1-9正文,结论,参考文献等格式

1、1绪论1. 1课题研究的背景及意义炸药爆温是指炸药爆炸时放出的能量将爆炸产物加热到的最高温度。爆温是评价 炸药性能的参数，也是炸药爆轰理论及爆轰产物状态方程的热化学计算中的一个重要 参数。目前在弹药毁伤研究领域，主要集中在对冲击波和破片作用的研究，而对热作 用的研究相对较少，爆炸场温度的测量对研究爆炸过程中的热传导、温度分布规律是 十分必要的。在炸药爆炸的过程中，瞬态热现象的变化是十分剧烈的，以至于难以对瞬态高温 实施有效准确的测量。早期的爆温测量只能通过间接测量爆热和爆炸产物的比热来估 算爆温值，这种方法只能给出爆温的大概范围。由于缺乏准确的爆温数据，爆轰产物 的状态方程只能依靠动力学参量如

2、爆速、爆压来近似估计，而这种估计常产生较大的 偏差。由此可见，准确地测量爆温，对预报和控制炸药的性能和新型炸药及战斗部的 研制与开发具有极其重要的意义。因此，爆温的准确测量是国内外多年来都在积极研 究的关键课题。经过多年的研究，人们已经认识到，爆炸场具有高温、高压、高速气流，并带有 化学反应等诸多特点，目前现有的温度测试技术大都局限于有线传输测试技术，在高 温下容易造成导线的损伤，且存在着真空爆炸场和内爆炸场温度测量不便引线的问 题。为了解决爆炸场温度的测量问题，国内外学者己作了大量的研究探索工作。存储测试系统具有较强的耐高温、高压和抗冲击，体积小，不需布置电缆线，可 多点布置的特点。在测试现

3、场容易布置和防护，与传统的测量方法相比，在人员、设 备的安全性和数据采集的可靠性方面具有明显的优势，特别适用于恶劣的测试环境。鉴于对爆温测量的需求，为了有效的测量大当量爆炸环境下的温度测量任务，本 课题拟开展爆炸瞬态温度温度场存储测试技术的研究，以研究爆炸温度场的温度分布 规律，采用将传感器，信号调理电路，采集装置，以及电源集成在一个系统内，从而 具有体积小，防护性能好，易于布置的特点，为炸药或相关弹药的威力的考核和分析 提供依据。1. 2课题研究的国内外发展现状通过查阅国内外相关的文献资料，主要从爆炸温度测试技术和存储测试技术方 面介绍相关的进展和成果。1.2.1爆炸温度的测试技术研究现状爆

4、炸温度的测量属于瞬态高温测量的范畴，就目前来说主要有两种方法进行瞬态 温度的测量，分别为接触测温法和非接触测温法接触测温法又可以分为两种，分别为直接接触法和外推测温法温度传感器直接与 要测量的介质相接触，输出的信号值确定被测介质温度的方法，当两者达到热平衡的 状态时，直接接触法是指根据温度传感器它具有结构简单、可靠和测温精度高的优点。 但是测温元器件需要同被测介质充分接触，且只有达到热平衡后才有可能测得准确的 温度，具有一定的滞后性，测温元器件布置在介质当中，容易破坏介质温度场的分布， 接触不良容易带来误差。外推测温法是指由温度较低、变化较慢的信号根据一定的温度模型计算出温度较 高、变化较快的

5、瞬态高温值。根据某一点的温度变化曲线就可以由温度模型推导出其 他点的温度值。根据外推法不仅可以测得某一点的温度，而且可以推导出任意面的温 度。非接触测温方法是指测温元器件不与介质相接触，而是通过与温度有关的某个特 征量来实现温度测量的方法，它主要包括辐射测温法、红外测温法、比色测温法等方 法，它主要是根据物体的辐射能随温度的变化而变化的原理来进行的，它具有不破坏 介质的温度场、热险小、测温范围高以及寿命长等优点，但是它也具有测温精度低、 造价高等缺点。由于炸药爆炸瞬间的破坏力很大，因此进行实验室的爆炸温度测量就非常困难， 各种爆轰理论就应运而生，D.L.查普曼在1899年和E.儒盖在1905年

