兵器瞬态测温技术

[定义]
瞬态测温技术是在人为的环境中利用仪器测量物体瞬态温度的技术。温度是反映物体分 之热运动的一个物理参数。它是表示物体冷热程度的物理量。温度测量是通过物体的某些 物理性质随温度变化的特征间接测量的。在常规兵器这一特殊领域,被测事件往往发生在 高温、高压、高速和高冲击的恶劣环境中,特别是武器射击过程中的瞬态温度的测量不同 于一般的温度测量,需要有能够满足上述恶劣条件的传感器,而且传感器要有较快的反应 时间,因此武器的测温技术一直是国内外研究的课题。另一方面精确测量武器的瞬态温度 对于提高武器的使用寿命,提高射击精度有着重要意义。

[相关技术]传感器技术;红外技术;辐射技术

[技术难点]
对于枪炮而言,现在国内外大多采用间接测量的方法,通过换算推导出膛内的温度,而 不能直接、瞬时地测量出枪炮射击时的温度变化。这就需要研究和开发新的测温方法,能 直接测出膛内的温度供产品设计人员参考。再者对于验收的武器不容许在枪管或炮管上钻 孔安装传感器,这就给传感器的安装及整个测量工作带来困难。所以最好采用红外扫瞄之 类的非接触方法,这样就需要研究使用便利,反应快的红外扫描装置满足武器测温的需求 。

[国外概况]
目前,武器的瞬态温度测量主要采用两类技术,一种是采用传感器接触测温法,另一种 是非接触式扫描方式热成像及光谱测温技术。可根据不同的要求选择不同的测试方法
1、传感器测温技术
(1)热电偶传感器测温
热电偶是应用多年的测温传感器。目前,国外已研制成出响应时间为10的负6次方秒的 表面热电偶,可测量武器表面的瞬态温度。热电偶材料有铁─镍、镍-钢等。圣路易·德法 研究所在20毫米(mm)火炮测温时用的热电偶能耐600兆帕(MPa)高压,响应时间达1毫秒 (ms),可以满足兵器测温的要求。
(2)光纤传感器测温
武器局部温度测试的另一种传感器是在光纤端面镀层的方法,它的转换机理是根据光学 厚度的依从关系。德国恩斯特-马赫研究所的克林根贝格根据这一原理制作了一种称作光学 探头的光纤测温传感器,他用环氧树脂将一束25根平行的石英光纤固定在钢管中心,每根 光纤直径为0.1mm,光纤束的直径为0.5mm,断面面积为0.19平方毫米,孔径角为25°。试验 证明,这种传感器能耐400MPa的最大压力,可安装到标准的“奇石乐”压电压力传感器的 安装孔内。在弹道试验中发现,光纤束的末端在燃烧期间被烧坏,因此记录的温度比火药 的绝热火焰温度高。为保护光纤束的末端,在光学探头的前面粘上一块防护玻璃(0.254平 方毫米), 这样有防护玻璃的传感器就可重复使用,而且消除了以前烧坏光纤的问题。但 在实际应用中,这种传感器遇到一些困难,就是只能透过可见光,这样可测量的温度范围 限制在1400K(绝对温度)的范围内, 另外试验期间光纤端面受到燃烧产物的污染,影响 温度测量。
荷兰应用科学研究所也研制了应用于火炮内弹道温度测试的两种光纤传感器,即所谓开 端传感器和闭端传感器。开端传感器测量被测对象的色温,其结构类似于克林根贝格的光 纤传感器。闭端传感器是光纤维端面镀一层金属,关键问题是端面镀层材料的选择和镀层 厚度,即寻找一种耐热性好,能耐高温、高压的金属材料,应能耐2200K高温和350MPa的压 力。开始选用铂,不十分理想, 后选用钨做镀层材料,采用物理蒸发沉积法在光纤端面镀 钨,结果比铂好得多,若镀250纳米(nm) 厚的钨层,其响应时间为纳秒级,从试验结果 看无论铂还是钨,其响应时间都能满足小于10微秒(μs)的要求。当然,用钨的缺点是对 火药气体化学敏感,在高温下易氧化。 在镀层材料的选择中还选用过二氧化钛,二氧化锆 ,三氧化二钇,对于这种材料,必须确定温度–光学系数的值,这一数值是设计传感器不 可缺少的重要参数。经过实验证明,在光纤端面镀二氧化钛镀层也是比较有利的,因为它 的熔点高(1840℃),且有较高的热–光系数,灵敏度高,有极好的稳定性,可忽略吸收作 用,不需要对镀层保护。在传感器的制作过程中,光纤是由石英掺锗熔融制成的。光纤设 计成波长780nm的单模形式。经过切割的端面在压力为10的负6次方托的真空内沉积二氧化 钛薄膜,沉积厚度和沉积速度用石英晶体厚度监视器测量。光学测量表明,所形成的二氧化钛 镀层在1平方厘米的范围内是均匀的,如果单模光纤中心直径为5微米(μm),那末,在这 样小的面积上镀层厚度的不均匀度是完全可以忽略的。在许多次温度循环中做了试验,并 在几个月后做了重复试验以检验其稳定性,未观察到二氧化钛镀层的性能发生任何变化。

