专利名称：爆炸火焰测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量领域，具体涉及热辐射及高温快速测量装置。
背景技术：
现在用于测温的方法有两种，接触法和非接触法。在接触测温法中，热电 偶和热电阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设备和操作简单，测得的是 物体的真实温度等，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物 体的温度分布有影响，且不能应用于甚高温测量，所以接触法测温不适合爆炸 火焰的测量。近年来，由于电子技术的飞快发展，半导体材料的进步及计算机 技术的发展与应用，又由于辐射温度计具有无测量上限，响应速度快及不接触 被测对象，因而不影响被测温场等特点，辐射测温技术得到长足的进步和发展。 由于爆炸火焰测量装置应用现场环境恶劣，要求有极快的响应速度，测量温度 范围大，测量温度上限高，且不可能直接测量，故采用非接触测温法。但目前 还没有一种可以用于测量爆炸火焰的装置，因为已有的基于非接触测温法的测 温装置在测量爆炸火焰的过程中，有如下问题，1、信号无法传输，因为爆炸 过程破坏力极强，仪器装置的核心部分无法在现场工作，这就需要将采集的能 量信号传输到一定距离以外进行数据处理得出温度，但现有的基于非接触法测
温的测温装置还没实现有这种能量远传的功能，只能实现近距离测量。2、采 集数据速度不够，爆炸时间大约在100ms内结束，而在这样短的时间内要采 集足够多的数据以便计算出爆炸火焰的真实温度，需要相当的采集速度。而现 有的基于非接触法测温的装置采集速度较慢，无法达到测量爆炸火焰的要求。 3测量精度，已有的非接触测温装置多采用基于神经网络的数据处理方法，其 数据处理的精度仅能达到2%。
发明内容
本发明为了解决现有测温装置信号的远距离传输困难和传输速度慢，及 测量精度低的问题，而提出了一种爆炸火焰测量装置。
本发明由n个光学信号采集系统、高速数据采集系统、下位机和上位机 组成；所述的n为大于等于3的自然数，n个光学信号采集系统分别用于采集 爆炸火焰的光学信号，n个光学信号采集系统的n个输出端分别连接于高速数
据采集系统的n个输入端，高速数据采集系统的输出端连接下位机的输入端，
下位机的输入输出端通过数据总线连接到上位机的输入输出端上；每一个光学
信号采集系统都由光学系统、光学探测器和信号调理系统组成；所述的光学系
统用于采集爆炸火焰的热辐射，光学系统的输出端连接光学探测器的输入端，
光学探测器的输出端连接信号调理系统的输入端，信号调理系统的输出端为光 学信号采集系统的输出端，并向高速数据采集系统输出采集到的爆炸火焰的光
学信号；所述的光学系统由光学瞄准系统、光纤和光学分光系统组成；光学瞄 准系统用于采集爆炸火焰的热辐射，光学瞄准系统的光输出端通过lkm的光 纤连接到光学分光系统的光输入端，光学分光系统的光输出端为光学系统的输 出端。
本发明的理论依据为多光谱测温技术——即在一个仪器中制成多个光谱 通道，利用多个光谱下的物体辐射亮度测量信息，再经数据处理而得到物体的 温度。光学瞄准系统的作用为采集现场爆炸所产生的光。光学分光系统的作用 是根据棱镜的分光作用将光学瞄准系统采集的光分成不同波长的光。此光学系 统和其他利用多光谱测温法制成的仪器在光学系统上最大的区别就是利用光 纤将距离lkm的光学瞄准系统和光学分光系统连接起来。lkm的光纤基于三 方面的考虑 一是由于爆炸破坏力大，要有足够的距离以确保装置的核心部分 正常工作。二是光纤在传输能量的过程中，能量有衰减，所以距离不能太远， 太远了信号衰减过大。三是爆炸火焰的上限温度在3273K左右，在lkm处有 较好的信噪比，距离过远信噪比太低，对测量结果的精度有很大影响。本发明 中选择硅光电二极管阵列S4111-16Q作为光学探测器。信号处理系统是此发明 的又一特点之一。根据实际的要求和理论计算，采用三级可切换放大量程放大 电路作为信号处理系统。对每一级的输出都进行采集，直到爆炸结束后再进行 数据的处理，这样就可以保证在爆炸极短的时间内，采集到足够的有效数据计 算出爆炸火焰的真是温度。高速数据采集系统应用PCI-6225数据采集卡。为 了保证技术的人员工作时的安全，系统采用了上位机和下位机两个工控机，下 位机在距离爆炸点lkm的位置放置，工作人员在距离下位机2km的上位机位 置等待数据，当下位机数据采集完毕，通过RS485总线把数据远传到上位机，
