爆炸火球內部溫度測量方法研究

摘 要 針對爆炸溫度場測量環境復雜、參數變化動態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的爆炸場內部溫度測量方法，并搭建了相應的爆炸場溫度測量系統。該系統成功測試了由

30 kg甲、乙配方溫壓彈形成的火球溫度場。研究結果顯示，甲配方炸藥爆炸最高溫度達到2 950 ℃，爆炸持續時間為420 ms左右；而乙配方炸藥爆炸最高溫度可達3 200 ℃，爆炸持續時間小于400 ms，實現了對爆炸火球內部溫度的測量。與傳統的熱電偶傳感器相比，所提系統能夠有效地獲取爆炸火球內部溫度，具有可行性。

關鍵詞 比色測溫 爆炸溫度場 瞬態高溫 火球內部溫度

中圖分類號 TH811" "文獻標志碼 A" "文章編號 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，主要通過爆炸產生的高溫高壓毀傷目標，其爆炸形成的火球溫度具有很高的熱輻射效應［1］。溫壓炸藥的爆炸過程分為3個階段：第一，溫壓彈爆炸瞬間，不需要消耗氧氣，其反應僅為幾微秒，同時也只會釋放小部分能量，但其產物是含量極高的富燃料；第二，無氧燃燒反應，是以粒子形式存在的，反應時間相當短暫，約為幾十至幾百微秒；第三，隨著氣流燃燒場擴散，之前的富燃料接觸到空氣后發生二次燃燒，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展［3］，云爆戰斗部爆炸火球內部溫度的準確測量和內部溫度解算技術的研究具有重要的科學背景和實際應用價值。然而，由于爆炸溫度場具有持續時間短、溫度變化范圍大及溫度峰值高等特點［4］，目前針對爆炸溫度場內部的準確測量仍然十分困難。為了獲取到準確的爆炸溫度，研究者們不斷深入，另辟蹊徑。目前測量瞬態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型熱電偶對金屬化炸藥爆炸火球的溫度進行測量，研究發現當存在鋁粒子時，火球中的氣體溫度高達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對炸藥爆炸早期封閉爆炸中的火球膨脹溫度進行了測量［6］；鄭勇杰等采用WRe5/26熱電偶獲取了不同爆心距處的溫度-時間曲線，分析了TNT裝藥溫度峰值隨距離和裝藥質量變化的規律［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構，采用雙色高溫計技術對火焰的發展進行定性觀察［8］。梁高等采用多波長輻射測溫技術對爆炸場瞬態溫度進行反演，通過分析溫度隨波長靈敏度的變化關系，確定溫度精度最高時的波長［9］。黃志成等運用比色測溫法，給出最優波段的選取，實現對火炮膛內溫度的測試［10］。張啟威等基于高速相機、黑體輻射理論、圖像傳感器的拜爾陣列和自編Python代碼，構建了依據比色測溫原理的高速二維溫度測試系統，并對添加不同含量TiH的乳化炸藥、TiH2粉塵和C2H2氣體的爆炸溫度場進行了測量［11］。上述研究均推動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的爆炸場內部溫度測量方法，并搭建對應的爆炸場溫度測量系統，對30 kg甲、乙配方溫壓彈形成的火球溫度場進行測試，獲得火球的內部溫度；同時與傳統的熱電偶溫度傳感器對比，分析了比色測溫系統的優勢。

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，它的相應公式表明了光譜輻射出射度M（λ，T）與波長λ和絕對溫度T的關系：

2 系統設計

針對爆炸場溫度測量的需求，測試系統必須在惡劣環境中工作，承受高溫、高壓和高沖擊力，系統設計需具備高可靠性和高抗干擾能力，并提供可靠的防護措施。

針對上述要求對測試系統進行設計，總體設計方案如圖1所示。系統主要包括光學系統、光電探測、放大電路和采集存儲模塊4個部分，其工作流程如下：光學系統將火球的寬譜輻射光轉換為窄譜光信號，隨后光電探測器捕獲窄譜光信號并輸出相對較弱的信號，之后硬件電路將探測器發出的信號進行I/V轉換和放大，然后采集存儲模塊中的AD轉換器將放大后的模擬電壓信號轉換為數字信號，利用SPI接口將采集到的數據發送至Flash進行存儲，最后由上位機讀取爆炸信號數據進行后續分析處理，進而得到溫度場整體的溫度分布情況。

2.1 光學系統

由于測試環境的復雜性，所以在光學系統設計時要考慮具有濾除雜散光和聚焦的功能，提高系統抗干擾能力，減少信號失真。

為實現對高沖擊、高溫環境的可靠防護和對光路振動的有效抑制，采用了雙通道輻射采樣方式；同時采用多級串聯的光學設計，包括防護透明玻璃、可見光濾光片、光柵、聚焦透鏡和窄帶濾光片，以提高溫度測量節點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%。光學系統的單路設計結構如圖2所示。

2.2 放大電路

由于探測器從目標源獲取能量信息后輸出信號較小，所以利用放大電路對信號進行處理。在運算放大器選型時，要選取低噪聲、高增益、高共模抑制比和性能穩定的運算放大器，因此選用ADA4522運算放大器。同時為改變增益以及穩定增益波動，設計了高速模擬開關，以實現自適應增益動態調節的功能。