6、分别提出了最简 单的爆轰波理论结构简称C-J理论，C-J理论，它将爆轰波简化为一个冲击压缩间断 面，其上的化学反应瞬间完成，在间断面两侧的初态、终态各参量可以由质量、动量 和能量三个守恒定律联系起来。对实际爆轰系统进行C-J理论计算，一般都能得到与 实验爆速值相近的结果，表明C-J理论基本正确，但是经过实验得到的数据与C-J理 论计算的结果还是有一定的差距，这说明C-J理论是一种近似理论;20世纪40年代， J.von诺伊曼和W.杜林分别建立了爆轰波内部结构的模型，简称为ZND模型。ZND模 型爆轰波具有双层结构：前面一层为以超音速推进的激波，紧跟在后面的一层是化学 反应区;激波仍作为一个强间

7、断面，爆轰物质被瞬时地压缩到高温高密度状态，接着 开始化学反应，直到反应区末端达到C-J状态，在反应区内忽略粘性和热传导的影响。 根据瑞利线、许贡纽线以及反应速率方程等方程可以得到反应区内各参量的时间分布 或空间分布。国内外的专家学者提出了一些经验或半经验的模型方程。但是采用不同 的方程进行理论计算时，得到的结果存在很大的偏差，所以采用理论计算爆温的方法 还存在较大的误差。在非接触测温当中主要包括光谱测温法，发射吸收法，双谱线测温法等。早期的测温方法主要采用高速摄影法，利用底片的黑度来进行温度的判别，具有 较大的误差。声学法测量气体的温度是由E.M. Schmidt,E.J.Gion和D.D.

8、shear等人发明的， 精度达到毫秒级，主要利用声波传播的速度来进行温度的判别。M.D. Tarasov和M.B.Laird利用双波长比色法测得了硝基甲烷等炸药的爆炸温 度。南京理工大学利用双谱线原子发射光谱测温原理，设计了光纤光谱测试系统，对 炸药爆轰的瞬态温度进行实时测量，通过对炸药爆轰光谱的测量，获得了实时瞬态爆 轰温度一时间分布曲线。同时李秀丽、惠君明等人通过红外成像仪对温压炸药的爆炸 特性进行了研究。中国工程物理研究院化工材料研究所、北京理工大学等单位同样使用光纤光谱测 温的方法，对炸药爆温的测量方法、原理及测量系统的构成进行了阐述和分析。由此可见，非接触测量炸药爆温大都采用辐射测温

9、方法，该方法基于爆轰产物处 于准热平衡状态的假设，测量爆轰波面热辐射，根据热辐射的维恩定律确定爆温。由 于测量原理限制，将炸药爆轰过程中产生的辐射看作黑体辐射，但实际炸药爆轰过程 与黑体偏离较大。目前，爆轰波面发射率数据非常贫乏，一般情况下辐射体的光谱发 射率都是未知的，对爆温的测量势必产生较大的误差，因此上述测量方法均无法满足 对炸药爆温精确测量的要求。1.2.2存储测试技术研究现状传统的测试方法一般采用人工测试和外接实验仪器，这种方法易受的干扰因素较 多，试验效率差，系统防护困难以及需要协调的因素就多。存储测试系统将试验所需 的各种功能都集成在有限的壳体当中，整个装置放置在试验场当中，对温

10、度场的总体 影响很小或者无影响。存储装置根据系统内部设置的参数自动完成有效数据的处理、 采集和存储功能。减少了工作人员的工作量，提高了系统的整体防护水平，保证了数 据的可靠性。试验完成后，回收装置通过计算机将装置中的数据进行读取储存并进行 相关的分析计算。存储测试系统具有体积小、防护水平高、抗高温、高压以及预制破 片能力强的特点。因此存储测试技术在爆温测量领域有比较好的应用前景。存储测试系统的研究始于20世纪70年代初，国内主要从20世纪80年代初开始 进行研究，经过近四十年的完善和发展，存储测试技术已经臻于成熟。存储测试系统的概念最早由Louis R S在20世纪80年代提出，他对存储测试系

