爆炸瞬变温度场中目标物体热剂量测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了爆炸瞬变温度场中目标物体热剂量测量装置及测量方法，目的是解决现有测量装置和方法中存在的易受电磁干扰、系统复杂、需电测设备辅助、精度不足的缺点。装置由密封壳体、受热面板、n3根导热金属管、绝热构件4、n3根形状记忆合金弹簧组成。形状记忆合金弹簧采用单程形状记忆合金制备。本发明利用形状记忆合金弹簧热变形特性将热效应中的热剂量参数定量转化为弹簧变形量，实现对爆炸热效应的快速定量测量。该测量装置结构简单、成本低且可重复使用、抗电磁干扰能力强、结果后处理方便、测量精度高、可用于不同地域条件下瞬变温度场快速定量测量，为温度场热剂量测量提供一种新的参考选择。

说明书

技术领域

本发明属于温度检测领域，涉及一种物体目标在瞬变温度场中受热测量装置。更具体的，涉及一种利用记忆合金弹簧热变形特性对物体目标在爆炸温度场中热剂量进行检测的测量装置。

背景技术

常规炸药爆炸的毁伤效应主要有冲击波超压、爆炸产物以及热效应等。目前，国内外针对凝聚相炸药研究的重点是冲击波毁伤效应以及破片损伤，但对高能凝聚相炸药爆炸后产生热辐射作用的研究较少。造成这一现象的原因有以下两个方面：一是冲击波有效作用范围比热辐射作用距离大；二是由于凝聚相炸药反应的时间极短，相应的热作用没有累积效应，无法产生热辐射毁伤，测试条件恶劣，测试手段受环境影响较大，难以进行可行测试。现有热效应毁伤准则有热通量准则、热剂量准则以及热通量-热剂量准则，由于爆炸瞬态温度场热效应作用时间短，因此采用热剂量准则进行热效应毁伤评估更为合理。

目前，爆炸温度场热剂量测量装置主要为电学传感器，包括光纤测温传感器、荧光测温传感器、热电偶测温传感器等，具有易受冲击波损坏、测温系统布设复杂、受环境条件影响(例如光源、空气密度等环境条件)等缺点。

对应于现有热剂量测温装置，爆炸温度场热剂量测试方法主要为电学传感器对温度场参数进行测量，在计算分析得到爆炸温度场特点，按照传感器与温度场接触特点，电学传感器测温方法分为两种：接触测温法和非接触测温法。

接触测温法是指利用热电偶进行测温，热电偶测温过程中，需要传感器直接接触目标，传感器产生热传导，根据热力学平衡定律，冷端和热端达到平衡时，检测元件输出电信号。接触法测温方法主要运用的是热传导和热交换，由热力学第一定律得到，达到热平衡时检测元件的温度就可以看作被测介质的温度。由于需要接触待测物体，在瞬变高温测试中，热电偶易受电磁干扰，且对于爆炸温度场，热电偶还无法实现抗冲击波破坏。

非接触测温法方法主要为红外辐射测温，根据红外辐射基本定律的原理对温度进行测量。爆炸产生的火球向四周发射的红外辐射携带温度信息，与火球表面自身的温度存在着精确的定量关系，可通过红外辐射基本定律推导。通过测量火球发射的红外辐射能量，能够准确计算出火球的实际温度及其温度场分布，从而进一步分析其热毁伤效应。但是测量结果受被测目标发射率影响而无法测得真实温度，而且无法测量高温空气等透明物体，且存在测量系统建设成本高、需要使用光源进行主动测量，这样会增加测试复杂程度，且对环境条件要求高。

综上所述，现有爆炸温度场热剂量电学测温方法至少存在如下技术问题：

1.接触测温法中现有电测传感器法存在易受干扰、测试系统成本高、测量后处理程序繁琐、安装过程和传感器自身影响测试结果等难题。

2.非接触测温法中受环境、待测目标发射率影响较大，且存在测量系统建设成本高、需要使用光源进行主动测量(增加测试复杂程度和环境条件)。

形状记忆合金是一种具有超弹性、高阻尼特性、线电阻特性(形状记忆合金电阻和温度呈线性关系)的新型材料，其弹性模量与温度变化呈现正相关性质。按其加热变形特征，形状记忆合金可分为三类：(1)单程记忆合金。指合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前形状。这种只在加热过程中存在记忆效应的合金称为单程记忆合金。(2)双程记忆合金。指合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，称为双程记忆合金。(3)全程记忆合金。合金在加热时恢复高温相形状，冷却时变成形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆合金。

