馬英卓，祖 靜，張 瑜

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

火炮膛壓數(shù)據(jù)是分析內(nèi)彈道和裝藥結(jié)構(gòu)合理性、炮彈各部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、炮架強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)、炮彈外彈道初速預(yù)測以及發(fā)射藥性能的基本依據(jù)。各種不同口徑的火炮在完成整體裝配和全火炮系統(tǒng)靜態(tài)動能調(diào)試后，都需在出廠前進(jìn)行射擊試驗(yàn)以檢驗(yàn)其動態(tài)性能[1－2]。如何實(shí)時實(shí)況地獲取火炮系統(tǒng)在發(fā)射過程中的動態(tài)參數(shù)，是火炮研制單位和測試技術(shù)研究單位尤為關(guān)心的問題。目前國外已有幾家公司研制出了放入式的電子測壓器，如奧地利AVL公司、HPI公司等。進(jìn)口的電子測壓器可以滿足中、小口徑火炮膛壓測試的要求，但價格非常昂貴，且其利用定時器倒計(jì)時開啟采樣電路的設(shè)計(jì)對進(jìn)行測試試驗(yàn)的現(xiàn)場組織性要求很高，操作不夠靈活，不利于推廣使用。

基于上述原因，利用動態(tài)存儲測試技術(shù)研制了一種低功耗、微小體積的內(nèi)置式瞬態(tài)火炮膛壓存儲測試儀。此瞬態(tài)膛壓存儲測試儀可放入藥室中隨火炮的發(fā)射直接測量膛壓變化信號，無需改變炮彈的本身結(jié)構(gòu)，具有自供電，掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)等特點(diǎn)，測試精度高，可重復(fù)使用，并且設(shè)計(jì)了智能上電技術(shù)，大大減小了系統(tǒng)功耗，提高了保溫試驗(yàn)中的使用可靠性，廣泛適用于大、中、小口徑火炮的膛壓測量。

1 瞬態(tài)膛壓存儲測試儀設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

瞬態(tài)膛壓存儲測試儀由殼體、壓電式壓力傳感器、電路模塊、智能倒置開關(guān)、電池、緩沖結(jié)構(gòu)構(gòu)成。壓電傳感器是在Kistler公司訂制的石英高壓傳感器，具有體積小、精度高、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠測量0 bar～6000 bar范圍的壓力。電路模塊包括模擬適配電路、電源管理電路、外部高頻晶振、控制電路、通信電路。其中控制電路以高集成度的MSP430xG46x單片機(jī)做核心，包含12 bit的ADC和116 kB的內(nèi)部FLASH。智能倒置開關(guān)為系統(tǒng)上電控制器件。電池為專門訂制的帶過充、過放、過流保護(hù)功能的聚合物鋰電池，能夠耐高低溫、抗沖擊和振動，可重復(fù)多次使用。圖1是瞬態(tài)膛壓存儲測試儀的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖1 瞬態(tài)膛壓存儲測試儀系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1．2 工作原理

進(jìn)行膛壓測量時，石英壓電傳感器通過感知壓力變化輸出相應(yīng)的電荷信號;模擬適配電路將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部的OA對微小電壓信號進(jìn)行放大，放大倍數(shù)根據(jù)量程可選;ADC對放大信號進(jìn)行采集并存儲到內(nèi)置FLASH中，記滿50KW的膛壓信號后停止采樣。采樣結(jié)束后，通過紅外通信接口或串轉(zhuǎn)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

此內(nèi)置式存儲測試儀完全采用無接觸式控制，采樣量程、觸發(fā)閾值、采樣頻率等工作參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)讀取都采用紅外通信技術(shù)，并且儀器能夠自動記錄使用壽命，實(shí)現(xiàn)了智能化控制和無接觸式操作，降低了用戶的使用難度，增強(qiáng)了儀器的可靠性。

