專利名稱：爆炸火焰測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，具體涉及熱輻射及高溫快速測量裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在用于測溫的方法有兩種，接觸法和非接觸法。在接觸測溫法中，熱電 偶和熱電阻溫度計應(yīng)用最為廣泛，該方法的優(yōu)點是設(shè)備和操作簡單，測得的是 物體的真實溫度等，其缺點是動態(tài)特性差，由于要接觸被測物體，故對被測物 體的溫度分布有影響，且不能應(yīng)用于甚高溫測量，所以接觸法測溫不適合爆炸 火焰的測量。近年來，由于電子技術(shù)的飛快發(fā)展，半導(dǎo)體材料的進(jìn)步及計算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，又由于輻射溫度計具有無測量上限，響應(yīng)速度快及不接觸 被測對象，因而不影響被測溫場等特點，輻射測溫技術(shù)得到長足的進(jìn)步和發(fā)展。 由于爆炸火焰測量裝置應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境惡劣，要求有極快的響應(yīng)速度，測量溫度 范圍大，測量溫度上限高，且不可能直接測量，故采用非接觸測溫法。但目前 還沒有一種可以用于測量爆炸火焰的裝置，因為已有的基于非接觸測溫法的測 溫裝置在測量爆炸火焰的過程中，有如下問題，1、信號無法傳輸，因為爆炸 過程破壞力極強(qiáng)，儀器裝置的核心部分無法在現(xiàn)場工作，這就需要將采集的能 量信號傳輸?shù)揭欢ň嚯x以外進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出溫度，但現(xiàn)有的基于非接觸法測
溫的測溫裝置還沒實現(xiàn)有這種能量遠(yuǎn)傳的功能，只能實現(xiàn)近距離測量。2、采 集數(shù)據(jù)速度不夠，爆炸時間大約在100ms內(nèi)結(jié)束，而在這樣短的時間內(nèi)要采 集足夠多的數(shù)據(jù)以便計算出爆炸火焰的真實溫度，需要相當(dāng)?shù)牟杉俣?。而現(xiàn) 有的基于非接觸法測溫的裝置采集速度較慢，無法達(dá)到測量爆炸火焰的要求。 3測量精度，已有的非接觸測溫裝置多采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理方法，其 數(shù)據(jù)處理的精度僅能達(dá)到2%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測溫裝置信號的遠(yuǎn)距離傳輸困難和傳輸速度慢，及 測量精度低的問題，而提出了一種爆炸火焰測量裝置。
本發(fā)明由n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、下位機(jī)和上位機(jī) 組成；所述的n為大于等于3的自然數(shù)，n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)分別用于采集 爆炸火焰的光學(xué)信號，n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)的n個輸出端分別連接于高速數(shù)
據(jù)采集系統(tǒng)的n個輸入端，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端連接下位機(jī)的輸入端，
下位機(jī)的輸入輸出端通過數(shù)據(jù)總線連接到上位機(jī)的輸入輸出端上；每一個光學(xué)
信號采集系統(tǒng)都由光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)探測器和信號調(diào)理系統(tǒng)組成；所述的光學(xué)系
統(tǒng)用于采集爆炸火焰的熱輻射，光學(xué)系統(tǒng)的輸出端連接光學(xué)探測器的輸入端，
光學(xué)探測器的輸出端連接信號調(diào)理系統(tǒng)的輸入端，信號調(diào)理系統(tǒng)的輸出端為光 學(xué)信號采集系統(tǒng)的輸出端，并向高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出采集到的爆炸火焰的光
學(xué)信號；所述的光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、光纖和光學(xué)分光系統(tǒng)組成；光學(xué)瞄 準(zhǔn)系統(tǒng)用于采集爆炸火焰的熱輻射，光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光輸出端通過lkm的光 纖連接到光學(xué)分光系統(tǒng)的光輸入端，光學(xué)分光系統(tǒng)的光輸出端為光學(xué)系統(tǒng)的輸 出端。