单程形状记忆合金弹簧在温度场中响应速度快，受热变形与温度变化具有定量关系，设计不同材料成分，不同奥氏体温度、不同弹簧尺寸可以得到多种温度-形变曲线，以便于制作不同量程、不同灵敏度系数的记忆合金热通量传感器，形状记忆合金弹簧由形状记忆合金丝制作而成，因此两者具有相同的热变形情况。根据已有文献数据，形状记忆合金弹簧变形与温度存在定量关系，并根据热剂量与温度之间的函数关系反推得到热效应参数热剂量。目前尚无公开文献涉及采用形状记忆合金弹簧制作爆炸瞬变温度场中目标物体热剂量测量装置的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种爆炸瞬变温度场中目标物体热剂量测量装置及测量方法，该测量装置基于形状记忆合金热变形特性，解决现有测量装置和测量方法中存在的易受电磁干扰、测试系统复杂等难题和需电测设备辅助测试、测试精度不足的缺点。该测量装置结构简单、成本低且可重复使用、抗电磁干扰能力强、结果后处理方便、测量精度高、可用于不同地域条件下瞬变温度场快速定量测量，为温度场热剂量测量提供一种新的参考选择。

技术方案是：结合爆炸热效应特点，本发明选用单程形状记忆合金作为热剂量传感器的核心构件。由于线状记忆合金丝的伸缩范围有限，不利于爆炸温度场中的高温环境，因此本发明采用记忆合金弹簧作为装置的敏感元件，扩大伸缩范围，进而扩大热剂量传感器测定量程。本发明利用形状记忆合金弹簧热变形特性将热效应中的热剂量参数定量转化为弹簧变形量，从而实现对爆炸热效应的快速定量测量。此外，单程形状记忆合金弹簧受热变形后结构稳定，爆炸温度场消散后不会回弹，便于测定变形长度，且可重复性利用，节约试验成本，非常适用于需要回收的测量爆炸温度场特性的无源传感器。

本发明爆炸瞬变温度场中物体热剂量测量装置由密封壳体、受热面板、n

密封壳体用于装载形状记忆合金弹簧、受热面板、导热金属管、绝热构件，为长方体型，长度L

受热面板用于接收传感器上表面传导的瞬态温度场热流，形状为矩形，覆盖在导热金属管上表面，其长度L

导热金属管用于装载和固定记忆合金弹簧，为薄壁空心方形金属管，其长度L

绝热构件用于隔绝相邻导热金属管之间温度场相互影响，避免带来测量误差，绝热构件分布于相邻导热金属管间隔部位和导热金属管底部与外壳底部之间。分布于相邻导热金属管间隔部位的矩形块称为第一绝热构件，分布于导热金属管底部与外壳底部之间的方形板称为第二绝热构件。第一绝热构件尺寸设计要求：长度L

形状记忆合金弹簧采用单程记忆合金制备，用于转换温度场参数为弹簧形变，形状记忆合金弹簧直径D

整体装置安装顺序是:(1)保证记忆合金弹簧伸缩方向和导热金属管长度方向一致，并放置于导热金属管内部；(2)将绝热构件沿长度方向同轴放置于密封壳体内部；并将导热金属管放置于第一绝热构件的间隔空隙；然后将受热面板覆盖在导热金属管和第一绝热构件上表面。

采用本发明测量装置进行爆炸瞬态温度场热剂量测量的方法是：

第一步，测量准备：

1.1检查测量装置构件之间连接接触情况，确保受热面板、导热金属管、绝热构件紧密接触，确保形状记忆合金弹簧与导热金属管内壁紧密接触，确保受热面板、绝热构件、密封壳体彼此紧密接触。形状记忆合金弹簧和导热金属管内壁是否紧密接触可以通过控制形状记忆合金弹簧直径D

1.2将测量装置布置在待测爆炸瞬态温度场中任意位置，并测量炸药中心与装置受热面板的垂直距离L，受热面板用于接收爆炸瞬态温度场热流。

1.3测定形状记忆合金弹簧原始温度T

1.4测量n

第二步，采用测量装置对瞬态温度场热剂量进行测量，方法是：

2.1炸药在爆炸点发生爆炸，形成热效应并向外传播，热流到达受热面板表面时，温度场热流通过受热面板和导热金属管进行定量热效应衰减，衰减后的热效应作用于形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧发生规律性受热收缩变形。

