一种爆炸场用热流密度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种热流密度传感器，它适用于温压/云爆炸药爆炸场高温高压环境，用于测量爆炸场指定距离处的热流密度。

背景技术

温压/云爆炸药在密闭空间内爆炸时，产生的热量高于传统炸药，在密闭空间内热量不易散失，产生的冲击波由于反射作用而得到加强，因此，温压/云爆炸药特别适合于杀伤密闭空间内的目标。目前，世界各军事强国纷纷展开温压/云爆炸药毁伤效应的研究。获取温压/云爆炸药的热流密度曲线，结合目标的热物性数据，就可以对目标的热毁伤情况进行评估。因此，准确测量温压/云爆炸药的热流密度曲线具有特别重要的意义。

1kg温压/云爆炸药爆炸时，爆炸场内热流密度数量级常常高于10⁶w/m²，热流作用时间短（几十至几百ms数量级），爆炸时还伴随巨大的冲击波超压，因此，爆炸场内的热流密度传感器必须具有较强的抗冲击能力，响应时间短，测量上限高等特点。传统的圆箔式热流密度传感器测量上限受到铜箔厚度和紫铜热沉体的限制，热阻式热流密度传感器在测量上限较高时需要通水冷却，这些缺点使它们难以满足爆炸场的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种爆炸场用热流密度传感器，该传感器适用于温压/云爆炸药爆炸环境，能耐瞬态高温高压作用，而且传感器制作简单、结构强度高、响应时间短。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种爆炸场用热流密度传感器，包括信号线，

该传感器还包括安装板，在安装板中心开设有通孔，安装板上表面加工有圆形凹槽，凹槽中固结有外径和凹槽直径相同的热平衡铜环；

通孔上方的凹槽中固结有一个圆盘形的量热块，量热块的直径大于通孔的直径且小于热平衡铜环的中心孔直径，量热块与热平衡铜环之间设置绝热材料；在量热块下方设置有一对热电偶丝，两个热电偶丝的上端分别固结在量热块下表面中心处和下表面边缘处，两个热电偶丝的下端均穿出通孔，并分别固结有所述的信号线；

通孔、凹槽、热平衡铜环和量热块同轴心线设置。

进一步地，所述的通孔下方设置有覆盖通孔下端面的隔离胶布，安装板下表面上设置有用于安装该传感器的粘接胶，粘接胶位于隔离胶布的下部。

进一步地，所述的量热块下表面中心处固结的热电偶丝为铜镍热电偶丝，量热块下表面边缘处固结的热电偶丝为铜热电偶丝。

优选地，所述的铜镍热电偶丝和铜热电偶丝均采用直径为0.2mm的康铜热电偶丝。

进一步地，所述的安装板采用聚酰亚胺材料制成，所述的热平衡铜环和量热块通过聚酰亚胺粘接剂固结在凹槽中。

进一步地，所述的热平衡铜环和量热块为同样的材质，均采用铜制成。

进一步地，所述的量热块的厚度和热平衡铜环的厚度相同，量热块上表面、安装板上表面和热平衡铜环的上表面处于同一平面。

所述的热电偶丝上涂抹有绝缘漆。

进一步地，所述的信号线的外部设置有绝缘套管。

优选地，所述的热电偶丝的上端通过焊接的方式固结在量热块下表面，热电偶丝的下端通过焊接的方式固结信号线。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

（1）结构简单，便于安装；该传感器体积小，使用时仅需通过粘接胶将传感器固定在安装位置上即可；

（2）制作材料容易获取，成本低廉，易于加工；

（3）测量精度高，传感器设计时充分考虑了影响测量误差的诸多因素，将各因素的影响降到最低，经计算，该传感器的测量扩展不确定度小于10%（k＝2）；

（4）能满足爆炸场的使用要求，在测量时间内可保证传感器的正常输出，获取的测量曲线正常。

附图说明

图1是本发明的构剖面结构示意图；

图2是本发明实施例中密闭爆炸罐的示意图；

图3是图2的A-A剖面图；

图4是本发明实施例的硬件结构图；

图5是本发明实施例中量热块的升温曲线；

图6是本发明实施例中量热块的热流密度曲线；

图中标号分别代表：1—热平衡铜环，2—绝热材料，3—量热块，4—热电偶丝，5—安装板，6—聚酰亚胺粘接剂，7—隔离胶布，8—绝缘套管，9—焊接点，10—信号线，11—粘接胶，12—通孔；

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1所示，一种爆炸场用热流密度传感器，包括信号线10；

该传感器还包括安装板5，在安装板5中心开设有通孔12，通孔12的下方设置有覆盖通孔12下端面的隔离胶布7；安装板5上表面加工有圆形凹槽，凹槽中固结有外径和凹槽直径相同的热平衡铜环1；

通孔12上方的凹槽中固结有一个圆盘形的量热块3，量热块3的直径大于通孔12的直径且小于热平衡铜环1的中心孔直径，量热块3与热平衡铜环1之间设置绝热材料2；在量热块3下方设置有一对热电偶丝4，两个热电偶丝4的上端分别固结在量热块3下表面中心处和下表面边缘处，两个热电偶丝4的下端均穿过隔离胶布7和粘接胶11，并分别固结有所述的信号线10；信号线10可通过焊接的方式与热电偶丝4连接；