2 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

根據(jù)國軍標(biāo)和試驗(yàn)勤務(wù)的需要，在進(jìn)行火炮發(fā)射試驗(yàn)前，常需要對彈藥進(jìn)行2～3天的保溫，內(nèi)置式瞬態(tài)膛壓存儲測試儀需固封在藥室中隨彈進(jìn)行保溫，并且測試儀的體積不能超過藥室容積的2．5%。嚴(yán)格的體積要求限制了電池容量，為解決有限的電池容量和長久工作時間的矛盾，必須降低系統(tǒng)的整體功耗，以保證其能順利完成火炮膛壓的測量。

2．1 器件選擇

選擇低功耗的貼片器件是降低系統(tǒng)功耗、減小電路體積的有效措施。針對復(fù)雜的測試環(huán)境，對存儲測試系統(tǒng)的主要器件進(jìn)行了篩選。表1列出了主要器件的電氣參數(shù)和封裝體積。器件的表貼封裝結(jié)合印制電路板的合理布局，電路模塊體積可做到僅為 0．358 cm3。

表1 主要器件篩選信息

2．2 智能倒置開關(guān)

智能倒置開關(guān)是瞬態(tài)膛壓存儲測試儀中重要的電源控制器件，是存儲測試儀能夠?qū)崿F(xiàn)隨彈保溫試驗(yàn)的關(guān)鍵器件。此智能倒置開關(guān)以數(shù)字加速度計(jì)為核心器件，可通過感知三軸重力值來判斷方向的變化，從而控制系統(tǒng)上電。帶有防抖動延時功能，可通過I2C總線與控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。較傳統(tǒng)倒置開關(guān)降低了80%的功耗，減小了97%的體積，將抗沖擊能力提高在10 000 gn以上，大大增強(qiáng)了存儲測試儀的使用性能。

智能倒置開關(guān)內(nèi)置于瞬態(tài)存儲測試儀中，正式試驗(yàn)前隨存儲測試儀放入火炮藥室中隨彈保溫。此時為節(jié)省能源關(guān)閉系統(tǒng)模擬電路、存儲電路和通信電路，僅開啟智能倒置開關(guān)，單片機(jī)進(jìn)入超低功耗態(tài)。在火炮準(zhǔn)備發(fā)射前5 min，利用翻彈機(jī)旋轉(zhuǎn)彈丸，使彈丸姿態(tài)處于非常規(guī)姿態(tài)(彈丸前端朝下)0．5 min以上，智能倒置開關(guān)判斷z軸重力值在此連續(xù)時間內(nèi)都小于－0．8gn，則發(fā)出開啟命令使能各功能模塊，使存儲測試儀進(jìn)入循環(huán)采樣狀態(tài)。

防抖動延時功能和智能判斷功能可識別外界動作的類別，防止彈丸在運(yùn)輸過程中由于車輛顛簸或人為誤操作導(dǎo)致的誤上電現(xiàn)象。智能倒置開關(guān)的運(yùn)用使膛壓存儲測試儀在連續(xù)保溫3天后仍有足夠的電量進(jìn)行火炮發(fā)射時的膛壓測量，提高了儀器的工作可靠性。圖2顯示了智能倒置開關(guān)z軸所受的重力值與擺放姿勢的關(guān)系。

圖2 智能倒置開關(guān)z軸所受重力值與擺放姿勢的關(guān)系示意圖

2．3 電源管理設(shè)計(jì)

為保證供電可靠性和靈活性，瞬態(tài)膛壓存儲測試儀采用數(shù)字電路和模擬電路分別供電方式，由電源管理芯片LP5996SD提供兩路獨(dú)立、穩(wěn)定的2．8 V電壓。存儲測試儀在值更狀態(tài)僅為數(shù)字電路提供電源，并在采樣狀態(tài)開啟模擬適配電路的電源。這種電源分支管理方法可消除無用的損耗，避免不用的器件一直消耗電量，降低功耗同時提高了工作的穩(wěn)定性。

特別訂制的聚合物鋰離子電池不僅在體積上輕巧，還具有單體容量大、壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，為膛壓存儲測試儀在高溫、常溫、低溫下正常工作提供了保障。