11、 统的试验方法和所面临的问题进行了研究和探讨。在1992年奥地利的AVL公司研制成功了一种“存储式电子测压器”。在20世纪90年代，华北工学院在国内率先推出了 “放入式电子测压器”，在火炮 膛压测试领域得到了广泛的应用。随着微电子技术的快速发展，奥地利研制的AVLSWR型冲击波记录仪，该记录仪采 用了存储式测试方法，克服了电缆引线测试方法的主要缺点。近年来国内多家院校和 机构也纷纷展开了存储式冲击波测量技术研究。“七五”“八五”期间国防科工委重点预研课题“电子测压弹”“引信相关参数的 快速存储与再现技术”使我国在存储测试理论与技术方面获得重大突破，取得了一系 列科研成果。如国内的原兵器部212

12、所、太原机械学院等单位先后在引信数据的存储 测试方法研究上取得了很大的进展。1.3本文的主要研究内容从国内外现状可以看出，在以往的爆温测量中存在着不足，综合考虑现有的测量 温度方法的基础上，针对爆炸温度场的高温、高压、瞬时性并伴有高速气流冲击的特 点，本文对爆炸瞬态温度测试技术进行了研究，本文主要做了以下工作：论文共分为章，根据论文各章节的顺序，具体研究内容安排如下：第一章绪论。在查阅国内外文献的基础上，介绍了课题的背景和意义，并对当 前课题的研究现状进行探讨并确定了课题的目标。第二章测试系统原理。本章主要介绍了课题当中所应用到得基本原理，对测 试系 统的原理进行详细分析。第三章测试系统的总体

13、方案设计。由测试系统的性能指标要求确定了系统的硬 件组成方案。第四章测试系统的硬件电路设计。在本章节当中主要介绍了系统的各个功能 单元的详细的硬件设计。主要包括温度传感器的选择，信号调理电路的设计，模数 转换模块，控制模块以及外围电路的硬件及电路设计。第五章总结和展望。对全文工作进行总结，并指出今后要进行的工作。2测试系统原理2. 1概述就目前国内外爆温测量的研究现状来说，爆炸反应的整个过程还没有确切的数据 可以参考。为了能够准确的测量爆炸时所产生的瞬态温度值，就需要对爆炸反应机理 有一定的了解。同时根据系统的功能要求还必须对温度传感器原理有深入的了解。在 原理的基础上来拟定系统的技术指标并进

14、行系统论证。系统指标的可行性由以后几章 节来验证。2. 2爆炸反应机理本课题所要研究的对象为爆炸场得瞬态温度值。温压炸药的爆炸反应原理与常 规炸药存在很大的不同。为了能准确的测得爆炸场的温度就得从温压炸药的爆炸特性 方面入手。温压弹是指采用温压炸药的弹种。温压弹主要靠爆炸时产生的高温、高压冲击波 来起到杀伤效果，炸药被引爆后会剧烈的燃烧并产生大量的热辐射向四周扩散，同时 产生高压冲击波，温压炸药具有高爆炸药和燃料炸药的双重特点，确切的说是一种含 有大量燃料的高能炸药，它主要用来对付密闭空间或半封闭空间的有生目标，在密闭 空间的杀伤效果要远远大于常规炸药。在通常情况下，温压炸药当中添加了铝、硼、

