余凱凱 ，杜紅棉，馬鐵華

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

爆溫是評(píng)價(jià)炸藥性能的參數(shù)。目前在彈藥毀傷研究領(lǐng)域，主要集中在對(duì)沖擊波和破片作用的研究，而對(duì)熱作用的研究相對(duì)較少[1]，且現(xiàn)行的接觸式瞬態(tài)高溫測(cè)試方法都是基于有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，眾多的線纜不僅使布線復(fù)雜，而且存在著干擾噪聲大、短路、斷線隱患、成本高，以及易老化等缺點(diǎn)，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度[2]。因此，需要迫切研究一種便捷的、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，以滿足測(cè)試智能化、高效率的要求[3]。

無線通信技術(shù)與有線通信技術(shù)相比，具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：首先，無線通信技術(shù)可降低投資成本，支持冗余連接配置，數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)；其次，它具有成熟可靠的系統(tǒng)安全體系，不會(huì)因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預(yù)料的故障；接著，它可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程診斷，具有互操作性等等。尤其是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或者現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的情況下，使用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸則顯得更加實(shí)用、高效、快捷[4-6]。本文就是在靜態(tài)爆轟過程中瞬態(tài)高溫測(cè)試背景下提出的，將存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和新興的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，力圖以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無線化來解決由線纜帶來的諸多問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體原理框圖

無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成：（a）上位機(jī)和無線ZigBee模塊組成的檢測(cè)中心系統(tǒng)；（b）無線ZigBee模塊、Msp430單片機(jī)、光藕、存儲(chǔ)測(cè)試裝置組成的測(cè)試節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)。其中存儲(chǔ)測(cè)試裝置有瞬態(tài)測(cè)溫電路和傳感器兩部分組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式是星形網(wǎng)絡(luò)，因此只需要一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可。整體設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)整體框圖

無線中心傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)發(fā)送設(shè)置參數(shù)、無線觸發(fā)，以及將接收到的數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)界面上。無線終端傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的接收，MSP430單片機(jī)主要是為存儲(chǔ)測(cè)試裝置設(shè)置參數(shù)以及讀取測(cè)試裝置數(shù)據(jù)。測(cè)試裝置主要是存儲(chǔ)瞬態(tài)測(cè)得的數(shù)據(jù)。

1.2 存儲(chǔ)測(cè)試裝置原理框圖

存儲(chǔ)測(cè)試裝置主要由傳感器和記錄儀兩部分組成，存儲(chǔ)測(cè)試裝置是整個(gè)無線存儲(chǔ)式瞬態(tài)測(cè)溫測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)完成瞬態(tài)測(cè)溫信號(hào)的獲取，調(diào)整以及存儲(chǔ)工作。

儲(chǔ)測(cè)試裝置原理框圖見圖2。

圖2 存儲(chǔ)測(cè)試裝置原理框圖

傳感器的作用是將爆炸場(chǎng)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；信號(hào)適配器是將傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?；模?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)波形數(shù)據(jù)采集量化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)波形；地址發(fā)生器產(chǎn)生存儲(chǔ)器讀寫地址；地址鎖存器鎖存記錄數(shù)據(jù)波形的首地址；數(shù)據(jù)讀取控制器主要控制數(shù)據(jù)的讀取轉(zhuǎn)儲(chǔ)；數(shù)據(jù)緩沖器用于數(shù)據(jù)的緩沖輸出；信號(hào)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)的延遲觸發(fā)控制；預(yù)置計(jì)數(shù)器對(duì)測(cè)試信號(hào)的預(yù)觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；電源控制器管理控制系統(tǒng)的電源消耗；采集、存儲(chǔ)控制器是系統(tǒng)的控制中心，控制各部分有效地協(xié)調(diào)工作。I/O口為了防止無線傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤而留的。一旦數(shù)據(jù)無線傳輸有問題，可以通過回收裝置對(duì)裝置重新讀數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)1.5kg 某溫壓彈瞬態(tài)溫度實(shí)驗(yàn)。在瞬態(tài)溫度測(cè)試系統(tǒng)中無線ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的是星形網(wǎng)絡(luò)，主要是保證中心傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)能夠保證測(cè)試系統(tǒng)在相同的時(shí)間內(nèi)接收到。

2.1 測(cè)試方法

無線傳感超壓測(cè)試系統(tǒng)位于III象限，距爆心0.6m和1.5m處各布2個(gè)于彈藥平齊的瞬態(tài)高溫測(cè)試系統(tǒng)。兩個(gè)爆炸起點(diǎn)記錄裝置分別放置在10m和15m處。無線控制平臺(tái)在距爆心100m壕溝的掩體內(nèi)。測(cè)試系統(tǒng)傳感器編號(hào)及布設(shè)位置如圖3。

圖3 1.5kg溫壓彈試驗(yàn)測(cè)溫測(cè)點(diǎn)的布置圖

2.2 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)觀察，1.5kg 溫壓彈爆炸威力不是很大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較規(guī)律；具體統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 測(cè)點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)表

2.3 數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出同距離的測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)間一致，瞬態(tài)溫度峰值基本符合溫度指數(shù)衰減規(guī)律。1#、2#、4#、5#數(shù)據(jù)都較好，沖擊波到達(dá)時(shí)間分別為24.2 ms、25.9 ms、38.2 ms、37.7ms，相同距離的1#、2#，4#、5#一致性較好，在無線ZigBee同步算法誤差范圍之內(nèi)。從上述的數(shù)據(jù)可以很清楚地得到瞬態(tài)溫度到來的時(shí)間點(diǎn)，并且相同距離的裝置，瞬態(tài)溫度到來的時(shí)間是基本相同的。對(duì)瞬態(tài)高溫信號(hào)做出了很好的判斷。測(cè)試節(jié)點(diǎn)越多，越能顯示無線ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)星形組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)也很好的顯示了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，爆炸以后通過無線傳輸傳回來的4#、5#數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 0.6米處溫度曲線

3 結(jié)論

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的沖擊瞬態(tài)高溫系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首次將無線傳感技術(shù)應(yīng)用到大威力爆炸沖擊波場(chǎng)中。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的同步性使沖擊波電路幾乎同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)并且能實(shí)時(shí)得到具體位置的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)，減少了大威力瞬態(tài)高溫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的失誤。較完善的軟硬件設(shè)計(jì)和抗干擾措施, 保證了系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。系統(tǒng)同樣適用于其他爆炸物爆炸壓力等的測(cè)量, 有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1] 李幸.基于熱電偶的爆炸溫度場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[2] 李麗.無線傳輸系統(tǒng)中功率放大電路的設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué),2006.

[3] ZigBeeAlliance.ZigBee-Specifiction[DB/OL].http:// www.ZigBee.org,2006.

[4] ZigBee聯(lián)盟.ZigBee技術(shù)引領(lǐng)無線新生活[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2006.

[5] 王成帥.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)在沖擊波測(cè)試的應(yīng)用研究[D].太原：中北大學(xué),2009.

[6] 崔遜學(xué)，左從菊.無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[7] 王海福.爆炸沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2002.

[8] 祖靜,申湘南,張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),1994(02).