張 瑜，張紅艷，裴東興，祖 靜

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.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，山西 太原 030051)

電熱化學(xué)炮主要由高功率脈沖成形網(wǎng)絡(luò)、等離子體發(fā)生器和火炮身管以及觸發(fā)器件等組成，它通過(guò)電能和化學(xué)能相結(jié)合為彈丸提供動(dòng)能，顯著增加炮口動(dòng)能與初速，實(shí)現(xiàn)超高速發(fā)射[1-4]。膛壓測(cè)量對(duì)研究電熱炮的等離子體點(diǎn)火、增強(qiáng)作用至關(guān)重要。電熱化學(xué)炮與傳統(tǒng)火炮膛壓測(cè)量的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，首先，電熱化學(xué)炮以發(fā)射平臺(tái)作為高壓負(fù)極接地端，放電時(shí)引起電位浮動(dòng)會(huì)對(duì)后端的測(cè)試儀器產(chǎn)生破壞，甚至危及人身安全。其次，在工作過(guò)程中，電熱化學(xué)炮炮體帶電，高壓脈沖大電流放電將產(chǎn)生強(qiáng)電磁噪聲，強(qiáng)電磁噪聲信號(hào)以電場(chǎng)、 磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)等多種途徑耦合進(jìn)入測(cè)試線(xiàn)路，形成干擾[5-6]。因此，研究強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下膛壓信號(hào)的獲取及實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)具有很重要的意義。

電熱化學(xué)炮發(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，電磁屏蔽是解決強(qiáng)電磁干擾的重要手段之一[6]，用電磁屏蔽的方法來(lái)解決電磁干擾問(wèn)題的最大好處是不會(huì)影響測(cè)量電路的正常工作。數(shù)字光纖傳輸技術(shù)因其傳輸數(shù)字信號(hào)，在信號(hào)處理及傳輸過(guò)程中有更強(qiáng)的抑制干擾的能力；首先光纖具有光載頻頻率高、帶寬寬和損耗小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高速數(shù)字信號(hào)傳輸，傳輸誤碼率小，其次光纖的基本材料是二氧化硅，絕緣性能好，電磁波很難耦合入光纖[7-8]。因此，數(shù)字光纖傳輸是強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中測(cè)試信號(hào)傳輸?shù)淖罴逊绞健?/p>

通過(guò)總結(jié)多年膛壓測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)型測(cè)壓方式與光纖實(shí)時(shí)傳輸測(cè)壓方式相結(jié)合的測(cè)試技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓器采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)，能效解決電磁干擾問(wèn)題。測(cè)試數(shù)據(jù)一分為二，一路直接存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓器內(nèi)，另一路采用數(shù)字光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收機(jī)。這兩種測(cè)壓方式相結(jié)合大大提高了膛壓測(cè)量的可靠性和測(cè)試設(shè)備的安全性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于光纖傳輸?shù)碾姛崤谔艍簻y(cè)試系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器、光纖、遠(yuǎn)程接收機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器將傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為并行數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)一分為二，一路直接保存到現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器的存儲(chǔ)器內(nèi)，另一路采用數(shù)字光纖傳輸，數(shù)字信號(hào)先編碼再由光模塊轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，再通過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收機(jī)，遠(yuǎn)程接收機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，還原出電壓信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一次測(cè)試結(jié)束后遠(yuǎn)程接收機(jī)可以發(fā)出復(fù)位信號(hào)，經(jīng)光纖傳輸給現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器使其復(fù)位，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓器由壓電式壓力傳感器、電荷放大器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、編解碼電路、邏輯控制電路、電源管理電路和多模TTL電平收發(fā)一體光模塊組成，由電池供電，電池與電路灌封在不同材料多層組合的電磁屏蔽殼體內(nèi)，完成壓力信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)采集存儲(chǔ)和數(shù)字信號(hào)的編碼以及電光轉(zhuǎn)換。在發(fā)射試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算機(jī)通過(guò)讀數(shù)接口將測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口讀入計(jì)算機(jī)，再做數(shù)據(jù)處理。

編解碼電路和邏輯控制電路是由CPLD實(shí)現(xiàn)的，采用CPLD可以減小測(cè)壓器的體積?，F(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器的采樣頻率為1MHz，存儲(chǔ)容量是512KWords，可記錄524 ms。

現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)式測(cè)壓器由可充電的聚合物鋰離子電池供電，避免了由于共地問(wèn)題耦合入系統(tǒng)的電磁干擾，可連續(xù)工作8 h以上?，F(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓方式中整個(gè)測(cè)試過(guò)程在電磁屏蔽體內(nèi)完成，不受電磁干擾的影響，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，試驗(yàn)已結(jié)束，因而沒(méi)有電磁干擾。

1.3 數(shù)字光纖傳輸技術(shù)