2．4 系統(tǒng)時鐘選擇

CMOS電路中工作電壓和時鐘頻率對系統(tǒng)整體功耗的影響較大[3－4]。在本系統(tǒng)中，時鐘主要提供給單片機(jī)控制電路，MSP430單片機(jī)功耗與時鐘頻率的關(guān)系如式(1):

由式(1)可知MSP430單片機(jī)系統(tǒng)選擇最高8M時鐘頻率時的功耗是最低時鐘頻率時功耗的8倍以上。為降低晶振對電流的消耗，在系統(tǒng)對時鐘要求不高的情況下選擇MSP430內(nèi)部的DCO(數(shù)控振蕩器)做系統(tǒng)時鐘，在系統(tǒng)高速采樣和通信的時候選擇外部高頻晶振做系統(tǒng)時鐘[6]。圖3是瞬態(tài)膛壓存儲測試儀系統(tǒng)時鐘源隨工作狀態(tài)切換的示意圖。

圖3 瞬態(tài)膛壓存儲測試儀工作狀態(tài)與系統(tǒng)時鐘源對照示意圖

3 抗沖擊設(shè)計(jì)

3．1 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瞬態(tài)膛壓存儲測儀在測試環(huán)境中要承受高壓、高沖擊的作用，為保護(hù)內(nèi)部電路和傳感器等敏感元件，設(shè)計(jì)了國中國防護(hù)機(jī)構(gòu)。即選用高強(qiáng)度材料做外部殼體，并用能很好分散受力的筒形鋼殼單獨(dú)保護(hù)核心電路模塊。殼體材料選用超高強(qiáng)度的馬氏體時效鋼，具有兩千兆帕以上的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并經(jīng)過熱處理達(dá)到額定強(qiáng)度，保護(hù)整體測試系統(tǒng)不受損壞。

3．2 護(hù)膛環(huán)設(shè)計(jì)

護(hù)膛環(huán)是具有高硬度的環(huán)形鋼體，套在膛壓存儲測試儀最外部殼體的前、后端，車有螺紋，可靈活更換。在火炮發(fā)射時，膛壓存儲測試儀會受到氣體的沖擊而碰撞藥室壁，護(hù)膛環(huán)阻擋了機(jī)械碰撞對傳壓端面的傷害，進(jìn)而保護(hù)了壓力傳感器。圖4是殼體外形設(shè)計(jì)的三維效果圖。

圖4 外形三維效果圖

3．3 緩沖技術(shù)

環(huán)氧樹脂凝固后具有高強(qiáng)度、高硬度、絕緣的特點(diǎn)，運(yùn)用真空灌封工藝和環(huán)氧樹脂將電路模塊固封在內(nèi)部筒形鋼殼中，避免電路在高沖擊過載作用下因灌封材料塑性變形造成的導(dǎo)線崩斷、焊盤脫落等損害，還可以防止焊點(diǎn)之間的短路，能夠大大增強(qiáng)電路的抗沖擊能力[7－8]。同時在電路模塊和傳感器的不同部位放置緩沖墊和青稞紙，能夠有效起到緩沖、隔熱、絕緣的作用[9]。

4 模擬應(yīng)用環(huán)境下的校準(zhǔn)

為保證瞬態(tài)膛壓存儲測試儀的測試精度，需進(jìn)行模擬應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到膛壓存儲測試儀的動態(tài)靈敏度[10]。

