炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统

摘要

本发明公开了一种炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统，由光纤Bragg光栅传感器阵列、信号检测与解调装置、服务与监控装置和炸药熔铸装置四部分组成，光纤Bragg光栅传感器阵列由其上设置若干个光栅传感器的光纤呈“S”形排列构成，固定于炸药熔铸装置内的1/2中轴面上，其中光栅传感器间隔一定距离设置，并呈阵列分布，信号检测与解调装置位于炸药熔铸装置外，与光纤连接，服务与监控装置电路连接信号检测与解调装置。本发明有效屏蔽了Bragg光栅对热应力响应的弹光效应，可以单一地进行温度信号的感知和测量，以对炸药熔铸过程的内部温度场变化情况进行连续、多点监测。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种用于测试炸药熔铸成型过程中内部温度分布的测试系统。更具体地说，本发明涉及一种内置于炸药熔铸系统中的连续的、多点分布式的光纤光栅测温系统。

技术背景

温度和温度场是炸药熔铸成型过程及机理规律研究应首要关注和重点把握的问题，是研究和控制炸药结晶凝固过程和异常质量特征形成的主要参量，涉及炸药悬浮液(或熔融液)的温度、凝固过程的温度动态变化、环境温度等，体现为与时间、过程随变的温度和温度场。大量实践表明，温度和温度场广泛关联着炸药熔铸成型机制、成型结构和质量等本质性、基础性问题，它的变化将直接显著影响熔铸炸药成型的基本过程特征与规律，如结晶特性、凝固规律、收缩规律、质量特征、异常形成规律等。若炸药内部温度场不均匀会产生热应力，热应力较大且释放不充分将导致炸药铸件产生裂纹。即使在成型过程中没有形成裂纹，也可能由于存在较大的内部残余应力在使用或贮存过程中容易引起损伤破坏。炸药熔铸过程内层过小的温度梯度会导致生成疏松的柱状或枝状晶区，影响其质量性能和爆轰性能。

因此，在线监测炸药悬浮液的温度、凝固过程的温度动态变化，对提高成形药柱的质量，消除裂纹、缩松等有重要的意义。而且随着炸药熔铸成型技术的发展，以及对成型质量要求的不断提高，急需连续测量炸药凝固成型过程中的冷却温度提供工艺改进的重要信息。但由于炸药的安全性差，至今在线监测炸药熔铸成型温度的技术尚不成熟。

为测试炸药熔体内部的温度变化规律，需要构建一套连续性的测温系统，满足以下几个方面的要求：1）该套测温系统能够连续监测炸药熔体内部的温度变化规律；2）测温精度能达到实际使用要求；3）由于炸药是危险性物质，且在加热状态下，故该套测温系统应满足试验的安全要求。

目前广泛使用的测量炸药熔铸成型过程内部温度的方法是内嵌式热电偶测温法和超声波测温法，均可为各项研究提供基本物理依据。热电偶作为温度传感器具有测量范围广、温度响应快、结构简单、使用方便、受介质影响小的优点。其原理是利用半导体材料之间的热电效应来实现温度的感应、测试。但同时存在在以下问题：1）其传热性质与炸药差别大，对被测对象炸药的温度场有一定的影响；2）其测温过程会产生热电效应，在回路中形成电流，而炸药的静电感度较高，不满足测温实验的安全性要求；3）测温精度较低，一般只能达到0.1℃，而多数炸药固/液相转变区间较小，如TNT为78-80℃，DNAN为89-93℃，不能对其结晶温度进行更加精确的测量；4）体积较大，不能对空间具体点的位置进行精确定位，即空间定位精度低。超声测温技术具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、非接触式的优点，也被用于炸药熔铸过程的温度监测。其原理是利用超声波传播速度与炸药温度的单值函数关系来实现炸药内部温度场的测量。但也存在以下不足：1）其敏感材料具有高温脆性，故较难选取；2）声波信号随温度升高而衰减，故超声测温精度在高温下较差；3）声波信号易受外界干扰，导致检测曲线出现线性漂移，即抗干扰能力差。

鉴于热电偶和超声波测温法在炸药熔铸过程中应用时出现的这些问题，国内外目前对炸药熔铸过程的温度监测方法展开了研究，其焦点是高响应速度、高精确度、高测温范围、能应用于炸药的温度传感技术，其中光纤光栅测温技术具有很明显的优势。