本發(fā)明的理論依據(jù)為多光譜測溫技術(shù)——即在一個儀器中制成多個光譜 通道，利用多個光譜下的物體輻射亮度測量信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理而得到物體的 溫度。光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的作用為采集現(xiàn)場爆炸所產(chǎn)生的光。光學(xué)分光系統(tǒng)的作用 是根據(jù)棱鏡的分光作用將光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采集的光分成不同波長的光。此光學(xué)系 統(tǒng)和其他利用多光譜測溫法制成的儀器在光學(xué)系統(tǒng)上最大的區(qū)別就是利用光 纖將距離lkm的光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和光學(xué)分光系統(tǒng)連接起來。lkm的光纖基于三 方面的考慮 一是由于爆炸破壞力大，要有足夠的距離以確保裝置的核心部分 正常工作。二是光纖在傳輸能量的過程中，能量有衰減，所以距離不能太遠(yuǎn)， 太遠(yuǎn)了信號衰減過大。三是爆炸火焰的上限溫度在3273K左右，在lkm處有 較好的信噪比，距離過遠(yuǎn)信噪比太低，對測量結(jié)果的精度有很大影響。本發(fā)明 中選擇硅光電二極管陣列S4111-16Q作為光學(xué)探測器。信號處理系統(tǒng)是此發(fā)明 的又一特點之一。根據(jù)實際的要求和理論計算，采用三級可切換放大量程放大 電路作為信號處理系統(tǒng)。對每一級的輸出都進(jìn)行采集，直到爆炸結(jié)束后再進(jìn)行 數(shù)據(jù)的處理，這樣就可以保證在爆炸極短的時間內(nèi)，采集到足夠的有效數(shù)據(jù)計 算出爆炸火焰的真是溫度。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用PCI-6225數(shù)據(jù)采集卡。為 了保證技術(shù)的人員工作時的安全，系統(tǒng)采用了上位機(jī)和下位機(jī)兩個工控機(jī)，下 位機(jī)在距離爆炸點lkm的位置放置，工作人員在距離下位機(jī)2km的上位機(jī)位 置等待數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集完畢，通過RS485總線把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到上位機(jī)，
5 通過上位機(jī)的軟件計算出爆炸火焰的真實溫度。由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲 空間有限，如果待機(jī)時一直進(jìn)行高速的采樣，存儲空間很快就會充滿，所以必
須有爆炸的同步觸發(fā)信號啟動高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而同步觸發(fā)和啟動ADC必 須在微秒量級完成，難度較大。因此采用預(yù)采樣技術(shù)，即每次采幾個點，通過 一定判據(jù)斷定是否有火焰出現(xiàn)，若有，則進(jìn)行高速采集，并存儲數(shù)據(jù)，否則， 繼續(xù)判斷。這樣就可以保證導(dǎo)彈爆炸的瞬間，可以將火焰的輻射能采集到系統(tǒng) 中，還能夠保證數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的核心可以正常穩(wěn)定的工作。另外，我們系 統(tǒng)是光纖遠(yuǎn)傳的分離結(jié)構(gòu)，即放在現(xiàn)場的光學(xué)頭成本較低，炸掉后可以更換， 光纖也是分段的結(jié)構(gòu)，可以一段一段的更換。另外，光學(xué)頭放在一個抗爆箱內(nèi)， 盡量避免不被炸毀，光纖加了防爆的套管。光學(xué)主機(jī)和電學(xué)系統(tǒng)雖然放置較遠(yuǎn) 的掩體內(nèi)，也設(shè)計了防爆和隔振箱體，以保證系統(tǒng)的可靠工作。而且本發(fā)明經(jīng) 過試驗測試，數(shù)據(jù)處理精度可以達(dá)到1%。


圖1為本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖3為光學(xué)分光系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式由n個光學(xué)信 號采集系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、下位機(jī)5和上位機(jī)6組成；所述的n為大 于等于3的自然數(shù)，n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)分別用于采集爆炸火焰的光學(xué)信號， n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)的n個輸出端分別連接于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的n個輸 入端，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的輸出端連接下位機(jī)5的輸入端，下位機(jī)5的輸入 輸出端通過數(shù)據(jù)總線連接到上位機(jī)6的輸入輸出端上；所述n為3 8;每一 個光學(xué)信號采集系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)l、光學(xué)探測器2和信號調(diào)理系統(tǒng)3組成；所 述的光學(xué)系統(tǒng)1用于采集爆炸火焰的熱輻射，光學(xué)系統(tǒng)1的輸出端連接光學(xué)探 測器2的輸入端，光學(xué)探測器2的輸出端連接信號調(diào)理系統(tǒng)3的輸入端，信號 