劉雙紅，張海龍，靳 鴻，陳昌鑫，馬鐵華*

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

爆炸過程產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓和沖量是火藥能量特性的一項重要參數(shù)，也是爆炸戰(zhàn)斗部毀壞效應(yīng)的一項重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確測量值具有重要意義。由于測試過程的特殊性，干擾信號(如電磁波)可能會影響測試數(shù)據(jù)的真實性［1］。為了驗證測試數(shù)據(jù)的正確與否，需要利用火藥的爆炸時刻來作為參考量。在靶場試驗中，火藥的爆炸時刻是火藥試驗鑒定的最重要的性能指標(biāo)之一，只有精確測量出這一數(shù)值，才能為脫靶參量的計算、引戰(zhàn)配合性能的評估提供準(zhǔn)確的時間數(shù)據(jù)［2］。本文設(shè)計的TNT爆炸時刻采集及存儲系統(tǒng)借助于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的測試狀態(tài)，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和讀取，具有很高的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 測試原理

火藥爆炸時會產(chǎn)生沖擊波和火光。TNT爆炸時刻采集及存儲系統(tǒng)通過測量火光來記錄爆點時刻，主要由光電轉(zhuǎn)換模塊(數(shù)據(jù)采集)、數(shù)據(jù)存儲模塊、USB讀數(shù)模塊、無線模塊、計算機和電源管理模塊等組成。光電傳感器采集到信號后送至AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量在FPGA的控制作用下保存至閃存中，通過USB讀數(shù)模塊讀取閃存中的數(shù)據(jù)也可以通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)讀取裝置中的數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)的原理圖如圖1。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖

在沖擊波參數(shù)測試中，考慮到測試的惡劣環(huán)境，測試電路裝置在一個殼體內(nèi)，殼體除了具有屏蔽作用之外還具有很強的抗沖擊能力，起到保護殼體內(nèi)部測試系統(tǒng)的硬件電路的作用。該設(shè)計的爆點時刻記錄裝置殼體采用高強度的剛體結(jié)構(gòu)，最大能夠承受10 MPa以上的沖擊波壓力。

1.2 光電轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換模塊需要選擇合適的光電器件。根據(jù)已有文獻，火藥爆炸有兩個發(fā)光區(qū)，如圖2。T1和T2分別是第一和第二發(fā)光區(qū)光峰到來的時間，其中較大峰值處即爆炸最亮點，所對應(yīng)的時間就是爆炸時刻［3］?；鹚幈〞r的溫度為2 800 K～5 000 K［4］，根據(jù)維恩定律［5］，可得到對應(yīng)的波長為 0.579 μm～1.035 μm。2DU型硅功率光敏二極管的響應(yīng)波長為 0.5 μm ～1.11 μm，峰值波長為0.94 μm，靈敏度為0.4 μA/μW，波長分布曲線如圖3。2DU 型硅功率光敏二極管的光通為方形，有效面積為1 mm×1.3 mm，在反向電壓下工作的，沒有光照時，反向電流即暗電流很小(一般小于0.1 μA)，。當(dāng)有光照時，攜帶能量的光子進入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流，2DU型硅功率光敏二極管的光電流/正電壓特性曲線如圖4。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號。

圖2 TNT爆炸光輻射波形

圖3 2DU型硅功率光敏二極管波長分布曲線

圖4 2DU型硅功率光敏二極管光電流/正電壓特性曲線

考慮到光電轉(zhuǎn)換器的供電電壓有限，為避免輸出信號在谷點出現(xiàn)電壓飽和，負(fù)載需要采用非線性負(fù)載［3］。光電轉(zhuǎn)換模塊的電路圖如圖5。在實驗室環(huán)境下，利用閃光燈對光電轉(zhuǎn)換器進行了模擬實驗，得到如圖6所示的波形，信號的上升時間為18 μs，噪聲15 bit。

圖5 光電轉(zhuǎn)換模塊電路圖

圖6 模擬環(huán)境下采集的波形圖及波形展開圖

1.3 無線模塊的設(shè)計

沖擊波超壓場具有很大的威力，控制人員必須處于超壓小于0.03 MPa的位置，一般距離爆心要幾百米［6］，為了在遠處實現(xiàn)監(jiān)控測試裝置狀態(tài)，并在第一時間獲取測試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)采用SZ－05系列Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

Zigbee技術(shù)是一種新型的低速率傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，利用全球公共頻率2.4 GHz，具有低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢［7］。Zigbee無線系統(tǒng)可組成星型、網(wǎng)狀以及簇狀機構(gòu)，該系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)。該模塊的主要功能是爆炸前檢測各個裝置(從節(jié)點)的狀態(tài)以及給出同步觸發(fā)的內(nèi)觸發(fā)信號，數(shù)據(jù)采集記錄完成后，讀取各個裝置的存儲信息。同步觸發(fā)的內(nèi)觸發(fā)信號通過中斷的方式給出，主節(jié)點接收到中斷信號后以廣播方式發(fā)送，保證觸發(fā)信號的同步性。從節(jié)點在接收到觸發(fā)信號前保持低功耗狀態(tài)等待中斷信號，接收到內(nèi)觸發(fā)信號后485管腳立即置低控制存儲測試裝置觸發(fā)，保持300 ms后恢復(fù)高電平，這時停止無線模塊供電，防止爆轟區(qū)電離場對測試電路的影響［8］。