15、硅、钦、镁、错等物质的粉末，大 大提高了炸药的热效应和压力效应，它的爆炸反应主要分为三个阶段：最初无氧爆炸 反应阶段，在该阶段不需要消耗氧气，仅持续很短的时间，主要是分子状态的氧化还 原反应，释放很少的能量并产生大量燃料；爆炸后的无氧燃烧反应阶段，在该阶段主 要是燃烧粒子的燃烧，持续时间很短，不需要消耗氧气;爆炸后的有氧燃烧反应阶段， 在该阶段主要是富含燃料的产物与空气充分混合燃烧，此阶段需要消耗大量的氧气， 在爆点周围形成真空，并释放大量的热量，形成持续的高压冲击波。温压弹的三个不同的反应阶段确定了它的特性，可以根据不同的目标来调整 它的特性。相对于传统高爆炸药，温压炸药具有密度小、爆压低、

16、爆速小等特点，温 压炸药的作用范围特别广，能产生持续的高压冲击波，温压炸药的能量不是瞬态释放 的，而是具有一个相对较长的释放过程，它的温度是时间的函数，测定温度随时间的 变化规律，可以为炸药的设计提供必要的理论依据。2. 3爆温测试所面临的问题爆炸场产生的温度值一般为瞬态温度值，温度高，变化速度快，同时会产生高压 冲击波具有较强的破坏作用。因此，爆炸温度的测量需要面对的主要问题如下所示：（1）温度传感器:测量温度的传感器一般选择为热电偶，现在流行的裸露式热电 偶在面对高压、高冲击气流时的机械强度不够，容易造成毁坏，销装热电偶的机械强 度一般能满足需求但是响应时间较慢；（2）爆温的测量需要的采样

17、频率较高，温度的持续时间短，因此对系统的采样频 率和存储容量提出了很高的要求，瞬态温度的时间短就决定了系统需要有很好的动态 响应特性；（3）炸药爆炸时会产生高温、高压以及腐蚀性物质，因此对测试系统的防护水平 提出了很高的要求；（4）炸药爆炸时会产生较大工频干扰和电磁干扰等，因此系统需要有较强的抗干 扰能力，以保证数据的精度和有效性。综上，在进行测试系统的设计的时候，要充分考虑温度测试所面临的各种问题， 只有这样才能保证系统设计的合理性以及有效性。2. 4热电偶测温原理及分类2. 4.1热电偶测温原理热电偶是利用塞贝克效应进行温度测量的传感器。塞贝克效应是指由两种不同的电导 体或半导体的温度差异

18、而引起两种物质间的电压差的热电现象，直接用作测量介质温 度的一端称为工作端，另一端称为冷端。热电偶的两端的电势差是两端温度函数的差， 而不是两端温度差的函数。热电偶电动势的大小，当热电偶的材料均匀时，与热电偶 的长度和直径无关，只与热电偶的成分和两端的温度差有关。当热电偶的两个热电偶 丝确定时，热电偶热电势的大小只与热电偶的温度差有关，当冷端温度一定时，热电 势的大小为工作端温度的单值函数。用两个不同的导体的两端互相连接成为一个闭合回路，并使两个端点处于不同的 温度如图2.1所示。由于温差效应，回路中会产生温差电动势。热电偶回路中产生的 热电势由两部分组成，分别为佩尔捷电动势和汤姆逊电动势。图

19、2.1热电偶热电势原理图佩尔捷电动势：在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产接触电势差，其 工作端和冷端的总接触电势差为：内龙二 一（ ）川（式a1）汤姆逊电动势：同一导体的两端温度不同会产生电势差，在热电偶回路中，两种 金属的总的汤姆逊电动势为：AA4二七（CT，一 （7力,）,出（式 2.2）热电偶产生的总热电动势由两种导体的总接触热电动势和总汤姆逊电动势组 成。包方（匕*） =+（4 4）ln w+（er0）协=/（/2）一/（式 2.3）所以，热电偶回路中的热电动势的大小不仅与热电偶的材料有关，而且还与两端 的温度差有关，当热电偶的材料确定时，热电动势的大小只与两接触端的温度差有关

