基于比色测温的爆炸火球内窥式温度测量技术

摘 要 为了测量爆炸场火球内部温度的动态变化，设计了一种基于比色测温的内窥式温度测量系统。通过搭建机械准直光学系统，精确采集火球内部确定位置的光谱辐射能量。结合辐射光谱强度曲线，通过分析探测器波长灵敏度与辐射光谱强度的关系，选取多组双波段进行仿真，最后选择810 nm与940 nm波段的曲线。爆炸过程迅速，辐射能量急剧增大，为了保证测量系统信号不饱和，借助动态增益模块实现宽动态范围的温度测量。测温系统采集数据进行温度解算与标定结果相比，相对误差小于5%，室外实验测量爆炸火球温度范围为1 500～2 700 ℃，为研究瞬态爆炸火球内部温度规律提供了一种新型的技术手段。

关键词 比色测温 爆炸温度场 爆炸火球 瞬态高温

中图分类号 TH811.1"" 文献标志码 A"" 文章编号 1000 3932（2025）01 0026 06

温度测量技术在国防、军事、科研以及工业领域扮演着至关重要的角色，特别是在军事领域，依靠高温对敌人造成毁灭性打击是许多炸弹的主要功能之一。因此，对爆炸产生的温度场进行精确测量，不仅能够评估炸弹的热毁伤性能，还能够揭示其能量释放的规律，这对于炸药、粉尘和气体的爆炸温度测量研究具有极其重要的意义［1～3］。

目前测量瞬态爆轰温度的方法主要有接触式与非接触式两种测量方法。在接触式测温方式的研究中，2021年麦吉尔大学联合英国皇家军事学院化学与化工工程系利用热电偶对金属化炸药爆炸火球进行温度测量，测量得出爆炸火球中的气体与燃烧粒子的温度分别高达1 800 K和

2 700 K［4］。德黑兰大学的科研人员研究了一种接触式光纤探头，测量了Detasheet C炸药爆炸火球内部的温度［5］。然而，采用接触式测温时，需要与被测物体接触，爆炸火球温度快速升高，热电偶与光纤探头等测温方式响应速度慢，测量准确度较差，恶劣环境易对测量设备造成损坏，不能满足瞬态高温的测量要求。相较于接触式测温方法，非接触式测温方法以其独特的优势，有效克服了接触式方法的局限性。比色测温法以其高精度、对发射率影响的低敏感性、强大的抗环境干扰能力以及较快的响应速度脱颖而出。这种方法显著降低了火药燃烧产物对测量结果的潜在干扰，尤其在恶劣测试环境下展现出了较强的有效性［6，7］。LEWIS W K和RUMCHIK C G利用原子光谱法测得RDX爆炸火球温度，通过发射光谱测得火球表面温度为3 000 K［8］。ADUEV B P等利用光谱测温法描述了含有铁纳米颗粒的PETN炸药爆炸的热性质，测得爆炸温度为3 300～3 500 K［9］。WANG L Y等提出一种红外热成像测温的补偿方法，并对红外热像仪测量爆炸火球温度进行了补偿和校正［10］。

针对上述爆炸场瞬态测温存在的问题，笔者设计了一种基于比色测温的低功耗爆炸场火球温度测量系统，运用比色测温法，给出了最优波段的选取方法，同时给出实际过程中的标定和误差分析，实现对爆炸场火球温度的测量，对武器工作性能评估与升级具有重要意义。

1 比色测温原理

辐射测温定律是黑体的光谱辐射强度分布，由普朗克定律给出，即：

M′（λ，T）=（1）

式中 C——第一辐射常数，3.741832×10-16W·m2；

C——第二辐射常数，1.438786×10-2m·K；

M′——单一方向黑体的光谱辐射出射度，W·m-2·m-1；

T——物体温度，K；

λ——单一固定波长，μm；

ε（λ）——单一波长发射率。

根据普朗克定律，在不同波长λ和λ下对同一温度T进行测量，通过光电传感器将辐射转换为电压信号U和U，测量结果之比R随着温度的变化关系为：

R===（2）

当温度较高时可用维恩公式替代普朗克公式，在两个波长λ和λ下，同时测量由同一物体相同位置发射出的光谱辐射出射度M′和M′，根据两者的比值可推导出该位置的温度，公式为：