光纖是非金屬介質(zhì)材料，不導(dǎo)電，因而不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受外部電磁干擾的影響，能抗各種電磁干擾和射頻干擾，光纖是強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中信號(hào)傳輸?shù)睦硐虢橘|(zhì)。在電熱炮膛壓測(cè)試系統(tǒng)中，光纖傳輸切斷了因等離子體發(fā)生器地電位抬升引起的高壓串入測(cè)控系統(tǒng)的途徑，實(shí)現(xiàn)安全測(cè)量[5]。

測(cè)試系統(tǒng)中光纖傳輸部分由兩個(gè)收發(fā)一體光模塊和150 m光纖組成，如圖2所示。收發(fā)一體光模塊的工作波長(zhǎng)是1 310 nm，與TTL電平兼容，F(xiàn)C光接口。光纖采用的是多模光纖，雙FC尾纖型光接口，工作波長(zhǎng)1 310 nm。FC光接口是螺紋連接具有良好的電磁屏蔽特性。收發(fā)一體光模塊的核心器件是半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動(dòng)電路、高效的PIN 光敏管及其低噪聲光電跨導(dǎo)前置放大器。

AD轉(zhuǎn)換后的12位并行數(shù)字信號(hào)在CPLD內(nèi)完成編碼，編碼格式采用異步串行數(shù)據(jù)格式，編碼后的數(shù)據(jù)共16位，傳輸波特率是16Mbps。如圖3所示。

編碼后的脈沖數(shù)據(jù)流輸入至光模塊，對(duì)光源進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制，將電脈沖信號(hào)調(diào)制半導(dǎo)體光源，形成光脈沖信號(hào)，并從光源器件的尾纖發(fā)射出去。接收機(jī)的光模塊首先經(jīng)光檢測(cè)器件將光纖傳輸后的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，再恢復(fù)成原始電壓信號(hào)。

1.4 遠(yuǎn)程接收機(jī)

遠(yuǎn)程接收機(jī)把光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再把異步串行數(shù)據(jù)解碼為并行數(shù)據(jù)，送至D /A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為原始電壓信號(hào)，輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。接收機(jī)還具備遠(yuǎn)程復(fù)位存儲(chǔ)測(cè)壓器的功能。

2 不同材料多層組合的屏蔽技術(shù)

2.1 多層屏蔽結(jié)構(gòu)

電熱化學(xué)炮發(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，主要的干擾源是高壓脈沖發(fā)生器、等離子體發(fā)生器電爆炸、等離子體發(fā)生器熄弧和負(fù)載電流[6]。針對(duì)上述干擾源，采用電磁屏蔽技術(shù)，設(shè)計(jì)了不同材料多層組合的屏蔽結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓器的所有電路及電池被密封在多層屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)，外層屏蔽材料是磁導(dǎo)率較高的30號(hào)鋼，不僅對(duì)電場(chǎng)有良好的屏蔽，同時(shí)對(duì)磁場(chǎng)有一定的屏蔽作用，具有一定的強(qiáng)度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集部件起到支撐和保護(hù)作用。中間屏蔽層材料是電導(dǎo)率大的紫銅，確保電路模塊不同部位的壓差較小；內(nèi)層屏蔽材料是磁導(dǎo)率很高的坡莫合金，利用磁力線(xiàn)的旁路原理進(jìn)行低頻磁場(chǎng)的屏蔽(見(jiàn)表1)。為了確保高效的屏蔽效果，通過(guò)絕緣漆或硅橡膠墊保證各層之間良好的絕緣，在必須開(kāi)孔的地方，進(jìn)行特殊處理，如在光纖引出孔處另外增加了保護(hù)端蓋，把開(kāi)孔后對(duì)屏蔽的影響降低。

表1 屏蔽材料的各項(xiàng)參數(shù)

2.2 電磁屏蔽效能分析

高頻電磁波的屏蔽效能主要由吸收損耗決定。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí), 無(wú)論電場(chǎng)還是磁場(chǎng), 它們的幅度都是按指數(shù)規(guī)律衰減，即：

E1=E0·exp(-t/δ)H1=H0·exp(-t/δ)

(1)

式中：δ是趨膚深度即電磁波衰減為原始強(qiáng)度的1/e時(shí)所傳播的距離。

趨膚深度的計(jì)算公式為：

δ=0.066/(f·μr·σr)1/2

(2)

式中：f是電磁波的頻率;μr是相對(duì)磁導(dǎo)率;σr是相對(duì)電導(dǎo)率。

可得出吸收損耗為：

(3)

式中：t為屏蔽材料厚度。

當(dāng)電磁波頻率為10kHz時(shí)，可計(jì)算出A30#鋼=166dB，A紫銅=52dB，A坡莫合金=1 000dB，總屏蔽效能遠(yuǎn)大于100dB，因而其干擾可忽略不計(jì)。