調(diào)理系統(tǒng)3的輸出端為光學(xué)信號采集系統(tǒng)的輸出端，并向高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 輸出采集到的爆炸火焰的光學(xué)信號；所述的光學(xué)系統(tǒng)1由光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11、 光纖13和光學(xué)分光系統(tǒng)12組成；光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11用于采集爆炸火焰的熱輻 射，光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11的光輸出端通過lkm的光纖13連接到光學(xué)分光系統(tǒng)12 的光輸入端，光學(xué)分光系統(tǒng)12的光輸出端為光學(xué)系統(tǒng)1的輸出端。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同點在于光纖13采 用分段式結(jié)構(gòu)，光纖13由O.lkm長的光纖和0.9km長的光纖連接構(gòu)成，O.lkm 長的光纖的一端連接在光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11的光輸出端上，位于爆炸現(xiàn)場，O.lkm 長的光纖的另一端連接0.9km長的光纖的一端，0.9km長的光纖與O.lkm長的 光纖采用精密的光纖耦合連接，0.9km長的光纖的另一端連接光學(xué)分光系統(tǒng)12 的光輸入端，每次爆炸毀壞后只需要更換O.lkm長的光纖，這樣即節(jié)約了每次 試驗的成本也便于測量系統(tǒng)的維護(hù)，光纖13外部增加了防爆的套管。其它組 成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11由主物鏡L1和準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡FSL組成； 爆炸火焰的目標(biāo)點發(fā)出的熱輻射經(jīng)主物鏡LI聚焦在準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡FSL 上，準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡FSL透射到光纖13的光輸入端。其它組成和連接方式 與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式三不同點在于光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)11增加了目鏡L4和半反射鏡Ml,半反射鏡 Ml置于主物鏡LI和準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡FSL之間的光路上，半反射鏡Ml反 射部分信號光到目鏡L4中。其作用是調(diào)整光路，使主物鏡Ll瞄準(zhǔn)被測對象。 其它組成和連接方式與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于光學(xué)分光系統(tǒng)12由準(zhǔn)直透鏡L2、組合棱鏡P、暗箱物鏡L3、 反射鏡M2和傳感器D組成；光纖13光輸出端的光發(fā)射到準(zhǔn)直透鏡L2的焦 平面上；準(zhǔn)直透鏡L2輸出的平行光束經(jīng)組合棱鏡P產(chǎn)生色散，組合棱鏡P輸 出的色散光經(jīng)暗箱物鏡L3透射在反射鏡M2反射面上，反射鏡M2的反射光 照射在傳感器D的感光面上，傳感器D的輸出端連接光學(xué)探測器2的輸入端。 其中組合棱鏡P輸出的色散光是由暗箱物鏡L3聚焦在其焦平面上，使每個工 作波段的光都產(chǎn)生各自的像，反射鏡M2將像反射給傳感器進(jìn)行識別。其它組 成和連接方式與具體實施方式
一相同。
本發(fā)明內(nèi)容不僅限亍上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實施方 式的組合同樣也可以實現(xiàn)發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1、爆炸火焰測量裝置，其特征在于它由n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)、下位機(jī)(5)和上位機(jī)(6)組成；所述的n為大于等于3的自然數(shù)，n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)分別用于采集爆炸火焰的光學(xué)信號，n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)的n個輸出端分別連接于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的n個輸入端，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的輸出端連接下位機(jī)(5)的輸入端，下位機(jī)(5)的輸入輸出端通過數(shù)據(jù)總線連接到上位機(jī)(6)的輸入輸出端上；每一個光學(xué)信號采集系統(tǒng)都由光學(xué)系統(tǒng)(1)、光學(xué)探測器(2)和信號調(diào)理系統(tǒng)(3)組成；所述的光學(xué)系統(tǒng)(1)用于采集爆炸火焰的熱輻射，光學(xué)系統(tǒng)(1)的輸出端連