T=（3）

然而对于实际物体需要考虑其发射率ε（λ）。当λ和λ接近时，ε（λ）/ε（λ）约为1，则式（3）可简化为：

T=（4）

根据能量随温度变化的非线性关系可以确定：随着温度升高，辐射强度不断增大，在辐射强度达到最大值时，R值也到达最大值，即为视场光路的最高温度，因此可以使用比色测温来进行爆炸瞬态高温的测量。

2 系统总体方案设计

2.1 实验系统构建

测量系统的整体结构如图1所示，系统由光电探测器模块、信号采集存储与控制模块、准直器、固定支架及计算机等各部分组成。

在构建温度测量系统时，确保采集装置精确捕捉来自特定区域的辐射能量至关重要。为此，本研究在采集系统中集成了一个黑腔，用以屏蔽远距离辐射对目标区域的干扰。黑腔与采集设备之间的距离设定为1 m，这一距离既保证了在爆炸物喷撒过程中能够覆盖光取样窗口，也有效减少了外部辐射对采集区域的影响。为了进一步提升采集精度，将探测器置于准直器内，通过准直器的引导，确保辐射能量仅来源于预定的特定位置。准直器由前后两部分组成，通光孔径为

10 mm，两者之间设有4 cm的间隔，用以安装防护玻璃。这种设计不仅确保了采集设备在爆炸冲击下的安全，也为设备的稳定性提供了保障。考虑到爆炸环境的多变性和炸药种类的多样性，在探测器与防护玻璃之间引入了可调节的取样光圈。通过改变垫片的孔径，能够调节探测器接收到的辐射能量，从而避免在火球内部进行光信号采样时，由于中心辐射强度过高而导致的数据采集饱和。在爆炸实验前，对测试节点进行了精心安装。针对高温、高压和强冲击的特殊环境条件，所有固定支架均采用耐高温和防冲击材料设计，以确保系统的可靠性和耐用性。现场实验系统的布局如图2所示。

为确保在爆炸场中进行精确的温度测量，将系统测试模块安置于一个矩形保护器内。利用耐高温、防冲击的支架固定测试节点，这一设计有效避免了在爆炸发生时节点的摇晃，从而确保探测器捕获的光源始终来源于同一位置。这种稳固的安装方式显著提高了温度测量的可靠性。测试节点通过圆形直管进行连接，采用RS 485通信线实现数据传输。这种连接方式不仅支持单节点操作，还能够实现多节点的协同测量，提供了灵活多样的测量方案。此外，还增加了三角支架，将其放置于正对爆炸中心的位置，以进一步保护设备免受损害。

2.2 最优波长选择

比色测温技术的核心在于精准地选取两个特定的波长。波长的选择受多种因素影响，包括但不限于发射率和所需的测温范围。通过精心挑选两个相近的波长，可以确保发光源在这两个波段的发射率尽可能一致，从而显著降低发射率对测温精度的潜在影响。为了使测量系统能够在较宽的温度范围内进行精确测量，依据黑体辐射的普朗克定律，选取500～2 000 nm波段，针对1 000～3 000 K的温度区间进行仿真，选择合适的峰值波长。普朗克曲线如图3所示。

黑体辐射出射度M′的峰值对应的波长都在1 000 nm左右，随着温度的升高，越靠近1 000 nm。经查阅诸多文献，爆炸场火球温度能够达到2 500 K甚至更高，考虑噪声的影响和光电二极管的灵敏度，为了增大信噪比，应该选择黑体辐射出射度最大值对应的波段。为增强测温系统的稳定性，避免较小的扰动和噪声引起结果的剧增，光电二极管在1 000 nm左右波长段应该有较稳定的灵敏度，灵敏度越大，系统的稳定性就越强。爆炸反应迅速，探测器输出电压会在极短时间内突变，为了确保探测电路能够采集到准确的辐射能量信号，需要光电探测器具有较快的响应速度。