模擬應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)由模擬膛壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)傳感器、電荷放大器、多通道數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成?；ハ嗥ヅ涞臉?biāo)準(zhǔn)傳感器和電荷放大器都經(jīng)過兵器工業(yè)集團(tuán)204所溯源。模擬膛壓發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅值在120 MPa～800 MPa的壓力，可對膛壓存儲測試儀進(jìn)行高溫、常溫、低溫下的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)。校準(zhǔn)時，將被校存儲測試儀同標(biāo)準(zhǔn)傳感器一同安置在模擬膛壓發(fā)生器中，膛內(nèi)壓力同時作用在其上，采集卡將采集到的電壓信號傳輸至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)兩兩間相關(guān)系數(shù)均在0．999 7以上，可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)受到同一壓力源的激勵[11]。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值不大于標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的誤差判定值時，則認(rèn)為試驗(yàn)壓力值可做為靈敏度計(jì)算值。在同一溫度環(huán)境下進(jìn)行不同壓力值的多次試驗(yàn)，利用最小二乘法擬合采集的數(shù)據(jù)，得到動態(tài)靈敏度直線方程y=ax+b。

表2是常溫下3#瞬態(tài)膛壓存儲測試儀動態(tài)靈敏度直線方程計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比。從表中可看出，動態(tài)靈敏度直線方程得到的壓力值與實(shí)測值相差較小，在0 MPa～3 MPa以內(nèi)，瞬態(tài)膛壓存儲測試儀誤差范圍滿足國軍標(biāo)要求。

表2 3#瞬態(tài)膛壓存儲測試儀動態(tài)靈敏度直線方程計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)對比表(常溫)

5 實(shí)測結(jié)果

5．1 實(shí)測功耗分析

根據(jù)國軍標(biāo)GJB2973A—2008的要求，膛壓存儲測試儀上電前等待的時間不小于72 h;循環(huán)采樣、等待觸發(fā)的時間在常溫和高溫下不小于4 h，在低溫下不小于1 h;等待讀數(shù)的時間不小于1 h。對20個瞬態(tài)膛壓存儲測試儀進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的靜態(tài)測試并記錄不同狀態(tài)下的功耗，根據(jù)式(2)

計(jì)算常溫(25℃)、高溫(+55℃)、低溫(－40 ℃)下的系統(tǒng)總功耗 PC、PH、PL為:

內(nèi)置電池在常溫和高溫下容量為45 mAh，低溫下容量為33 mAh。由計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)置式瞬態(tài)膛壓測試儀完全能夠勝任不同溫度下的保溫試驗(yàn)。

5．2 實(shí)測膛壓曲線

利用模擬膛壓發(fā)生器對瞬態(tài)膛壓存儲測試儀進(jìn)行動態(tài)測試。具體操作時，將裝配好的瞬態(tài)膛壓存儲測試儀與銅球測壓器一同放入模擬膛壓發(fā)生器中，點(diǎn)燃黑火藥引燃發(fā)射藥，產(chǎn)生模擬的膛壓信號[12]。膛壓存儲測試儀采集并記錄此壓力信號后，取出其與上位機(jī)相連，讀取數(shù)據(jù)可分析火藥燃燒過程中壓力的變化規(guī)律。圖5是所測的壓力曲線，兩條壓力曲線的峰值分別是384．6 MPa和423．8 MPa，相應(yīng)的銅球測壓器所測壓力分別為386．8 MPa和425．2 MPa，兩種方法測得的壓力值具有較好的一致性。上升時間分別為3．23 ms和3．87 ms，脈寬分別26．8 ms和31．2 ms，從圖中可看出:所測的膛壓信號完整，曲線平滑，符合內(nèi)彈道設(shè)計(jì)和國軍標(biāo)的要求。

圖5 膛壓測試曲線

6 結(jié)論

數(shù)據(jù)顯示，通過對系統(tǒng)主要器件的合理選型，并運(yùn)用多種電源管理技術(shù)和系統(tǒng)時鐘交換方法，在保證測試精度和可靠性的前提下有效地降低了存儲測試系統(tǒng)的整體功耗，很好地解決了存儲測試儀工作時間短的瓶頸。此瞬態(tài)膛壓存儲測試儀體積小于22 cm3，測壓范圍0 MPa～600 MPa，能夠測試 57 mm口徑以上的火炮，使用靈活方便，對火炮內(nèi)彈道研究、身管設(shè)計(jì)等提供了重要的參考價值。

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