接光學(xué)探測器(2)的輸入端，光學(xué)探測器(2)的輸出端連接信號調(diào)理系統(tǒng)(3)的輸入端，信號調(diào)理系統(tǒng)(3)的輸出端為光學(xué)信號采集系統(tǒng)的輸出端，并向高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)輸出采集到的爆炸火焰的光學(xué)信號；所述的光學(xué)系統(tǒng)(1)由光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(11)、光纖(13)和光學(xué)分光系統(tǒng)(12)組成；光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(11)用于采集爆炸火焰的熱輻射，光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(11)的光輸出端通過1km長的光纖(13)連接到光學(xué)分光系統(tǒng)(12)的光輸入端，光學(xué)分光系統(tǒng)(12)的光輸出端為光學(xué)系統(tǒng)(1)的輸出端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于光纖(13)外部 增加了防爆的套管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于光纖(13)由O.lkm 長的光纖和0.9km長的光纖連接構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于0.9km長的光 纖與O.lkm長的光纖采用耦合連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng) (ll)包括主物鏡(Ll)和準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡(FSL);爆炸火焰的目標(biāo)點發(fā)出的熱輻 射經(jīng)主物鏡(L1)聚焦在準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡(FSL)上，準(zhǔn)直物鏡分劃場鏡(FSL)的 透射光照射在光纖(13)的光輸入端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng) (ll)還包括了目鏡(L4)和半反射鏡(M1)，半反射鏡(M1)置于主物鏡(L1)和準(zhǔn)直 物鏡分劃場鏡(FSL)之間的光路上，半反射鏡(M1)反射部分信號光到目鏡(L4) 中。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于光學(xué)分光系統(tǒng)(12)由準(zhǔn)直透鏡(L2)、組合棱鏡(P)、暗箱物鏡(L3)、反射鏡(M2)和傳感器(D) 組成；光纖(13)光輸出端的光發(fā)射到準(zhǔn)直透鏡(L2)的焦平面上；準(zhǔn)直透鏡(L2) 輸出的平行光束經(jīng)組合棱鏡(P)產(chǎn)生色散，組合棱鏡(P)輸出的色散光經(jīng)暗箱物 鏡(L3)透射在反射鏡(M2)反射面上，反射鏡(M2)的反射光照射在傳感器(D)的 感光面上，傳感器(D)的輸出端連接光學(xué)探測器(2)的輸入端。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸火焰測量裝置，其特征在于所述的n為3 8。
全文摘要
爆炸火焰測量裝置，它涉及測量領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有測溫裝置信號的遠(yuǎn)距離傳輸困難和傳輸速度慢，及測量精度低的問題，本發(fā)明的n個光學(xué)信號采集系統(tǒng)的n個輸出端都連高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端，其中n≥3的自然數(shù)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出端連下位機(jī)輸入端，下位機(jī)輸入輸出端通過數(shù)據(jù)總線連到上位機(jī)輸入輸出端上；每一個光學(xué)信號采集系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)采集爆炸火焰的熱輻射，其輸出端連光學(xué)探測器輸入端，光學(xué)探測器通過信號調(diào)理系統(tǒng)向高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出采集到的爆炸火焰的光學(xué)信號；光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過1km的光纖連接到光學(xué)分光系統(tǒng)上構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明經(jīng)過試驗測試，數(shù)據(jù)處理精度達(dá)到1％，而且能夠遠(yuǎn)距離傳輸信號，具有傳輸速度快和可靠性高的優(yōu)點。
文檔編號G01J5/08GK101387553SQ20081013742
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者原桂彬, 崐 孫, 孫曉剛, 戴景民 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)