王代華，宋林麗，張志杰

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

近年來，溫壓彈因具有能量高、分布爆炸等傳統(tǒng)彈藥所不及的特點而備受各軍事大國的普遍重視。溫壓彈主要利用溫度和壓力效應(yīng)產(chǎn)生毀傷效能，爆炸時以產(chǎn)生的持續(xù)高溫和高壓對目標形成大面積毀傷。盡管溫壓彈具有強大的熱毀傷效能，但目前針對溫壓彈藥的毀傷研究仍集中于沖擊波和破片毀傷方面［1－4］，原因有二：一是沖擊波和破片的作用范圍遠大于熱輻射的作用范圍；二是爆炸火球的熱效應(yīng)時間短，火球范圍內(nèi)的測試條件更加惡劣，無有效測試手段［5］。當前，針對爆炸溫度的測試方法大致分為兩類：接觸式和非接觸式。非接觸式測溫方法以輻射測溫為主，根據(jù)被測體的熱輻射推算出被測體的溫度［6］，主要包括亮度測溫、比色測溫、多波長測溫和全輻射測溫等［7－11］。輻射測溫法在測溫范圍、響應(yīng)時間和可靠性等方面具有優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中，確定爆炸產(chǎn)物的發(fā)射率是一個困難的問題，會給最后的溫度計算帶來很大誤差［11］。

接觸式測溫方法可以與被測體良好接觸，能直接獲取測點的溫度數(shù)據(jù)，是一種較理想的測試手段。但長期囿于無有效熱傳感元件以及測試有效性問題而發(fā)展緩慢，可查的研究工作很少。文獻［12］用熱電偶測試了半密閉試驗容器中不同鋁含量炸藥的爆炸場溫度，但未慮及測試系統(tǒng)本身的特性，也未給出有關(guān)熱電偶的任何技術(shù)參數(shù)。文獻［13］以自制熱電偶測試了幾種溫壓炸藥的爆炸熱作用，給出的熱電偶響應(yīng)時間為幾十毫秒，遠達不到爆炸溫度測試要求的微秒量級的響應(yīng)時間要求。文獻［14］應(yīng)用Nan mac公司的快速響應(yīng)熱電偶進行了密閉爆炸罐中Al-H MX混合炸藥的爆炸溫度測試，只給出熱電偶的技術(shù)指標而未考慮其測試的有效性問題。

分析表明，當前有關(guān)接觸式爆炸溫度測試的研究工作僅從應(yīng)用角度組建測試系統(tǒng)，缺乏對測試方法本身有效性的分析。因此，開展接觸式測溫方法研究，深入分析和解決困擾熱電偶測溫的相關(guān)技術(shù)問題，建立爆炸溫度的接觸式測試方法，具有重要意義。

1 熱電偶及相關(guān)問題

1.1 熱電偶

熱電偶的工作原理是基于兩種不同金屬的熱電效應(yīng)，目前廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域。根據(jù)熱電極材料的不同，熱電偶分為S型、R型、B型、K型、T型、J型、N型、E型等。但是，熱電偶很少用于爆炸溫度測試，主要原因有二：一是上述型號熱電偶的響應(yīng)時間慢，都在幾百毫秒以上；二是測溫范圍不夠，可測瞬時高溫不超過1 800℃。近年來，隨著材料和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了自更新鎢錸熱電偶，通過連續(xù)研磨運動可形成新的熱電偶接點，使得熱電偶保持快速響應(yīng)特性并可連續(xù)測量。美國Nan mac公司的E12系列鎢錸熱電偶即基于自更新技術(shù)設(shè)計，響應(yīng)時間在微秒量級，測溫范圍可達2 300℃，測量精度達到1%F.S.，承受的壓力范圍是10 000 psi，是在現(xiàn)有工藝條件下較適合用于接觸爆溫測試的傳感器件。

1.2 冷端補償及非線性處理方法

熱電偶的冷端補償方法較多，主要有補償導(dǎo)線法、電橋補償法、冷端恒溫法、冷端溫度校正法等［15－16］。補償導(dǎo)線法和冷端恒溫法一般難將冷端溫度保持在0℃，仍然需要二次校正，其應(yīng)用受到限制。冷端溫度校正法利用熱敏電阻、鉑電阻或溫度傳感器直接測得熱電偶的冷端溫度，進而實現(xiàn)對熱電偶的測溫補償。其補償原理如下。

設(shè)熱電偶的冷端溫度不為0℃，但穩(wěn)定于T0，因此熱電偶的輸出熱電勢表征的是熱端溫度T相對于冷端溫度T0，記為E（T，T0）。根據(jù)中間溫度定律，被測介質(zhì)實際溫度（相對冷端溫度為0℃）對應(yīng)的輸出熱電勢E（T，0）滿足下式：

式中，E（T0，0）是熱電偶在溫度為T0條件下相對冷端溫度0℃時產(chǎn)生的熱電勢。該值可根據(jù)熱敏電阻等測得的冷端溫度查熱電偶的分度表得到，然后與熱電偶的輸出熱電勢E（T，T0）相加得到被測介質(zhì)實際溫度對應(yīng)的熱電勢E（T，0），從而實現(xiàn)了冷端補償。