5 通过上位机的软件计算出爆炸火焰的真实温度。由于高速数据采集系统的存储 空间有限，如果待机时一直进行高速的采样，存储空间很快就会充满，所以必
须有爆炸的同步触发信号启动高速数据采集系统。而同步触发和启动ADC必 须在微秒量级完成，难度较大。因此采用预采样技术，即每次采几个点，通过 一定判据断定是否有火焰出现，若有，则进行高速采集，并存储数据，否则， 继续判断。这样就可以保证导弹爆炸的瞬间，可以将火焰的辐射能采集到系统 中，还能够保证数据采集处理系统的核心可以正常稳定的工作。另外，我们系 统是光纤远传的分离结构，即放在现场的光学头成本较低，炸掉后可以更换， 光纤也是分段的结构，可以一段一段的更换。另外，光学头放在一个抗爆箱内， 尽量避免不被炸毁，光纤加了防爆的套管。光学主机和电学系统虽然放置较远 的掩体内，也设计了防爆和隔振箱体，以保证系统的可靠工作。而且本发明经 过试验测试，数据处理精度可以达到1%。
图1为本发明的测量装置结构示意图；图2为光学瞄准系统11的结构示 意图；图3为光学分光系统12的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式由n个光学信 号采集系统、高速数据采集系统4、下位机5和上位机6组成；所述的n为大 于等于3的自然数，n个光学信号采集系统分别用于采集爆炸火焰的光学信号， n个光学信号采集系统的n个输出端分别连接于高速数据采集系统4的n个输 入端，高速数据采集系统4的输出端连接下位机5的输入端，下位机5的输入 输出端通过数据总线连接到上位机6的输入输出端上；所述n为3 8;每一 个光学信号采集系统由光学系统l、光学探测器2和信号调理系统3组成；所 述的光学系统1用于采集爆炸火焰的热辐射，光学系统1的输出端连接光学探 测器2的输入端，光学探测器2的输出端连接信号调理系统3的输入端，信号 调理系统3的输出端为光学信号采集系统的输出端，并向高速数据采集系统4 输出采集到的爆炸火焰的光学信号；所述的光学系统1由光学瞄准系统11、 光纤13和光学分光系统12组成；光学瞄准系统11用于采集爆炸火焰的热辐 射，光学瞄准系统11的光输出端通过lkm的光纤13连接到光学分光系统12 的光输入端，光学分光系统12的光输出端为光学系统1的输出端。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同点在于光纤13采 用分段式结构，光纤13由O.lkm长的光纤和0.9km长的光纤连接构成，O.lkm 长的光纤的一端连接在光学瞄准系统11的光输出端上，位于爆炸现场，O.lkm 长的光纤的另一端连接0.9km长的光纤的一端，0.9km长的光纤与O.lkm长的 光纤采用精密的光纤耦合连接，0.9km长的光纤的另一端连接光学分光系统12 的光输入端，每次爆炸毁坏后只需要更换O.lkm长的光纤，这样即节约了每次 试验的成本也便于测量系统的维护，光纤13外部增加了防爆的套管。其它组 成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于光学瞄准系统11由主物镜L1和准直物镜分划场镜FSL组成； 爆炸火焰的目标点发出的热辐射经主物镜LI聚焦在准直物镜分划场镜FSL 上，准直物镜分划场镜FSL透射到光纤13的光输入端。其它组成和连接方式 与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式三不同点在于光学瞄准系统11增加了目镜L4和半反射镜Ml,半反射镜 Ml置于主物镜LI和准直物镜分划场镜FSL之间的光路上，半反射镜Ml反 射部分信号光到目镜L4中。其作用是调整光路，使主物镜Ll瞄准被测对象。 其它组成和连接方式与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于光学分光系统12由准直透镜L2、组合棱镜P、暗箱物镜L3、 反射镜M2和传感器D组成；光纤13光输出端的光发射到准直透镜L2的焦 平面上；准直透镜L2输出的平行光束经组合棱镜P产生色散，组合棱镜P输 出的色散光经暗箱物镜L3透射在反射镜M2反射面上，反射镜M2的反射光 照射在传感器D的感光面上，传感器D的输出端连接光学探测器2的输入端。 其中组合棱镜P输出的色散光是由暗箱物镜L3聚焦在其焦平面上，使每个工 作波段的光都产生各自的像，反射镜M2将像反射给传感器进行识别。其它组 成和连接方式与具体实施方式
一相同。