2.2爆炸冲击后取出所有形状记忆合金弹簧，取出时应保证形状记忆合金弹簧不受外力影响产生二次变形，记录并得到n

2.3根据δ和温度T

0＝A

Q＝cm(T

式中，δ为n

因此根据形状记忆合金弹簧收缩形变量平均值δ可以计算得到其感受热剂量为Q。

第三步，实验结束后对取出后的形状记忆合金弹簧进行直接加热实现形状恢复，并于常温下拉伸至L

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供的基于形状记忆合金的热效应测量装置，利用单向形状记忆合金变形特性和所感受温度之间的定量关系，可以反演不同物体在爆炸瞬态温度场中的受热情况。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过测量记忆合金弹簧收缩变形量平均值δ，结合公式(1)～(2)可以得到爆炸温度场在测温装置处热剂量Q，完成爆炸瞬态温度场热剂量的快速定量测量。

2.本发明的记忆合金弹簧可以采用不同相变温度T

3.本发明具有结构简单、无需供电、布设使用方便、结果后处理简单、使用成本低且可重复使用等优点。

附图说明

图1是本发明测量装置总体结构示意图；

图2是本发明测量装置正视图；

图3是本发明测量装置侧视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明爆炸瞬变温度场中物体热剂量测量装置由密封壳体1、受热面板2、n

结合图2和图3所示，密封壳体1用于装载形状记忆合金弹簧5、受热面板2、导热金属管3、绝热构件4，为长方体型，长度L

结合图2和图3所示，受热面板2用于接收传感器上表面传导的瞬态温度场热流，形状为矩形，覆盖在导热金属管3上表面，其长度L

结合图2和图3所示，导热金属管3用于装载和固定记忆合金弹簧，为薄壁空心方形金属管，其长度L

结合图2和图3所示，绝热构件4用于隔绝相邻导热金属管3之间温度场相互影响，避免带来测量误差，绝热构件4分布于相邻导热金属管3间隔部位和导热金属管3底部与外壳1底部之间。分布于相邻导热金属管3间隔部位的矩形块称为第一绝热构件41，分布于导热金属管3底部与外壳1底部之间的方形板称为第二绝热构件42。第一绝热构件41尺寸设计要求：长度L

结合图2和图3所示，形状记忆合金弹簧5采用单程记忆合金制备，用于转换温度场参数为弹簧形变，形状记忆合金弹簧5直径D

采用图1所示的本发明测量装置进行爆炸瞬态温度场热剂量测量的方法是：

第一步，测量准备：

1.1检查测量装置构件之间连接接触情况，确保受热面板2、导热金属管3、绝热构件4紧密接触，确保形状记忆合金弹簧5与导热金属管3内壁紧密接触，确保受热面板2、绝热构件4、密封壳体1彼此紧密接触。形状记忆合金弹簧5和导热金属管3内壁是否紧密接触可以通过控制形状记忆合金弹簧5直径D

1.2将测量装置布置在待测爆炸瞬态温度场中任意位置，并测量炸药6中心与装置受热面板2的垂直距离L，受热面板2用于接收爆炸瞬态温度场热流。

1.3测定形状记忆合金弹簧5原始温度T

1.4测量n

第二步，采用测量装置对瞬态温度场热剂量进行测量，方法是：

2.1炸药6在爆炸点发生爆炸，形成热效应并向外传播，热流到达受热面板2表面时，温度场热流通过受热面板2和导热金属管3进行定量热效应衰减，衰减后的热效应作用于形状记忆合金弹簧5，形状记忆合金弹簧5发生规律性受热收缩变形。

2.2爆炸冲击后取出所有形状记忆合金弹簧5，取出时应保证形状记忆合金弹簧5不受外力影响产生二次变形，记录并得到n

2.3根据δ和温度T

0＝A

Q＝cm(T

式中，δ为n

因此根据记忆合金弹簧5收缩形变量平均值δ可以计算得到其感受热剂量为Q。

第三步，实验结束后对取出后的形状记忆合金弹簧5进行直接加热实现形状恢复，并于常温下拉伸至L