非線性是熱電偶輸出信號的另一典型特征。非線性處理方法主要有模擬電路補償法和數(shù)值計算法等［17］。模擬電路補償法需要根據(jù)不同熱電偶的非線性特性，建立反向非線性補償電路，實現(xiàn)方法復(fù)雜且精度有限。數(shù)值計算法通過查表和程序計算實現(xiàn)非線性補償，能夠保證非線性處理的精度，以二次插值法為主。二次插值法根據(jù)熱電偶的分度表在軟件中按一定步長建立熱電勢－溫度序列表（E0，T0），（E1，T1），（E2，T2），…，（En，Tn），則對于冷端補償后的熱電勢E（T，0）（以下記為E），通過軟件可判別它在該序列中的位置為Ei≤E ≤Ei＋1≤Ei＋2（0≤i≤n－2），其對應(yīng)的溫度T可由下式計算：

式中：

二次插值法在區(qū)間（Ei，Ei＋2）內(nèi)將溫度值擬合成拋物線，更接近于熱電勢與溫度的非線性關(guān)系，其擬合精度可通過對照擬合結(jié)果與分度表得到。

2 鎢錸熱電偶信號調(diào)理

為了實現(xiàn)溫度的精確測試，使用鎢錸熱電偶必須解決好兩個問題：一是冷端補償，二是非線性處理。

冷端溫度校正法具有較高精度且易于實現(xiàn)，可用于鎢錸熱電偶的冷端補償。本文以MAXI M公司的線性溫度傳感器DS600作為熱電偶冷端溫度的獨立測量元件。DS600輸出靈敏度為6.45 mV／℃并帶有509 mV的偏置，其測溫范圍為－40～＋125℃，精度達到±0.5℃，是較理想的冷端補償元件。DS600將測得冷端溫度轉(zhuǎn)換為電壓輸出，經(jīng)后續(xù)電路量化、采集處理后，與熱電偶的熱端溫度數(shù)據(jù)一并傳輸進計算機，由軟件進行上述冷端補償?shù)倪\算處理。為了提高補償精度，在軟件中建立了熱電偶低溫段（≤100℃）的分度表，DS600采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得出溫度值后，查找分度表即可得到E（T0，0）。

二次插值法是實現(xiàn)熱電偶非線性修正的理想方法。本文根據(jù)鎢錸熱電偶的分度表在計算機軟件中建立了其熱電勢－溫度序列，利用公式（2）對溫度T進行回歸計算。并且，通過調(diào)整熱電勢－溫度序列的步長可提高擬合精度。取步長為10℃時，實現(xiàn)的擬合精度優(yōu)于0.1℃，完全滿足鎢錸熱電偶的非線性修正需求。

鎢錸熱電偶的冷端補償以及信號調(diào)理電路如圖1所示。

圖1 冷端補償及信號調(diào)理框圖Fig.1 Block diagram for the cold junction co mpensation and signal conditioning

放大電路分為兩級，第一級采用反相比例電路，用于保證輸入阻抗，放大倍數(shù)設(shè)置為5倍。第二級采用程控放大器，設(shè)計為8檔可編程增益，測試前需要根據(jù)爆炸能量及測溫距離確定增益，然后由計算機軟件進行編程設(shè)置。放大后的信號經(jīng)偏置電路處理成0～2.5 V范圍內(nèi)的信號，然后進入低通濾波器進行濾波降噪處理。綜合考慮爆炸溫度信號特點及鎢錸熱電偶的特性，濾波器的截止頻率設(shè)置為200 k Hz。信號經(jīng)濾波處理后即可輸出至后續(xù)A／D變換電路進行數(shù)字量化處理。冷端補償電路實時采集熱電偶冷端的溫度，轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出至后續(xù)采集電路，由單片機完成數(shù)字量化處理。LDO（Low Dr opout Regulator）轉(zhuǎn)換電路用于提供整個信號調(diào)理電路所需的＋5 V工作電源，選用NS公司的LP2985為核心器件進行設(shè)計。為了最大限度的降低功耗，電源管理模塊根據(jù)運行狀態(tài)決定LDO轉(zhuǎn)換電路是否開啟。

3 校準與試驗

3.1 靜態(tài)和動態(tài)校準

基于接觸式測溫方法，采用存儲測試原理配套設(shè)計了后續(xù)采集存儲電路。整個硬件系統(tǒng)調(diào)試完成后，進行了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)校準。在靜態(tài)校準實驗中，選用高溫干體爐作為標準熱源。將標準熱電偶和鎢錸熱電偶分別放入干體爐的插孔中，鎢錸熱電偶通過延長線與外部的測試電路連接，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)校準實驗照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the static calibration experiment