光纤光栅测温技术是伴随着通信技术即光纤的发展而迅速发展起来的，是一门比较新的技术。其基本原理是利用对光栅中心反射波长移动的探测，间接地感应并测量温度，具有其独特的优点：1）精度高，其传感过程是通过外界参量对光栅中心波长的调制来获取传感信息，可避免传感器中各种光强起伏对测量精度的干扰；2）抗干扰能力强，其测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗和探测仪器老化等因素的影响；3）可进行多点、实时测温，可设置多个光纤光栅构成分布式传感点并组成分布式传感网络，在大范围内对多点同时进行测温；4）体积小、位置精度高，易埋入或嵌入被测材料中对其内部温度进行高分辨率和大范围测量；5）对被测介质影响小，因光纤纤维具有非传导性，对介质的温度场影响微小。基于以上众多优点，此技术被广泛应用于石油化工等易燃、易爆行业的测温；大型复合材料和混凝土结构的健康监测；热电厂、仓库堆放材料的温度变化的检测；核工业、电力等行业强电磁干扰场合的温度检测；森林火灾探测报警系统等等。

但光纤光栅测温技术在熔铸炸药领域内的应用还存在亟待解决的问题，即光栅对温度和应力交叉敏感的传感特性。熔铸炸药凝固前后的相变及温度降会引起炸药材料热应力的积累，光栅传感器被埋入炸药内部，会不可避免的、同时地对温度和热应力作出响应，即温度和应力都会引起光栅反射波中心波长的漂移，导致测量结果出现偏差。另外，炸药熔铸过程的热应力引起的弹光效应也会对测温造成影响。

为解决温度和应变交叉敏感问题，特别是测温时存在的固液相转变过程的影响，一般都对Bragg光栅敏感区进行简单的封装。传统的封装效果见图1，在带有聚酰亚胺涂层6的光纤5上套有一段毛细钢管4，毛细钢管4两端口用环氧树脂2封住，将Bragg光栅7固定在中空的毛细钢管4中部轴心位置，再用一个钢质外壳8完全包裹毛细钢管4于中心处，两者间的间隙用环氧树脂2充填。但此种结构仍存在以下不足，1）Bragg光栅与被测介质间主要通过热导率低的环氧树脂进行传热，存在一定的温度滞后；2）钢质套管内填充的环氧树脂对裸光纤粘接强度大，其随温度变化的热膨胀会对光纤产生拉/压应力，进而使毛细钢管内的光栅反射波长产生额外偏移；3）外部光纤虽涂有聚酰亚胺涂层，但受炸药固化过程、固化后的积累热应力影响，可能产生变形或被拉断。

发明内容

本发明的目的是提供一种炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统，该系统对光纤Bragg光栅传统的封装结构进行改进，并组成分布式网络传感器阵列应用于炸药熔铸系统，以对炸药熔铸过程的内部温度场变化情况进行连续性的、多位置点的监测。

本发明所要解决的技术问题是将Bragg光栅对热应力响应的弹光效应进行有效屏蔽，单一地进行温度信号的感知和测量，以使光纤光栅测温技术能够在熔铸炸药领域得以应用。

为实现上述目的，本发明的炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统由光纤Bragg光栅传感器阵列、信号检测与解调装置、服务与监控装置和炸药熔铸装置四部分组成，所述炸药熔铸装置用于实施炸药熔铸成型；所述光纤Bragg光栅传感器阵列由其上设置若干个光栅传感器的光纤呈“S”形排列构成，固定于炸药熔铸装置内的1/2中轴面上，其中光纤上的光栅传感器间隔一定距离设置，并呈阵列分布，用于测量炸药熔铸装置内多点温度并输出光信号；所述信号检测与解调装置位于炸药熔铸装置外，与所述光纤连接，用于测量光波并转换成温度信号；所述服务与监控装置电路连接信号检测与解调装置，用于实现远程控制与显示。

其中，所述的光栅传感器由Bragg光栅、毛细钢管和钢质外壳构成，所述Bragg光栅包裹在毛细钢管内，并以703胶填充Bragg光栅与毛细钢管之间的间隙，将Bragg光栅固定在毛细钢管的轴心处，在毛细钢管的外面包裹有钢质外壳作为保护壳，钢质外壳两端填充环氧树脂，将毛细钢管粘接固定在钢质外壳的正中心，并固定位于毛细钢管外的光纤，在钢质外壳中段与毛细钢管之间的空隙内填充有热载体油。

进而，本发明在所述光纤的涂层外包裹有聚四氟乙烯包层。

本发明中，所述的光栅传感器作为一种综合性能优良的新型温度传感器，是通过检测并解调Bragg光栅中入射光波中心波长的变化来间接地测量温度。

本发明首先对光纤Bragg光栅传统的封装结构进行了改进，改进结构以热载体油作为主传热介质，由毛细钢管-703胶-Bragg光栅嵌套结构形成热响应区域，钢质外壳作为传感器保护层，聚四氟乙烯包层作为光纤保护层，最后以环氧树脂粘结并固定内层嵌套结构、钢质外壳和聚四氟乙烯包层。改进结构可以解决炸药熔铸过程中液相向固相转变时产生的内部热应力导致Bragg光栅中心波长偏移的敏感问题，仅对温度作出响应，且抗干扰能力强。

