張海龍 ，馬鐵華 ，謝 銳 ，劉雙紅

(1.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;2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051)

沖擊波超壓測(cè)試在工程領(lǐng)域特別是軍工領(lǐng)域有著重要的作用[1]。沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)主要用于以燃料空氣炸彈以及激光制導(dǎo)炸彈為代表的各種火箭彈、航空炸彈等大裝藥量彈藥的現(xiàn)場(chǎng)靜爆空氣沖擊波測(cè)試，同時(shí)它也可以應(yīng)用于常規(guī)兵器毀傷效能的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試[2-5]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

沖擊波超壓測(cè)試時(shí)沖擊波場(chǎng)中存在電磁場(chǎng)干擾和超高壓，環(huán)境溫度最高時(shí)達(dá) 2 600℃左右[6]。在這樣惡劣的環(huán)境下要想保證測(cè)量系統(tǒng)可靠工作，必須將電路、觸發(fā)控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在耐高溫高強(qiáng)度的保護(hù)的鋼殼內(nèi)，鋼殼內(nèi)灌封上蠟，將傳感器的敏感面露在外面感受被測(cè)量壓力；然后將整個(gè)測(cè)試裝置放入測(cè)試環(huán)境中，信號(hào)被記錄下來(lái)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，記錄完畢后回收測(cè)試裝置。

本測(cè)試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器與存儲(chǔ)電路、中心控制電路、通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)等。測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

2 存儲(chǔ)測(cè)試方法

單獨(dú)的單片機(jī)控制難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，而單獨(dú)采用CPLD控制功耗較大且邏輯復(fù)雜。

本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)測(cè)試方法采用單片機(jī)與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，滿足了沖擊波測(cè)試高采樣頻率和大容量記錄的要求。單片機(jī)控制測(cè)試系統(tǒng)向閃存發(fā)出寫入、讀取、擦除操作的命令并進(jìn)行工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。這樣的設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)功耗低、邏輯簡(jiǎn)單、CPLD速度高的優(yōu)點(diǎn)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。使用CPLD對(duì)外部晶振分頻后的信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，這樣得到的信號(hào)穩(wěn)定且占用芯片資源少。

被測(cè)物理量經(jīng)過(guò)傳感器后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后CPLD以1MHz的采樣頻率采集并將數(shù)據(jù)交替存入兩片F(xiàn)lash中。

2.1 觸發(fā)電路

超壓場(chǎng)對(duì)人體殺傷判據(jù)的依據(jù)是操作人員控制處的沖擊波超壓應(yīng)小于0.03 MPa，距爆炸中心的距離一般為幾百米[7]。若使用引線電測(cè)試法，需要布設(shè)長(zhǎng)距離的電纜。由于測(cè)試環(huán)境的惡劣、沖擊波破壞性大，現(xiàn)場(chǎng)固定和保護(hù)要求高，造成布線非常不方便。

本測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種觸發(fā)同時(shí)進(jìn)行。

外觸發(fā)采用光觸發(fā)技術(shù)，炸彈爆炸時(shí)的閃光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路觸發(fā)系統(tǒng)。光電轉(zhuǎn)換電路的光電器件選擇2DU型硅功率光敏二極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，結(jié)合外圍電路組成光電轉(zhuǎn)換電路。光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換模塊電路圖

內(nèi)觸發(fā)通過(guò)無(wú)線模塊手動(dòng)控制無(wú)線控制平臺(tái)以廣播的方式發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。

無(wú)線模塊選用SZ-05系列ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊。ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低速率傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)，主要具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好等特點(diǎn)[8]。

ZigBee無(wú)線系統(tǒng)可組成星型、網(wǎng)狀以及簇狀結(jié)構(gòu)[9]。為保證觸發(fā)信號(hào)的同步性，本系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)，即一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)無(wú)線傳感器從節(jié)點(diǎn)相互通信的組網(wǎng)方式。引爆前計(jì)算機(jī)通過(guò)中斷方式給出觸發(fā)信號(hào)，無(wú)線主機(jī)接收到中斷信號(hào)后以廣播方式發(fā)送。無(wú)線從機(jī)接收到信號(hào)后輸出相應(yīng)指令，進(jìn)行判斷、執(zhí)行和參數(shù)設(shè)置，完成對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試裝置的觸發(fā)控制。

2.2 負(fù)延時(shí)與低功耗

由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),為了滿足測(cè)試要求并降低功耗，測(cè)試過(guò)程中設(shè)計(jì)了負(fù)延遲和低功耗兩種狀態(tài)。

負(fù)延時(shí)實(shí)現(xiàn)原理：將兩片閃存存儲(chǔ)總?cè)萘糠譃閮蓚€(gè)部分，測(cè)試系統(tǒng)未觸發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)被循環(huán)記錄在第一個(gè)部分，舊的數(shù)據(jù)不斷被新的數(shù)據(jù)替換；當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)后，負(fù)延時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在第二部分。第一部分記錄的是系統(tǒng)觸發(fā)之前的數(shù)據(jù)，第二部分記錄的是系統(tǒng)觸發(fā)之后的數(shù)據(jù)。記錄完畢后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待讀數(shù)和擦除。負(fù)延時(shí)功能可以將觸發(fā)前的一段信息保存，從而得到完整的超壓測(cè)試曲線，以保證數(shù)據(jù)的完整性。記錄完畢且數(shù)據(jù)擦除后測(cè)試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，低功耗狀態(tài)下單片機(jī)控制關(guān)掉模擬電路電源，數(shù)字電路處于休眠狀態(tài)，有效降低了功耗。