當(dāng)電磁波頻率為1kHz時(shí)，可計(jì)算出A30#鋼=52dB，A紫銅=16dB，A坡莫合金=332dB，總屏蔽效能遠(yuǎn)大于100dB，因而其干擾可忽略不計(jì)。

低頻電磁波的屏蔽效能主要由反射損耗決定。測(cè)試系統(tǒng)處于近場(chǎng)區(qū)，在近場(chǎng)中電磁波的反射損耗。由反射損耗：

(4)

式中:Zw為空氣的特性阻抗;Zs為屏蔽體介質(zhì)的特性阻抗。

由于空氣的特性阻抗Zw在近場(chǎng)中不僅和電磁場(chǎng)的頻率有關(guān)，而且與干擾源和被干擾源的距離及干擾源的性質(zhì)有關(guān)。

|Zw|=k·Z0(Z00=377Ω)

(5)

將k值代入公式(4)可得：

(6)

(7)

測(cè)試系統(tǒng)距干擾源的距離約為3m，假設(shè)干擾源的頻率為10Hz，則得出RE30#鋼=237 dB，RE紫銅=281 dB，此時(shí)低頻電場(chǎng)干擾可忽略。

RH30#鋼=0dB，RH紫銅=34dB，此時(shí)低頻磁場(chǎng)干擾不能忽略。

由上述分析計(jì)算可知，低頻磁場(chǎng)是最難屏蔽的磁場(chǎng)，不能無(wú)限度的增加屏蔽材料的厚度來(lái)屏蔽，通常選用高導(dǎo)磁材料作屏蔽，高導(dǎo)磁材料為磁場(chǎng)提供低磁阻通路，利用高導(dǎo)磁材料的旁路原理屏蔽低頻磁場(chǎng)。

3 安裝結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

電熱炮膛壓測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖如圖4所示。壓力傳感器固定在測(cè)試點(diǎn)上，再通過(guò)低噪聲電纜與現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)壓器連接，再用金屬屏蔽體把壓力傳感器、低噪聲電纜和存儲(chǔ)測(cè)壓器一起屏蔽，數(shù)字信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至接收機(jī)，恢復(fù)為原始?jí)毫π盘?hào)傳輸至多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5為膛底壓力曲線(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)方式和光纖傳輸方式的壓力曲線(xiàn)輪廓和變化趨勢(shì)一致，波形幅值大致相當(dāng)，只是在時(shí)間關(guān)系上相差較大。因?yàn)槎呦嗷オ?dú)立，沒(méi)有時(shí)間關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的電熱化學(xué)炮膛壓測(cè)試系統(tǒng)采用了存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)以及電磁屏蔽技術(shù)，有效地切斷了強(qiáng)電磁干擾耦合途徑，具有安全性高、可靠性高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)及實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，解決了電熱化學(xué)炮測(cè)試技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)電熱化學(xué)炮內(nèi)彈道特性的研究提供了測(cè)試手段。該測(cè)試技術(shù)可以拓展應(yīng)用到各種強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下的參數(shù)測(cè)試場(chǎng)合。

[1] PAN Yuan, LIU Ke-fu,LIU Bao-hua. System simulations and experiments for electro thermal-chemical guns powered by compulsators[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1):427-431.

[2] PORWITZKY ANDREW J, KEIDAR MICHAEL, BOYD IAIN D. Numerical parametric study of the capillary plasma source for electrothermal-chemical guns[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1):574-577.

[3] 狄加偉，楊敏濤，張明安，等.電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)在大口徑火炮上的應(yīng)用前景[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2010(2),24-27.

DI Jia-wei,YANG Min-tao,ZHANG Ming-an, et al. Electro thermal chemical launcher technology in large caliber gun[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2010(2),24-27.(in Chinese)

[4] 李海元,栗保明,李鴻志.等離子體增強(qiáng)火炮發(fā)射性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2007,27(2):297-99.

LI Hai-yuan,LI Bao-ming,LI Hong-zhi. Experimental study on gun performance augmentation by plasma[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2007, 27(2):297-99.(in Chinese)

[5] 李鴻志.電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003, 27(5):449-463.

LI Hong-zhi. Progress in the research of electro thermal chemical launch technology[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2003, 27(5):449-463.(in Chinese)

[6] 謝潯,裴東興,張志杰.電熱化學(xué)炮膛壓測(cè)試技術(shù)研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2004,18(4):338-341.

XIE Xun,DEI Dong-xing, ZHANG Zhi-jie. Study of measuring electro thermal-chemical gun (ETCG)’s chamber pressure[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2004,18(4):338-341.(in Chinese)

[7] 陳亮,繆棟.導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的光纖傳輸技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2006,5(3):81-84.

CHEN Liang,MIAO Dong, Study of the technology of optical fiber transmission in missile control system[J]. Tactical Missile Technology, 2006,5(3):81-84.(in Chinese)