1.4 存儲測試設(shè)計

爆炸光是一種瞬態(tài)量，持續(xù)時間很短，為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用1 MHz的采用頻率。存儲器采用基于頁編輯、塊擦除的 flash存儲器K9F1208存儲器，該存儲器的塊擦除的時間為2 ms，頁編程的典型時間為200 μs，最大頁編程時間為500 μs。一頁的數(shù)據(jù)在寫入flash memory時需要經(jīng)過至少200 μs的編程等待時間，為了避免這期間送過來的數(shù)據(jù)流失，系統(tǒng)采用FPGA控制下的兩片flash memory的乒乓存儲方式。

兩片閃存存儲器總?cè)萘繛閮蓚€單元，系統(tǒng)上電后，計算機通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進行狀態(tài)檢測，完成參數(shù)設(shè)置進入循環(huán)采樣狀態(tài)，等待觸發(fā)，此時，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量數(shù)據(jù)記錄在第一單元，存儲的內(nèi)容被不斷的擦除改寫。觸發(fā)命令到來時，測試電路觸發(fā)，負(fù)延遲計數(shù)器開始計數(shù)，達到負(fù)延遲的長度后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向第二單元開始進行數(shù)據(jù)記錄。在數(shù)據(jù)采集完畢后系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，等待主機以點名的方式讀取數(shù)據(jù)，也可以回收裝置后通過USB讀數(shù)模塊讀取閃存中的數(shù)據(jù)［9］。

在設(shè)計中，為了保證實驗的可靠性，系統(tǒng)使用外觸發(fā)和內(nèi)觸發(fā)多種觸發(fā)方式［10］。外觸發(fā)信號是在火藥引爆前，計算機利用Zigbee無線模塊［11］通過中斷以廣播的方式發(fā)出，內(nèi)觸發(fā)信號由在光電傳感模塊采集的信號強度大于FPGA設(shè)置的觸發(fā)電平的情況下產(chǎn)生的。

2 程序設(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計包括計算機軟件程序設(shè)計、FPGA設(shè)計和USB讀數(shù)程序設(shè)計［12］。計算機軟件程序設(shè)計是借助于labview的人機界面，主要用于通過無線通信對測試系統(tǒng)發(fā)送各種操作指令實現(xiàn)對裝置的檢測和參數(shù)設(shè)置以及對測試數(shù)據(jù)進行接受、查詢、顯示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示的軟件界面圖如圖7所示。FPGA設(shè)計是用來控制A/D的采樣和完成系統(tǒng)的初始化、中斷優(yōu)先級以及判斷調(diào)用各個模塊，使整個系統(tǒng)具有嚴(yán)格的控制時序，保證工作的高速可靠。USB讀數(shù)程序主要是通過設(shè)計GPIF固件的波形圖來控制USB的讀數(shù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示軟件界面圖

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3 測試驗證及數(shù)據(jù)分析

爆點時刻波形記錄裝置經(jīng)實驗室多次模擬試驗后，在靶場對3 kg當(dāng)量的TNT進行了沖擊波參數(shù)測試實驗。由于本測量是通過光學(xué)途徑實現(xiàn)的，根據(jù)經(jīng)驗，自然界的非火藥爆光(如太陽光)就會測量構(gòu)成一定的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)“誤測”或者光敏二極管的阻值在強光下，可能已經(jīng)飽和，在測量爆炸時刻時，有可能發(fā)生“漏測”，鑒于上述兩種情況干擾，除了應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇觸發(fā)電平外，還要對光敏電阻采取必要措施，比如加濾光片，以減小太陽光的干擾。為了保證可靠的數(shù)據(jù)記錄，將爆點時刻波形記錄裝置置于距爆心0.5 m的距離。圖9為TNT爆炸瞬時閃光波形曲線。圖10為3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線。

圖9 TNT爆炸瞬時閃光波形曲線

圖10 3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線

從圖9中可以看出，TNT爆炸的時刻在時間軸的7 341處，沖擊波其他參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)該在7 341點以后。本文以3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線作為驗證曲線，根據(jù)相關(guān)文獻，爆炸沖擊波傳播的速度為2 000 m/s［13］，沖擊波傳播 3.5 m 的距離應(yīng)該在1.75 ms左右，即3.5 m處自由場沖擊波超壓峰值應(yīng)該出現(xiàn)在時間軸的7 342.75處。從圖10看出，3.5 m處自由場沖擊波超壓峰值在7 342.8處，測試誤差小于2%。實驗驗證，該爆炸時刻測試系統(tǒng)具有較高的測試精度。

4 結(jié)束語

TNT爆炸時刻采集存儲系統(tǒng)借助Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。靶場試驗表明，系統(tǒng)具有較高的測試精度，滿足現(xiàn)代靶場對TNT的爆炸時間測量要求，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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