(3)红外传感器
德国恩斯特-马赫研究所的克林根·贝格在进行温度测量过程中, 为克服光纤测温传感 器存在的缺点,开发了红外温度传感器,在这种设计中,将一截面6mm ×6mm或3mm×3mm的 方形石英晶体棒用环氧树脂粘结于一根钢管内, 这种晶体能透过可见光和红外辐射,也就 是说波长λ=3.6μm,同时改善了传感器的抗压能力。 这种特别的设计允许测试光发射, 同时能测量其在断面处作为时间函数的污染影响。为此目的在方形晶体棒上切割成棱形状 ,形成三个表面,即一个水平面,两个与水平面成45°角的斜面。沿蓝宝石晶体棒的轴向 ,对两个相对垂面镀银,另外两个相对垂面是粗糙表面,以利于晶体棒与钢管之间的粘合 密封。在传感器的下端,对于时间相关的污染物对传感器端面的影响,可利用从45°角斜 面入射的激光束的耦合来确定,如果精心设计晶体棒,那末激光束通过晶体棒时,就会在 垂直面和下端面上发生全反射,如果在测量过程中,下表面受到沉积物的污染,该表面的 全发射就会衰减。因此就能计算传感器下端面上污染物的影响。
与光纤导管测温传感器比较,这种设计的缺点是耐环境气压低,6mm×6mm的红外晶体管 棒传感器在密闭爆发器中使用,能承受100MPa的压力。
在使用红外温度传感器时,断面为方形的晶体棒插入液体发射药的反应气体中,它将气 体发出的光传递到红外探测器上,利用放在红外探测器口处的干涉滤光片选通要求的辐射 波长。另一束激光进入晶体棒上端45°角的端面,测量反射光总的强度以计算反应产物的 污染。利用两种发射传感器测定了密闭爆发器内温度的变化曲线,结果表明,因红外传感 器受到污染的影响,降低了辐射强度,所以测量结果低于光纤导管传感器的测量结果。

2、枪炮测温中的红外扫描技术
红外扫描测温技术的优点在于无须在被测对象上打孔安装传感器,是一种非接触式测量 ,这一点对于产品验收特别有利。而且它能沿炮管扫描测出炮管温度的分布。这一技术的 关键部件是辐射计。一般红外辐射计的响应时间为2ms(微秒)。70年代美国陆军研制了一 种适合兵器红外测温的红外探测器,它采用硒化铅做敏感元件,响应时间为2ms。
进入90年代,红外热成像技术在兵器测温中得到更多的应用。热成像系统按其敏感元件 的类型和辐射波长分为两类,波长在2-5.6mm的系统用缔化铟(InSb)作敏感元件,这种系 统适合测量500℃的高温,波长8-13mm的系统用碲镉汞作敏感元件,这种系统适合测量低于 500℃的温度。 英国皇家军备研究所和发展中心利用日本生产的JEOL型热像仪对7.62mm步 枪、40mm火炮作了扫描,结果表明,枪管温度在点火0.13s(秒)后开始上升,每发射一发 温度升高5℃,这进一步证明了红外测温的实际应用。
3、 CARS光谱测温技术
国外还采用相干反斯托克斯喇曼光谱技术(CARS)进行温度测量。国外70年代将这种技 术用于兵器测温领域主要测量膛口气流温度、火箭燃气流温度和发动机燃烧过程的温度。 美国陆军弹道研究所将这种技术应用到火焰区温度测量,试验表明,温度测试总误差为± 12%。
美国桑迪亚国家实验室利用CARS技术对内燃机中未燃尽的气体温度做了测量,估计精度 为5%,测量结果与热释放模拟预测结果相当一致。

[影响]
高温对兵器的使用寿命、效能和性能有很大的影响。就火炮而言,测出膛内火药气体的 温度可以了解火炮膛内真实的热动力学和动力学状态,了解内弹道的物理化学过程这样有 利于提高火炮的设计水平。在火炮的设计和生产过程中,测出膛内的瞬态温度及其分布, 了解火药气体对炮管的烧蚀作用,并采取积极有效的措施抑制火焰强度,减轻烧蚀,提高 身管的使用寿命。测出膛口气流和火焰温度,可深入了解膛口闪光的形成机理有效地减弱 闪光亮度,减少炮兵的可探测性,提高自身的生存能力。此外对于坦克车辆、火箭和火药 的研究也有重要意义。

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