原子发射双谱线测温机理研究

In the fields of aviation, aerospace engines, nuclear industry and chemical explosives test, there are many researches need to measure the transient high temperature, whose characteristics are high temperature, change rapidly and the non-reproducibility. Therefore, the measurement conditions are very harsh and the technology is very difficult. At present, the current temperature measurement techniques and equipments are unable to meet the demands for the high temperature measurement in these fields. As a result, the new transient high temperature measurement method and the special sensor in the adverse environment of transient high temperature and high overload are urgently needed. This project showed the theory and experimental study on the temperature measurement technology of double line of atomic emission spectrum, modeling and simulation of the temperature measurement mechanism, the experimental study by laser induced plasma, analyzing the atomic emission spectrum of chemical elements, and building the scale elements libraries. Using solid-state photomultiplier for the circuit design of photoelectric conversion and signal condition, sensor probe adapting to narrow adverse environment is developed and calibrated by high temperature blackbody furnace. The static sensitivity of the sensor probe is obtained. Research results will provide the basic theory and key technology for the research of high-level and applicable transient high temperature measurement instruments and systems.

在航空航天发动机、核工业和化爆试验中，有许多研究对象需要测量的是瞬态高温，其特点是温度高、变化快、常为不可重复的一次性过程。因此，测量条件非常恶劣，技术难度很高。目前国内现有的温度及温度场测量技术和设备都无法满足这些领域的高温测试需求，所以迫切需要探索新的瞬态高温测试方法，满足瞬态高温、高过载等恶劣环境下特种传感的测试亟需。本项目将对原子发射光谱双谱线测温技术进行理论和实验的深入研究，建模仿真原子发射光谱测温机理，应用激光诱导等离子体技术进行原子发射光谱的实验研究，分析各化学元素原子发射光谱，构建元素库；利用固态光电倍增管进行光电转换及信号调理电路的设计，研制适合狭小恶劣环境中使用的传感器探头；应用高温炉进行传感器静态标定，获得其静态灵敏度。研究成果将为高水平适用化瞬态高温测试仪器和测量系统的研究提供基础理论和关键技术。

针对恶劣环境下的瞬态高温测量，本项目对原子发射光谱双谱线测温法进行了深入的理论和实验研究，利用非接触式测温法响应快、无测温上限的优点对瞬态高温及高温场进行测量。.采用激光诱导击穿光谱技术进行原子发射光谱的研究，研究了化学元素及其化合物由激光激发产生原子发射光谱的机理，分别测得了Cu、Al、Fe、Mg等合金样品中离子、原子发射光谱，分析了激发温度、元素浓度与谱线强度之间的关系。结合化学元素周期表和 NIST元素谱线库，确定了钾、钠、镁、铜、铝等火药中常用温标元素及用于测温的各元素特征谱线。.在上述理论基础上，结合存储测试技术，构建了由光学模块、光电转换模块、数据采集存储模块构成的原子发射双谱线测温传感器探头（下文简称测温传感器探头）。光学模块由蓝宝石窗、Y型光纤、准直透镜及特定波长的窄带滤光片构成，实现谱信号的采集与传输；光电转换模块由硅光电倍增管（SiPM）及其适配电路组成，将光信号转换为电压信号；数据转换与存储装置由单片机及FLASH芯片组成，为内置式测温传感器探头进一步小型化、实用化提供基础。.利用恒温高温箱式炉构建了测温传感器探头在600-1200℃范围内的静态标定系统，并确定了静态标定系数K的值为0.987。氢氧焰机加热铜片模拟真实高温热源，利用静态标定后的测温传感器探头进行温度测量实验，并将实验结果与标准测温仪M5测得的温度作比较，结果显示测温传感器探头最大相对误差为3.2%，验证了原子发射双谱线测温方案的可行性。.项目资助共培养硕士研究生7名，博士研究生2名，已取得博士学位1名，在读1名；已取得硕士学位4名，在读3名；共申请国家发明专利2项，其中已授权1项，受理1项；共发表学术论文共17篇，其中SCI论文5篇（4篇见刊，1篇录用），EI论文4篇，核心期刊8篇；参加国际学术会议15人次，国内学术会议6人次。项目投入经费80万元，支出36.6049万元，各项支出基本与预算相符，结余经费43.3951万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。