設(shè)定干體爐的工作溫度，待其顯示溫度穩(wěn)定后，觸發(fā)測試系統(tǒng)，記錄當前溫度下系統(tǒng)的響應(yīng)輸出。采集結(jié)束后，通過USB接口連接計算機，分別讀取系統(tǒng)記錄的熱端和冷端數(shù)據(jù)，再由軟件進行冷端補償和非線性處理，最后得出系統(tǒng)采集的溫度值。將該值與標準熱電偶的采集顯示值對比，即可得出測試系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。在200～1 000℃測溫范圍內(nèi)，校準結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)校準結(jié)果Tab.1 Results of the static calibration

可以看出，測試系統(tǒng)測量值稍小于標準熱電偶的記錄值，但誤差均優(yōu)于0.8%。另外，系統(tǒng)在低溫段的測試誤差稍大，可能是因為鎢錸熱電偶的高測溫量程所致。限于當前技術(shù)水平，無合適熱源可實現(xiàn)測試系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)的靜態(tài)校準，因此測試系統(tǒng)的精度以分析計算給出。除熱電偶的誤差外，影響測試系統(tǒng)精度的主要因素是信號調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換的誤差，其與熱電偶的誤差相比很小，按微小誤差舍棄。綜合考慮熱電偶的測量精度，給出測試系統(tǒng)的精度為1%F.S.。

爆炸溫度測試是一個瞬態(tài)過程，動態(tài)響應(yīng)時間是測試系統(tǒng)的關(guān)鍵指標，取輸出響應(yīng)上升至穩(wěn)態(tài)值的63.2%時所對應(yīng)的時間，主要取決于熱電偶的響應(yīng)時間。動態(tài)校準就是通過獲取測試系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)輸出，從而確定系統(tǒng)的響應(yīng)時間。本文采用大功率CO2激光器作為熱源，其產(chǎn)生的高速激光脈沖序列垂直照射到鎢錸熱電偶的接點上，接點在瞬間吸收激光能量，產(chǎn)生溫升并輸出熱電勢。該信號被測試系統(tǒng)采集記錄，事后傳輸進計算機進行二次處理。圖3是動態(tài)校準的實驗照片。圖4是一次實驗得到的系統(tǒng)響應(yīng)時間特性曲線（單激光脈沖），可以看出其上升沿非常陡峭，響應(yīng)時間為18μs。多次實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間小于20μs。

3.2 實測試驗

基于接觸式測溫方法，設(shè)計完成的測試系統(tǒng)如圖5所示。鎢錸熱電偶安裝在機械外殼的中心位置，兩者之間進行隔熱處理?？刂泼姘灏惭b在金屬外殼的側(cè)面，由一個螺紋連接的保護蓋防護?？刂泼姘逯饕娫撮_關(guān)、充電接口、USB接口及狀態(tài)指示燈四部分。測試前，打開電源開關(guān)，測試系統(tǒng)自動加載之前的工作參數(shù)，隨即進入待觸發(fā)狀態(tài)。若需要修改工作參數(shù)，可通過USB接口連接計算機，由專用軟件進行參數(shù)編程。編程結(jié)束后，系統(tǒng)的工作參數(shù)隨即刷新并保存在內(nèi)部的EEPROM中，掉電非易失。

圖3 動態(tài)校準實驗照片F(xiàn)ig.3 Photograph of the dynamic calibration experi ment

圖4 動態(tài)校準特性曲線Fig.4 Dyna mic calibration cur ve

圖5 測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the measurement system

系統(tǒng)研制成功后，參加了爆炸溫度實測試驗，驗證了接觸式測溫方法的有效性。試驗時，爆炸物由木質(zhì)支架架高1.5 m，支架下面鋪設(shè)鋼板，取爆炸物的中軸線到鋼板上的投影為爆心，測點到爆心的距離為2 m。圖6給出了實測溫度曲線。可以看出，溫度曲線的上升沿非常陡峭，曲線展開后讀取的響應(yīng)時間為19μs，與動態(tài)校準的結(jié)果相吻合。該測點處的持續(xù)升溫時間為0.43 s，最高溫度達到236℃。

圖6 爆炸溫度實測曲線Fig.6 Measured temperature curve

4 結(jié)論

本文提出了基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測試方法。該方法以線性溫度傳感器作為熱電偶冷端溫度的獨立測量元件，利用其測量值在軟件中查熱電偶低溫段的分度表實現(xiàn)冷端補償；在軟件中以10℃為步長建立熱電偶全量程熱電勢－溫度序列，利用二次插值法實現(xiàn)非線性修正，精度為0.1℃；采用兩級放大策略以及低通濾波的方法實現(xiàn)了信號調(diào)理；應(yīng)用高溫干體爐和CO2激光器分別完成基于該方法建立系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)校準。校準、測試與試驗表明：接觸測溫方法的靜態(tài)誤差在校準溫度范圍內(nèi)優(yōu)于0.8%，動態(tài)響應(yīng)時間小于20μs。該方法可直接獲取測點處的溫度時間曲線，能為非接觸測溫方法提供有力的修正依據(jù)。但鑒于爆心位置的不可生存性，可與非接觸測溫方法組合測量，從而為武器系統(tǒng)的爆炸威力評價提供了可靠、全面的測試手段。

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