改进后的光栅传感器与传统光纤光栅封装结构比较，具有以下优点：1）以粘结强度小、塑性较好的703胶填充Bragg光栅与毛细钢管之间的间隙，能够缓冲因毛细钢管热变形产生的针对Bragg光栅的径向应力；2）减小了环氧树脂与裸光纤部分的接触面积，缓解了由于环氧树脂热膨胀和强粘结性对光纤的拉伸、压缩，同时在光纤上包覆聚四氟乙烯包层，并与钢质外壳粘接连成一体，能够更有效地减小炸药固化时的轴向拉伸应力；3）在钢质外壳中段与毛细钢管之间空隙内填充比热小、热导率高的热载体油，缩短了Bragg光栅对温度的响应延迟时间；4）以聚四氟乙烯包覆裸露于炸药中的光纤，减小了炸药凝固时收缩应力对光纤的影响。

本发明继而对光栅传感器的连接方式和空间分布进行了合理的设计、布置，考虑到径向传热的对称性，只需药将光栅传感器分布在熔铸装置内1/2中轴面即可；将多个光栅传感器单元由一根光纤串联，呈“S”形固定在半“圭”字型支架上构成空间阵列，形成多点分布式网络内置于炸药熔铸装置中，能够反映出炸药熔铸成型过程中内部温度的多点分布情况，结构简洁、对温度场影响小。本发明同时在传感器阵列的顶部、底部均需预留一定空间，以减小炸药凝固收缩、光纤压应力对测试过程的影响，从而较全面地监测炸药熔铸过程中炸药熔铸装置内部的温度空间分布信息。实现了实时、动态监测熔铸炸药内部温度演化规律，即可实现连续性测温。

本发明测试系统所使用的信号检测与解调装置优选FBG-3000型光纤传感测量仪，其主要功能是实现多通道光纤光栅波长的测量，物理量的测量（即将波长转换成温度），分析光谱，EFPI腔长的测量，Bragg光栅波长与光谱的远程传送，数据的显示与回放。

本发明测试系统所采用的服务与监控装置包括系统配置软件和显示器，其功能主要是为数据采集处理软件提供运行平台、实行远程显示与控制。

本发明的炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统在光纤Bragg光栅一般应用的基础上，对其封装结构进行改进，并将多个改进后的光栅传感器组成多点分布式阵列网络，固定、内置于炸药熔铸装置中，连续采集炸药熔铸过程多个分布点的温度数据并以宽带光信号输出至信号检测与解调装置，实现Bragg光栅波长的测量及将波长转换成温度。本发明的测试系统有效屏蔽了Bragg光栅对热应力响应的弹光效应，能够单一地进行温度信号的感知和测量，以测试其温度场的演变规律，适用于炸药熔铸过程温度分布的连续、多点分布式测量，具有精度高、安全性好、连续性好、抗干扰能力强的特点，在熔铸炸药领域得到了很好的应用。

附图说明

图1是现有光栅传感器的封装结构示意图。

图2是本发明光栅传感器的封装结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B-B剖视图。

图5是图2的C-C剖视图。

图6是本发明炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统的结构图。

图7是图6中光纤Bragg光栅传感器阵列的空间分布图。

图8是在光纤Bragg光栅传感器阵列中1号位置分别使用本发明光栅传感器、传统光栅传感器与参考温度计测量的温度—时间曲线比较图。

图9是在光纤Bragg光栅传感器阵列中2号位置分别使用本发明光栅传感器、传统光栅传感器与参考温度计测量的温度—时间曲线比较图。

图10是在光纤Bragg光栅传感器阵列中3号位置分别使用本发明光栅传感器、传统光栅传感器与参考温度计测量的温度—时间曲线比较图。

具体实施方式

本发明所涉及的炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统分为四部分：光纤Bragg光栅传感器阵列10，信号检测与解调装置30，服务与监控装置40和炸药熔铸装置20。该系统总体构架如图6。

所述炸药熔铸装置20由模具、工艺盖、保温冒口和模具内的炸药组成，主要功能是实现炸药的熔铸成型和放置光纤Bragg光栅传感器阵列10，以实现温度的监测。所述光纤Bragg光栅传感器阵列10由一根光纤将若干个光栅传感器单元串联在一起，并呈“S”形排列成阵列，用于测量炸药熔铸装置20内多点温度并输出光信号。所述信号检测与解调装置30为FBG-3000型光纤传感测量仪，位于炸药熔铸装置20外，并与光纤Bragg光栅传感器阵列10的光纤连接，功能包括实现多通道光纤光栅波长的测量、物理量的测量(即将波长转换成温度)、分析光谱、EFPI腔长的测量、光纤光栅波长与光谱的远程传送以及数据的显示与回放。所述服务与监控装置40包括系统配置软件和显示器，同信号检测与解调装置30电路连接，为数据采集处理软件提供运行平台，用于实现远程控制与显示。

