王馨晨 ，张一中 ，韦学勇 ，张国栋 ，张文超

(1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

0 引言

火工品是一种在较小的外界能量刺激作用下燃烧或爆炸，完成点火、传火、起爆等功能的元件[1]。燃烧温度不仅是表征火工品输出性能的重要指标，而且也可以为改善火工品提供试验依据。微尺度燃烧温度的测量是一个亟需解决的问题。目前，火工品温度的测试方法主要有原子双谱线法、多光谱法和比色法。这些方法不适用于温度场的测量。而电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)具有非接触、高灵敏度、信号失真小等优点，因而在高温检测领域得到了广泛的应用[2-6]。其基本原理就是获得经过图像处理的红、绿、蓝值，每一个值对应一个温度[7]。

本文搭建了CCD燃烧温度场测试系统，将三基色原理应用于火工品燃烧温度场的测试。

1 三基色测温原理

热力学温度为T的非黑体的光谱辐射亮度可由普朗克公式得出[8-10]:

(1)

式中：ε(λ,T)为光谱发射率；C1为普朗克第一常数，C1≈3.742×10-16mK;C2为普朗克第二常数,C2≈1.438 8×10-2mK；T为温度，K；λ为波长，m；L(λ,T) 为光谱辐射亮度，W/(m3sr)。

当λT<1时,式(1)可简化为:

(2)

由非黑体的维恩公式可得非黑体的三基色测温公式:

(3)

图像传感器三基色值理论公式分别为:

(4)

(5)

(6)

式中:η为电流与三基色值转换系数；μ为光电转换系；t为曝光时间，s；λ1、λ2为互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)传感器感光的波长上下限。

CMOS光谱响应特性曲线如图1所示。

图1 CMOS光谱响应特性曲线

近似认为，物体的发射率在波长上下限λ1、λ2内线性变化，即:

ε(λg,T)=ε(λr,T)+Δε(λr,T)=ε(λb,T)-Δε(λb,T)

(7)

忽……