本发明内容不仅限亍上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方 式的组合同样也可以实现发明的目的。
权利要求
1、爆炸火焰测量装置，其特征在于它由n个光学信号采集系统、高速数据采集系统(4)、下位机(5)和上位机(6)组成；所述的n为大于等于3的自然数，n个光学信号采集系统分别用于采集爆炸火焰的光学信号，n个光学信号采集系统的n个输出端分别连接于高速数据采集系统(4)的n个输入端，高速数据采集系统(4)的输出端连接下位机(5)的输入端，下位机(5)的输入输出端通过数据总线连接到上位机(6)的输入输出端上；每一个光学信号采集系统都由光学系统(1)、光学探测器(2)和信号调理系统(3)组成；所述的光学系统(1)用于采集爆炸火焰的热辐射，光学系统(1)的输出端连接光学探测器(2)的输入端，光学探测器(2)的输出端连接信号调理系统(3)的输入端，信号调理系统(3)的输出端为光学信号采集系统的输出端，并向高速数据采集系统(4)输出采集到的爆炸火焰的光学信号；所述的光学系统(1)由光学瞄准系统(11)、光纤(13)和光学分光系统(12)组成；光学瞄准系统(11)用于采集爆炸火焰的热辐射，光学瞄准系统(11)的光输出端通过1km长的光纤(13)连接到光学分光系统(12)的光输入端，光学分光系统(12)的光输出端为光学系统(1)的输出端。
2、 根据权利要求1所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于光纤(13)外部 增加了防爆的套管。
3、 根据权利要求1所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于光纤(13)由O.lkm 长的光纤和0.9km长的光纤连接构成。
4、 根据权利要求3所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于0.9km长的光 纤与O.lkm长的光纤采用耦合连接。
5、 根据权利要求1所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于光学瞄准系统 (ll)包括主物镜(Ll)和准直物镜分划场镜(FSL);爆炸火焰的目标点发出的热辐 射经主物镜(L1)聚焦在准直物镜分划场镜(FSL)上，准直物镜分划场镜(FSL)的 透射光照射在光纤(13)的光输入端。
6、 根据权利要求5所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于光学瞄准系统 (ll)还包括了目镜(L4)和半反射镜(M1)，半反射镜(M1)置于主物镜(L1)和准直 物镜分划场镜(FSL)之间的光路上，半反射镜(M1)反射部分信号光到目镜(L4) 中。
7、 根据权利要求1所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于光学分光系统(12)由准直透镜(L2)、组合棱镜(P)、暗箱物镜(L3)、反射镜(M2)和传感器(D) 组成；光纤(13)光输出端的光发射到准直透镜(L2)的焦平面上；准直透镜(L2) 输出的平行光束经组合棱镜(P)产生色散，组合棱镜(P)输出的色散光经暗箱物 镜(L3)透射在反射镜(M2)反射面上，反射镜(M2)的反射光照射在传感器(D)的 感光面上，传感器(D)的输出端连接光学探测器(2)的输入端。
8、根据权利要求1所述的爆炸火焰测量装置，其特征在于所述的n为3 8。
全文摘要
爆炸火焰测量装置，它涉及测量领域，它解决了现有测温装置信号的远距离传输困难和传输速度慢，及测量精度低的问题，本发明的n个光学信号采集系统的n个输出端都连高速数据采集系统输入端，其中n≥3的自然数，高速数据采集系统输出端连下位机输入端，下位机输入输出端通过数据总线连到上位机输入输出端上；每一个光学信号采集系统中的光学系统采集爆炸火焰的热辐射，其输出端连光学探测器输入端，光学探测器通过信号调理系统向高速数据采集系统输出采集到的爆炸火焰的光学信号；光学瞄准系统通过1km的光纤连接到光学分光系统上构成光学系统。本发明经过试验测试，数据处理精度达到1％，而且能够远距离传输信号，具有传输速度快和可靠性高的优点。
文档编号G01J5/08GK101387553SQ20081013742
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者原桂彬, 崐 孙, 孙晓刚, 戴景民 申请人:哈尔滨工业大学