通孔12、凹槽、热平衡铜环1和量热块3同轴心线设置。

在量热块3下表面中心处固结的热电偶丝4为铜镍热电偶丝，量热块3下表面边缘处固结的热电偶丝4为铜热电偶丝；铜镍热电偶丝和铜热电偶丝均采用直径为0.2mm的康铜热电偶丝；热电偶丝4的上端通过焊接的方式固结在量热块3下表面，焊接处要求平滑牢固，焊接完毕后热电偶丝4能承受一定的拉力。热电偶丝4的下端（参考端）与信号线10焊接于焊接点9处，焊接点9处要求焊接稳固；热电偶丝4表面涂抹绝缘漆保证绝缘性，而信号线10与焊接点9外设置有绝缘套管8保证该段的绝缘性；该段可根据实际需要适当弯曲。

安装板5下表面上设置有一层用于安装该传感器的粘接胶11，粘接胶11位于隔离胶布7的下部；使用时将该传感器通过粘接胶11粘结在安装点即可；而通孔12下端覆盖的隔离胶布7的作用是保证粘接胶11与测量表面粘结时，胶不会回流到量热块3下表面，以免影响测量结果。

量热块3与热平衡铜环1几何尺寸较小，测量时两者上表面平齐并指向爆心，可认为施加在它们上的热流密度值相同。量热块3为圆饼状，采用和热平衡铜环1相同的高热导率铜制成，并且量热块3和热平衡铜环1的厚度相同、热物性相同，因此两者的温度变化率相同。由于量热块3和热平衡铜环1的初温相同，而量热块3和热平衡铜环1之间还设置有导热率极低的绝热材料2，进一步阻止了热量的传导，可以近似认为量热块3侧向不存在热损失，计算热密度时把量热块3按照一维无限大平板模型来计算。

安装板5采用聚酰亚胺材料制成，而热平衡铜环1和量热块3通过聚酰亚胺粘接剂6固结在凹槽中。由于粘接剂与安装板5材料一致，其热物性参数相同，它们绝热性能较好，减小了由于热传导带来了传感器测量误差。

本发明的热流密度值q通过下式进行计算：

$>q=\mathrm{\rho cl}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}$>

上式中，ρ、c、l和分别代表量热块3的密度、热容、等效厚度和温度变化率。

量热块3的密度、热容随测量温度的变化而变化，热流密度计算时密度和热容通过查阅相关文献获取，结合实验情况取一个固定值。实际上，物体的密度和热容随着温度的变化而变化，在热流测量过程中将密度和热容取固定值必然会带来误差，本传感器已将该误差作为传感器测量不确定的一个来源。l是量热块3的等效厚度，通过量热块3的密度、体积、上表面面积等计算获得：

等效厚度l通过下式计算：

$>l=\frac{V}{S}=\frac{m}{\mathrm{\rho S}}$>

V：量热块的体积，

S：量热块的上表面面积，

m：量热块的质量，

ρ：量热块的密度；

通过测量获取量热块的上表面面积、质量和密度，即可计算量热块的等效厚度。测量本发明中量热块3的上表面面积、质量和密度目前已有成熟的技术。由此计算获取的量热块等效厚度的测量能将量热块3的等效厚度计算带来的不确定度控制在一个很小的范围之内。

由于采用的是等效厚度的概念，大大减小了量热块3的加工精度要求，降低了加工成本，提高了产品生产效率。为量热块3的温度变化率，本传感器利用康铜热电偶获取量热块3下表面的温度曲线，并通过数据处理获取温度变化率曲线。用量热块3下表面温度变化率作为量热块3温度变化率将带来误差，本发明已结合传感器结构特点、热物理理论知识对该温度变化率带来的误差进行理论推导和分析，结果表明，使用本热流密传感器试验时，当采样时间大于10ms时，将量热块3下表面温度变化率作为其平均温度变化率所带来的误差小于0.1%，实际测量时采样时间往往在几百ms以上，因此可忽略由此带来的误差。

本热流密度传感器还综合考虑了空气散热、聚酰亚胺安装板5（粘接剂）散热、绝热涂料散热、热电偶丝4散热、数据处理等诸多因素带来的测量不确定度，经计算，本热流密度传感器的测量扩展不确定度小于10%（k＝2），能满足爆炸场热流密度测量的要求。

实施例：

某1kg温压药利用本发明装置进行爆炸热效应测试，测试是在一个密闭爆炸罐内进行的，如图2、图3所示；A-A剖面处有三个安装盘（CH1、CH2、CH3），A-A剖面中心中为起爆中心，本发明的爆炸场用热流密度传感器粘接在安装盘上，量热块3上表面圆心与爆炸中心之间的距离为1.3米。热流密度传感器采集的温度信息经过放大器、数据采集仪传递给计算机，如图4所示；本实施例中放大器采用TST2202型电压放大器，数据采集仪为美国HBM公司的GENSIS数据采集仪。量热块3温升曲线和热流密度曲线见图5和图6。