2.3 數據采集與存儲

由于系統要求實時性和100 μs的采集速率，同時要求對原始數據、解算數據進行存儲，所以利用Flash和上位機系統實現此部分功能，通過衡量價格、性能及穩定性等因素，選擇W25Q64型Flash。

2.4 系統標定

要實現比色測溫系統的精確測量，就必須對系統進行靜態校準，利用黑體爐對系統進行校準。為減少實驗操作引起的誤差，分別在1個溫度點進行3次測量，并取其平均值作為系統在該溫度下輸出的電壓值，再通過式（5）得到解算溫度，進而計算出相對誤差，系統靜態校準結果見表1。

3 實驗驗證與結果分析

3.1 實驗設備

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進行爆炸火球內部溫度的測量；另一種是接觸式，使用自制的鎢錸熱電偶定點測溫。采用比色測溫和熱電偶相結合的方式對溫壓炸藥爆炸過程的信號進行采集，目的在于獲取爆炸過程中不同維度下的爆炸信息。

3.2 現場布局

現場布局如圖3所示。比色測溫節點按扇形布置在溫壓彈周圍一定距離的定點處，采用側面取樣和向上取樣兩種方式。側面取樣節點固定在50 cm高的鋼制腳架上，向上取樣節點埋于土中高出地面10 cm，熱電偶溫度傳感器固定在鋼制基座上。通過連接線將節點環路連接，在確保同步觸發的同時，避免出現因節點之間連接線的斷開而導致后面的節點無法進行信號采集的情況。考慮到在現場測試時，會發生誤觸發以至于無法采集到關鍵數據的問題，設置兩種控制方式——手動觸發和自動觸發。手動觸發需通過485線向節點下達采集命令，自動觸發由提前設置的閾值控制，閾值的選擇排除自然光的干擾，確保節點正確觸發，實現數據采集的功能。

3.3 實驗結果分析

利用文中的測溫系統分別對30 kg甲配方的炸藥和30 kg乙配方的炸藥的爆炸溫度場進行測量。對比獲取的原始爆炸信號和經處理操作后的溫度-時間曲線信息，反映爆炸火球內部溫度的測量結果和爆炸相關過程。

3.3.1 比色測溫系統結果

在系統溫度解算過程中，針對原始爆炸信號中存在的異常點，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部溫度值。圖4、5分別節選了節點SN04在甲、乙配方炸藥下的原始爆炸信號和溫度解算圖像，圖6、7分別節選了節點SN10在甲、乙配方炸藥下的原始爆炸信號和溫度解算圖像。比色測溫系統的峰值溫度見表2，爆炸持續時間見表3。

由圖4a、b可知，在爆炸的瞬間溫度迅速達到初始峰值，而后又有一個短暫的回落過程，由于溫壓彈的二次燃燒，溫度繼續升高，達到最高溫度。結合溫壓炸藥的特性，在炸藥爆炸后，迅速燃燒，產生爆轟產物，火球溫度到達第1個峰值；之后進行無氧燃燒過程，最后產生的爆轟產物與氧氣接觸發生二次燃燒，達到爆炸溫度的最大值。對比圖4和圖6可以看出，隨著與爆心距離的增加，且爆轟產物在空中出現的隨機性，火球內部最高溫度和爆炸持續時間也會有所差別。

比較表2、3中的數據可以看出，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時間上低于甲配方。由圖4～7的溫度解算圖中可以發現，甲配方炸藥具備溫壓彈二次爆炸的特點，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果

圖8節選了熱電偶1在甲配方炸藥下的原始爆炸信號和溫度解算圖像，在進行第2場實驗時，熱電偶被損壞，無有效數據，不進行展示。

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 ℃，上升時間長達416 ms。

3.3.3 兩種測溫方法的對比

通過圖4、6、8的對比，可以看出：

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

b. 熱電偶溫度傳感器的上升時間較長，且響應速度不足以滿足對瞬態高溫的快速測量需求；相反，比色測溫系統的響應時間低于100 μs，能夠滿足溫壓彈爆炸的快速性和爆發性，可準確捕捉爆炸信號，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，無法滿足對爆炸火球內部溫度的測量需求；而比色測溫系統的測溫范圍為750～

3 500 ℃，能夠滿足當前的測溫需求，保證溫度的準確測量。

4 結束語

針對爆炸火球內部溫度測量中存在的測量環境復雜、參數變化動態范圍大及測量難度大等特點，考慮到傳統的溫度測量方法難以滿足爆炸溫度場內部測量需求，研究了一種基于比色測溫系統的爆炸火球內部溫度測量的方法，該系統測溫范圍廣、動態響應速度快，與傳統的溫度場測試系統相比，具有以下優勢：

a. 傳統接觸式測溫法響應速度低、容易損壞、不能較好地用于爆炸場溫度測量，所提系統響應速度快、測溫范圍廣，可以實現對爆炸溫度場的非接觸式測量。現有爆炸場測溫方法大多應用于爆炸火球表面溫度，而所提系統實現對爆炸火球內部溫度的測量，擴大了爆炸溫度場測量目標的范圍，彌補了爆炸溫度場測溫領域的不足。

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

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-09-13，修回日期：2025-01-10）