本设计选用的探测器是LSSPD 2.5型硅光电二极管，该型号的二极管具有高可靠性、较快的响应速度、低功耗及低暗电流等特性，适合用作本设计的光电探测器。为了保证测量系统能够得到更准确的爆炸火球温度，选取合适的波长尤为重要。该二极管的灵敏度随着波长的增大逐渐增大。不同波长在不同温度下的灵敏度会有差异，随着温度的升高，双波长的灵敏度差异会导致输出电压误差增大，光电二极管灵敏度曲线如图4所示。

为了保证系统的稳定性，探测器在800～850 nm与900～950 nm波长段具备稳定的灵敏度，选择该波段的波长可以确保输出电压稳定，结合光电二极管灵敏度曲线和普朗克定律，当探测器双通道参数严格遵循单一变量，在透光率、通光孔径及增益电阻等参数一致的情况下，分别选取750 nm和810 nm，810 nm和850 nm，850 nm和940 nm，810 nm和940 nm4组波段在不同温度下进行仿真，可得到双波段的比值R在不同温度下的关系如图5所示。

为了保证探测温度结果的准确性，希望双波段比值能够随着温度的变化明显增大，在相同的温度范围内，R的动态范围变化越明显，越能体现温度的变化过程，因此选取双波段波长为λ=

810 nm和λ=940 nm更适合。

3 系统性能测试

3.1 动态增益调节测试

二极管负责将捕获的辐射信号转换为电流信号，随后该电流通过跨阻放大电路转换为电压信号。当环境温度持续上升，探测器的输出电压可能迅速达到饱和，会影响系统采集电压的准确性。为了避免这一问题，通过增加模拟开关电路来动态调整增益。该设计能够根据辐射强度的不同，自动调节增益，从而扩展采集系统的温度测量范围。为了验证动态增益调节系统的性能，利用黑体炉实验平台进行了一系列的标定与测试，具体数据见表1。

测试结果表明，当温度升至1 000 ℃时，940 nm通道的探测器输出电压为3.238 V，随着温度的进一步升高，探测器的输出电流相应增加，存在达到饱和值的风险，这可能导致输出信号失真。为应对这一挑战，系统配备了自动增益调节功能。当输出电压濒临饱和阈值时，系统能够及时响应，通过调整增益来优化信号。具体来说，在温度分别达到1 300 ℃和2 000 ℃时，增益调节机制均被触发，有效控制输出信号，防止其超出饱和范围。系统内嵌的增益动态调节电路能够实现高达2 500倍的电压缩小，显著扩展了温度测量的动态范围，从而提升了测量系统的适用性和精确度。

图6为测温系统在黑体炉1 000～3 000 ℃之间选取多温度节点进行的标定拟合理论曲线与实测标定比值对比图，可以校验标定结果的准确性。拟合曲线的变化趋势趋近810 nm与940 nm的双波段比值曲线，具备明显的单调性，为研究爆炸场火球内部温度动态变化奠定了一定基础。

表2中列出的具体数据清晰地展示了比色测温系统在设计量程内进行温度测量时，双波段电压比值能够随着温度的变化明显增大，并且精度优于5%。这一结果不仅彰显了系统在温度测量方面的准确性，而且满足了爆炸场火球温度测量的精度要求，证明了该系统在高温环境温度监测中的适用性和可靠性。

3.2 实验结果分析

为验证系统的可行性，采用经过精确标定的测温系统对爆炸场火球的温度进行了实时动态监测。实验中使用了30 kg的炸药进行装填，成功引爆后形成了一个直径约20 m的爆炸火球。鉴于系统设备需在极端条件下稳定运行，特别将测温系统布置在爆炸火球的覆盖范围内，具体位置为距离爆炸中心4.5 m处。为精确捕获爆炸火球的辐射能量，设备被架设在离地面0.8 m高度的位置，以保证光取样窗口能够被爆炸火球包裹，同时确保设备的光取样窗口背向太阳，以规避直射日光引起的误触发，确保测温过程的准确性和设备的安全，同时减少直射日光的辐射信号对实验测量结果的干扰。

