位于主物镜(Li)的等效共轭像点上，当被测火工品药剂(T)燃烧产 生的热辐射经主物镜(Li)成像，该成像光束首先经第一反射镜(F。反射后会聚在瞄准物 镜(L4)的分划线处，在第一反射镜(F。移出测量光路后，该成像光束直接会聚在传输光纤 的第一端口并经传输后到达光纤的第二端口 ；所述光谱分光系统含有准直物镜(L2)、次物 镜(L3)、分光棱镜(P)和第二反射镜(M)并集成在暗箱中，第二反射镜(M)为平面反射镜， 当光学瞄准头中的光纤通过光纤连接器与光谱分光系统的箱体连接时，光纤的第二端口位 于准直物镜(U)的物方焦点处并将光纤传输的像点准直成平行光束；该平行光束经过分 光棱镜(P)后成为按波长排列的光谱束，光谱束经次物镜(U)会聚后再经第二反射镜(M) 反射后到达所述探测系统；所述探测系统含光电探测器(A)和前置放大器，光电探测器(A) 为线阵列探测器，前置放大器为电阻反馈式放大电路，光电探测器(A)将其光敏面上接收 到的光谱成像光束同步转换成η路电流信号且6 < η < 20，η路电流信号经相应的电阻反 馈式放大电路后转换为电压信号，传输到下一级的数据采集系统；所述数据采集系统为装 有数据采集卡、存储器和数据处理单元的计算机，存储器中存有η路测试通道的工作波长、 η路测试通道的亮温-电压数组、普朗克常数C2、黑体参考温度T'，η路测试通道测量参考温度T'获得的测量电压值V' i = 1,2......, η ；数据处理单元含有页面�？�、采集�？�、转换�？�、计算�？楹拖允灸？椋鲆趁婺？榈墓δ苁窃诩扑慊允酒辽舷允静问� 置栏和功能按钮组，参数设置栏用于设置初始真实温度Twij、真温初始计算时间t- Δ t和截 止时间t+Δ t，t为η路测试通道中最大亮温值Tmax所对应的时间，采集�？榈墓δ苁歉� 据采集按钮指令通过数据采集卡采集η路测试通道测量被测火工药剂获得的电压-时间数 组；所述转换�？榈墓δ苁堑饔么娲⑵髦笑锹凡馐酝ǖ赖牧廖�-电压数组，将采集�？榛竦� 的η个电压-时间数组转换成η个亮温-时间数组Tssi ；所述计算�？榈墓δ苁墙拥郊扑� 按钮指令后，依次计算η路测试通道的初始发射率<、迭代计算η路测试通道在j个温度计 算点下的准真温数组Tiwsij，j = 2At · f+1，f为各测试通道的采样率，计算各温度计算 点j的温度期望数组E (TP，计算被测火工药剂的发射率-时间数组ε *，被测火工药剂在整 个作用过程中的真温-时间数组Tws ；所述显示�？榻扑隳？榛竦玫恼嫖�-时间数组T以曲线形式直接显示在计算机屏幕上，同时在接到电压曲线显示按钮和亮温曲线显示按 钮指令后，根据电压-时间数组和亮温-时间数组Tssi分别在计算机屏幕上显示出η路测 试通道的电压-时间曲线和亮温-时间曲线。
2.根据权利要求1所述的毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪，其特征在于所述的主物 镜(Li)、准直物镜(U)和次物镜(U)均为消色差双胶合透镜，所述瞄准物镜(L4)为放大 物镜，所述光纤为IOm多模光纤；所述分光棱镜(P)由第一、第二三角棱镜和五角棱镜组成， 第一三角棱镜和第二三角棱镜的夹角为90°，第二三角棱镜和五角棱镜的夹角为45°，准 直物镜(U)出射的平行光束以20. 695°的入射角和出射角经过所述分光棱镜P。
3.根据权利要求1或2所述的毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪，其特征在于所述光 电探测器(A)含有16个像元，光谱响应范围为0. 4 1. 1 μ m，其位于短波光谱一端的连续 8个像元两两并联形成4个光电转换通道，其余8个像元各自为一个光电转换通道，12个光 电转换通道对应12路测试通道。
4.根据权利要求3所述的毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪，其特征在于每个测试通 道的采样率为 ΙΟΟΚΗζ，且取 At = O. 03ms, j = 7，T 初始=Tmax+200K。
全文摘要
本发明公开了一种毫秒级火工药剂燃烧真温测定仪，属于火工品性能测试领域。该测定仪由含有物镜和分光棱镜的光学系统、含有线阵光电探测器的探测系统和含有数据处理单元的数据采集系统组成，被测火工药剂燃烧产生的热辐射经分光棱镜分光后，成为按波长排列的光谱束，该光谱束经物镜成像到光电探测器的光敏面上，光谱成像经各测试通道进行光电转换后送入数据采集系统，数据处理单元依据被测火工药剂燃烧中的光谱发射率、波长、温度之间的数据关系，巧妙地计算出被测火工药剂燃烧过程中的发射率，最终获得被测火工药剂的真温-时间数组。本发明解决了毫秒级火工药剂燃烧的真温测量难题。
文档编号G01N25/00GK102053099SQ20101051879
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者刘举鹏, 刘春建, 刘欢杨, 席兰霞, 李占英, 杨远生, 郭崇星 申请人:中国兵器工业第二一三研究所
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