20、。 热电偶测温具有如下优点：测温精度高:热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质影响；测温范围广:在一 40C 2300C内连续测温；响应时间快:热电偶对温度变化极其灵敏；性能可靠，机械强度好；简单易用，安装方便。2. 4.2热电偶分类常用热电偶分为标准热电偶和非标准热电偶，标准热电偶是指国家标准规定了其 热电动势与温度的关系、允许误差、并有标准的分度表可查的热电偶；非标准热电偶 在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，并且它没有统一的分度表，只能应用在某 些特定场合;标准热电偶全部按照IEC国际标准进行生产。我国的标准热电偶主要有7 个型号，分别为S, B, E, K, R, J, T型。2.5

21、本章总结本章简要介绍了某型弹爆炸的反应机理，分析了爆炸场的特点，依据特点和目前 测试现状，分析了设计该测试系统需要注意的问题。3测试系统的总体方案设计3.1概述本文设计的系统主要应用于爆炸产生瞬态温度的测量工作。该系统主要应用于恶 劣的实验环境，系统将采集到得温度信号直接存储到系统内部的存储芯片上。省去 了布置电缆的麻烦同时能抵御高温、高压以及破片对系统电路的破坏，保证了系统的 安全性。爆炸试验结束后，通过存储测试系统采集的爆炸现场的温度模拟信号可以通 过串口传入计算机中。从而可获取爆炸场特定点温度变化规律，亦可布阵获取全场温 度的变化规律，为客观地评价弹药爆炸威力及毁伤效能提供依据。3.2测

22、试系统的设计原则根据系统的指标要求以及测试环境的需要，确定了本系统设计应遵循以下原则；抗干扰设计：由于爆炸后会产生强烈的电磁干扰，为了有效避免系统的误触 发。因此，抗干扰信号的硬件设计思路应始终贯穿于整个设计当中，保证采集数据的 有效性。通过选择合适元器件以及合理的板图布局来有效的减少各种干扰信号的影 响。抗毁坏设计:温压弹爆炸后会产生高温、高压以及破片等破坏性作用，应采 用合适的系统总体结构来抵御这些破坏，提高系统在恶劣工作环境下的生存能力。小型化设计:为了防止装置布置在温度场当中对温度场的影响以及考虑到人 机工效的因素，这就需要将系统在满足指标及功能的前提下尽可能的减小体积和重 量。低功耗

23、设计：由于主要的测试任务通常在野外进行，在电池体积以及容量的 限制下，就需要采用尽可能低的功耗设计方案来进行系统设计。3.2测试系统的总体方案设计根据测试系统所必要的元素以及设计的原则，可以确定这个系统的主要硬件功能 及指标。硬件功能如下所示：温度传感器产生温度信号，产生电压信号直接输出给模拟电路部分；模拟电路部分对进来的电压信号分别进行放大、滤波功能；对电压信号进行A/D变换，然后将数据存入铁电存储器FM25L256中；数据采集完成后用计算机对存储器中的数据进行读取。测试系统基本原理框图3.1所示，整个瞬态温度测试仪是由信号调理电路、中心 控制电路、存储器电路、接口电路，A/D电路、电源控制

24、等构成，传感器负责感受高 温信号并产生相应的电压信号，传输到电路的模拟部分：电路将来自温度传感器的信 号分别进行放大、滤波，然后将信号由ADUC812进行AD转换为数字量，保存于存储 器中，电源负责给电路部分供电。待测试仪回收后，测试者可通过串口将数据读入电各模块简介如下：（1）热电偶:热电偶作为温度测量端的传感器主要完成温度测量得到任务，热电 偶选取的是否合适直接关系到整个系统能否触发以及能否测得准确的温度值。热电偶 的抗冲击性，线性度，动态响应时间以及测温范围等决定了热电偶的选型。（2）信号调理电路:模拟处理电路的主要功能是将热电偶的输出信号经过放大滤 波后输出到ADC当中。它的主要功能是将热电偶的微弱信号进行放大，并将热电偶输 出信号当中的工频干扰等干扰信号滤除。（3）AD转换电路:AD转换电路的主要功能是将信号调理电路输出的信号进行模数 转换；（4）存储电路:存储电路主要是将进过模数转换的数字信号放入铁电存储器中