图7清晰地展示了测温设备在爆炸场火球内部捕获的双通道电压响应曲线。通过对这些数据的细致分析，计算出了探测器输出电压的比值R。利用之前标定过程中得到的理论和解算公式，将这一比值转换为温度数据。相应的温度响应变化曲线在图8中得到了直观的呈现，它不仅证实了比色测温系统的响应能力，同时也表明了动态增益系统能够确保采集电压低于饱和值，并且展示了其在极端条件下测量温度的准确性。

由图8可知，爆炸场火球区域的最高温度达到了2 622.2 ℃，并且高温状态持续了超过40 ms。爆炸火球的温度在20 ms内迅速升至峰值，随后便急剧下降。火球内部进行的温度测量表明，探测器输出的电压变化总体上呈现出平滑上升的趋势。但在个别点，电压比值出现了波动。经过深入分析，认为这可能是由于爆炸过程中产生的破片对探测器的通光孔造成了部分遮挡，从而导致两个通道接收到的辐射强度出现了差异。此外，在温度迅速上升时，探测器输出的电压迅速接近饱和值，此时动态增益调节系统在极短的时间内进行调节，可能导致输出电压短暂不稳定，进而引起比值的波动。尽管存在这些波动，从温度响应曲线中可以看到，在爆炸发生后，爆炸云团的最高温度仍然趋于稳定。这一现象表明，爆炸后形成的云团具有相对稳定的高温毁伤特性，对于评估爆炸事件的热效应具有重要意义。

4 结束语

以比色测温技术为核心，构建了一套针对爆炸场火球内部确定位置的温度测量系统。依据精确的技术指标，设计并搭建了光学电路，并精心选取了适宜的波长以优化测量效果。为了拓宽测量范围，采用了动态增益调节控制技术。通过黑体炉实验，评估了增益调节对测量结果的具体影响，并完成了比色测温设备的精确标定。标定结果验证了测温仪器的误差控制在指标要求之内，确保了测量精度优于5%。进一步，在实地进行了爆炸场的温度动态测试，成功捕获了轰爆区域仪器采集的电压随时间变化的响应曲线。通过定制的程序对这些数据进行详尽分析，建立了输出电压比值与温度之间的准确关系，为爆炸场火球内部确定位置的温度测量提供了可靠的数据支持。实验数据为单一测量节点数据，后续实验可增加多节点测量系统，通过同步技术可以获取爆炸场内部火球的温度分布，为爆炸场温度测量提供新的方法。

参 考 文 献

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（收稿日期：2024-07-24，修回日期：2024-12-31）

The Endoscopic Temperature measuring Technology for Explosion

Fireballs Based on Colorimetric Temperature Measurement

TIAN Qi sen， ZHANG Pi zhuang， ZHAO Yi， ZHAO Min， DOU Xin

（Shanxi Provincial Key Laboratory of Information Detection and Processing， North University of China）

Abstract"" For purpose of measuring dynamic change of the temperature inside fireballs in explosion fields， an endoscope temperature measuring system based on colorimetric temperature measurement was designed. Through building a mechanical collimating optical system， the spectral radiation energy within the fireball was accurately collected. In addition， through combined with the radiation spectral intensity curve， analyzing the relationship between detector’s wavelength sensitivity and the radiation spectral intensity， multiple sets of dual bands were selected for the simulation and finally， the curves of 810 nm and 940 nm bands were selected. Considering the fact that the rapid explosion process increases the radiation energy sharply and with a view to ensuring signal of the measurement system not saturated， the dynamic gain module was used to realize the temperature measurement with wide dynamic range. Compared with the calibration results shows that， the relative error can be less than 5%， and the temperature range of the explosion fireball measured by the outdoor experiment ranges from 1 500 ℃ to 2 700 ℃， which provides a new technical means for studying the internal temperature law of the transient explosion fireball.

Key words"" colorimetric temperature measurement， explosion temperature field， explosive fireball， transient high temperature