考虑到径向传热的对称性，光纤Bragg光栅传感器阵列10只需要分布在炸药熔铸装置20内1/2中轴面即可。图7给出了光纤Bragg光栅传感器阵列10在炸药熔铸装置20内的具体空间分布图。在一条光纤12上间隔一定距离设置一个光栅传感器11，共设置20个。用2mm的钢条焊接成一个半“圭”字型的支架13，将光纤12成“S”形固定在支架13上，使20个光栅传感器11以4×5的阵列排列，传感器纵向间距为80mm、100mm、100mm、80mm，横向间距16mm，光栅传感器11与支架13接触部位用尼龙线缠绕固定，构成光纤Bragg光栅传感器阵列10。将光纤Bragg光栅传感器阵列10放置在炸药熔铸装置20中，阵列的顶部、底部均预留20mm的空间，以减小炸药凝固收缩、光纤压应力对测试过程的影响。

光栅传感器11的结构如图2所示。首先，在光纤5的聚酰亚胺涂层6外包覆上一层强度较高、耐热性好的聚四氟乙烯包层1。考虑到光栅传感器需要较快的热响应速率，将光纤5上直径0.2mm的Bragg光栅7部分用直径0.6mm的毛细钢管4包裹形成夹层结构，并将两层间隙用粘接强度较低的703胶9填充，将Bragg光栅7固定在毛细钢管4的轴心处。选用长2mm、壁厚0.2mm的钢管作为前述夹层结构的钢质外壳8，钢质外壳8与前述夹层结构之间用粘接强度高的环氧树脂2在两端处进行粘接。由于环氧树脂在固化过程中会有空气泡夹入，导致粘接强度不均匀、比热较高，所以其作用只是固定Bragg光栅—毛细钢管结构于钢质外壳8正中心，不能作为传热介质，另外选用热载体油3(GB/T4016-83)填充在钢质外壳8与毛细钢管4之间。热载体油比热小、热导率高的特性适合作为传热介质。光纤5上的聚四氟乙烯包层1深入至钢质外壳8内，与环氧树脂2接触、固定。图3、图4、图5分别给出了图2中光栅传感器11的A-A剖视图、B-B剖视图和C-C剖视图。

上述光栅传感器11的封装结构具有下述结构合理性：1）粘结强度小、塑性较好的703胶能缓冲因毛细钢管变形产生的径向应力；2）环氧树脂与光纤接触面积小，减小了因其热膨胀和强粘结性对光纤的拉伸、压缩，且将聚四氟乙烯包层与钢质外壳粘接连成一体，更有效地减小了炸药固化时沿轴向的拉伸应力；3）比热小、热导率高的热载体油缩短了Bragg光栅对温度的响应延迟时间；4）在裸露于炸药中的光纤上包覆聚四氟乙烯包层，减小了炸药凝固时收缩应力对光纤的影响。

炸药熔铸成型过程内部温度分布测试系统的工作过程为：1）按照图6安装测试系统各组件，运行FS-3000软件系统，熔化炸药待浇铸。2）选择单通道测量模式，对串联的各个Bragg光栅进行常温标定（初始温度与初始波长），并在参数配置中设定比例因子。3）浇铸炸药熔体至模具内，同时在软件系统中开始计时，以一定时间步长采集数据。4）待炸药冷却至常温后结束实验，回放数据，缓慢加热熔化炸药后拆卸Bragg光栅。

事先在模具内轴心位置固定好两组光纤Bragg光栅传感器阵列，其中一组采用图1所示普通封装结构的光栅传感器，另一组采用图2所示的改进结构的光栅传感器。每组阵列各设置有3个Bragg光栅，其中底部、中部和顶部分别为1、2和3号位置。两组中同一水平位置的两个Bragg光栅尽量接近。为对比Bragg光栅的测温效果，在每个测温位置附近固定有温度计。

采用管道蒸汽将载体炸药加热至120℃，加入固相颗粒，混均后注入到模具中，待炸药浇铸完即开始计时，Bragg光栅与温度计的数据采集频率3次/min，绘制出每个Bragg光栅与其参照温度计的温度变化情况如图8、图9和图10。

由三幅温度—时间曲线比较图可以看出，随着温度的下降，普通封装结构的Bragg光栅测温效果受到积累热应力影响越来越大，而改进结构的光纤Bragg光栅测试效果较接近实际。故本发明改进后的光纤Bragg光栅封装、串联结构可以有效地对存在固化过程的熔铸炸药温度场进行测试、分析。