Page 46 - 《爆炸与冲击》2025年第5期
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第 45 卷             黄晨瑞，等： 高速冲击下混凝土动力学性质和动态温度研究                                  第 5 期

               2    试验设备及原理


               2.1    高速红外测温系统

               2.1.1    红外测温原理
                   红外测温的基本原理是依据描述被测物体辐射能与其绝对温度关系的斯特藩-玻耳兹曼定理                                          [46] ，利
               用红外传感器捕捉被测物发出的红外辐射，并根据下式计算出物体的温度                                 [47] ：
                                                            
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                                                             P(T)
                                                       T =                                              (1)
                                                              γη
               式中：T  为被测物体热力学温度；P（T）表示被测物体温度为Ｔ时，单位时间内从被测物体单位面积上辐
               射出的总辐射能，称为总辐射度；γ              为斯特藩-玻耳兹曼常量；η 为被测物体发射率。

               2.1.2    高速红外测温系统搭建
                   高速红外测温系统响应频率能够达到                  1 MHz，能够实现微秒级温度测量，其主要组成部分包括：光
               学系统、红外探测器、前置放大器、激光器件、动态数字信号采集仪。
                   光学系统采用单镀金抛物面反射镜，材料为                    6061-T6  铝合金，镜面经过黄金镀膜后对             2～14 µm  红外
               光的反射率均达到        95%  以上，以达到聚光的效果。
                   红外探测器为       InfraRed Associates Inc  定制的光生伏特型      HgCdTe  探测器，为了降低热噪声，采用
               77 K  液氮进行冷却。探测器的接受窗口采用                 ZnSe 窗片，可以有效透过         2～14 µm  波段的红外光，该探测
               器具有   1 mm×1 mm  的光敏面积，响应时间为           0.5 µs，标准包装型号为       MDL-12。
                   当试件受到快速冲击而发生瞬态温升时，其表面会辐射出较多的红外光，这些红外光通过反射镜聚
               集到红外探测器的接收窗口上，红外探测器将光信号转化为电流信号。由于电流信号比较微弱，所以在
               探测器与    ADC  接口之间接入前置放大器            MCT-1000，最后由动态数字信号采集仪进行实时监测。

               2.1.3    高速红外测温系统校准及标定
                   由于不同材料的发射率不相同，因此在试
               验  前  对  高  速  红  外  测  温  系  统  进  行  光  路  校  准  和  材
                                                                         Infrared laser
               料标定。激光器件作为矫正光源，能够提供稳
               定  、 集  中  的  红  外  光  。  如  图  2  所  示  ， 通  过  分  光  镜
               将水平红外光分成水平向右的光路和水平向左                             Concave mirror
               的光路，水平向右的光路用于标定镜面反射后
               的探测器位置，水平向左的光路用于标定试样                                      Spectroscope
               位置。                                                                          HgCdTe detector
                   红  外  探  测  器  的  标  定  对  精  确  测  温  非  常  重  要  ，  Analyte
               有必要准确校准待测物温度与红外测温系统输
                                                                           图 2    光路校准示意图
               出电压之间的关系。根据            Zehnder 等 [48]  的研究，
                                                                 Fig. 2    Schematic diagram of optical path calibration
               由于难以确定发射率以及探测器接收的辐射占
               样品总辐射的比例，而且混凝土内部结构和空隙会影响混凝土升温情况，在受冲击加载时，混凝土中存
               在气体逸出、吸热效应及破碎产生的摩擦效应，导致各部分温度各不相同，用简单的数学表达式难以准
               确描述其规律，因此采用试验的方法进行标定。其中前置放大器                              MCT-1000  具有显著的信号增强能力，
               可实现对电压       1 000  倍的高增益放大，但由于前置放大器的隔直流作用，静标时需要在红外探测器前方
               放置斩波器，如图       3  所示。
                   为实现对     SPFRC  试样温度的标定，设计了           5  种不同含量的     SPFRC  试样，同时在烘箱加热至不同温
               度，采用德力西       DM-5005  测温枪和高速红外测温系统对               SPFRC  试样进行测温，其测温枪测温范围在
               −50～900 ℃，分辨率     0.1 ℃，测量精度±1.5%。




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