2.3 Flsah存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)芯片采用兩片三星公司生產(chǎn)的NAND型閃存存儲(chǔ)器K9F4G08OM，單片容量為512 MB。NADA結(jié)構(gòu)閃存的特點(diǎn)是：以頁(yè)為單位進(jìn)行讀和編程操作，以塊為單位進(jìn)行擦除操作[10]。

由于閃存存在較長(zhǎng)的頁(yè)編程時(shí)間，編程時(shí)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行操作，為了在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換情況下不丟失數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步提高存儲(chǔ)容量，采用兩片閃存芯片交替工作組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，總存儲(chǔ)容量擴(kuò)大為1 GB。

采用寫滿一頁(yè)數(shù)據(jù)后，判斷此頁(yè)是否為該塊的最后一頁(yè)，如果是則擦除下一塊的數(shù)據(jù)。采編頻率為320 kHz，編碼為 16 bit，存儲(chǔ)器為 byte模式，寫滿一頁(yè)的 2 048個(gè)單元需要時(shí)間3.2 ms。一塊地址單元的擦除時(shí)間最大需要2 ms，加上系統(tǒng)命令最大耗時(shí) 0.5 ms，對(duì)一頁(yè)數(shù)據(jù)編程需要0.7 ms，總的時(shí)間不會(huì)超過(guò) 3 ms，能滿足循環(huán)寫的要求。

A/D輸出為 12 bit，閃存的數(shù)據(jù)線為 8 bit，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)先進(jìn)入CPLD轉(zhuǎn)化為2組8 bit數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)位數(shù)匹配。對(duì)A片發(fā)出命令后，A片進(jìn)行編程時(shí)對(duì)B片寫入數(shù)據(jù)，反之相同，這樣提高了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，滿足了測(cè)試要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖3所示。

圖3 閃存與CPLD關(guān)系

3 傳感器選擇

傳感器是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[11]。爆炸沖擊波的壓力信號(hào)變化一般在微秒量級(jí)，因此對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)性能要求較高[12]，對(duì)某典型爆炸信號(hào)進(jìn)行的頻譜分析如圖4所示，爆炸信號(hào)在62 460 Hz以后幅度幾乎可以忽略。

圖4 某爆炸沖擊波信號(hào)的頻譜

目前，可以考慮用來(lái)進(jìn)行沖擊波壓力檢測(cè)的傳感器主要壓電式和壓阻式傳感器。壓電式傳感器的諧振頻率比較低，輸出阻抗比較高，需要經(jīng)過(guò)電荷放大器進(jìn)而變換為阻抗較低的電壓信號(hào)。由于周圍的環(huán)境因子可能會(huì)降低絕緣阻抗，使信號(hào)產(chǎn)生漂移。連接傳感器和電荷放大器的電纜、接頭需要很高的絕緣性。壓阻式傳感器具有較高的諧振頻率。但是，壓阻式壓力傳感器的光效應(yīng)太強(qiáng)，爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)火光會(huì)嚴(yán)重干擾壓力測(cè)試信號(hào)[11]。

經(jīng)綜合考慮,傳感器選擇型號(hào)為CA-YD-205T的壓電式壓力傳感器，這種傳感器的特點(diǎn)是：大沖擊加速度傳感器，底部安裝螺紋M5，重量輕，溫度特性好。傳感器主要性能指標(biāo)：

壓力范圍：5×106Pa

過(guò)載能力：120%

參考靈敏度：0.000 090 8 pC/Pa

自振頻率：≥100 kHz

非線性：≤1%FS

絕緣電阻：≥1013Ω

工作溫度：-40～250℃

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路由三部分組成：電荷放大器、儀表放大器和低通濾波器。

由前文可知壓電傳感器輸出的信號(hào)為電荷信號(hào),不便于進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，所以需要使用電荷放大器把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，放大倍數(shù)根據(jù)公式計(jì)算得出。在時(shí)間域，放大倍數(shù)可以近似為1/C2。如圖5所示。

圖5 電荷放大器

電壓信號(hào)由INA128儀表放大器進(jìn)行放大，放大倍數(shù)計(jì)算式如下：

為了使將要采集的信號(hào)純凈，必須對(duì)經(jīng)過(guò)儀表放大器放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。二階低通濾波器系統(tǒng)采用性能高、功耗低運(yùn)放OPA4340。如圖6所示，經(jīng)推導(dǎo)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖7 為濾波器的幅頻特性,截止頻率能達(dá)到1 MHz。

圖7 濾波器的幅頻特性

4.2 A/D轉(zhuǎn)換器

根據(jù)圖4對(duì)典型被測(cè)信號(hào)的頻譜分析研究得出結(jié)論：被測(cè)信號(hào)的頻率在60 kHz以下。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，原則上使用120 kHz的采樣頻率即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集。系統(tǒng)為了更好地對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，留出了一部分余量，編程設(shè)置將采樣頻率設(shè)定為500 kHz。因此本系統(tǒng)選用了高速、低功耗、逐次逼近的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD7492，它可在2.7 V～5.25 V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過(guò)率高達(dá)1 MSPS。它內(nèi)含一個(gè)低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器,它可以處理高達(dá)10 MHz的寬頻信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)對(duì)某TNT藥柱的爆炸沖擊波進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)試，分別測(cè)量距爆心14 m和19 m的沖擊波超壓值，捕獲數(shù)據(jù)完整可靠。圖8為距爆心14 m沖擊波超壓值，圖9為距爆心19 m沖擊波超壓值。

圖8 距爆心14 m沖擊波壓力信號(hào)

圖9 距爆心19 m沖擊波壓力信號(hào)

與傳統(tǒng)的引線測(cè)試系統(tǒng)相比，沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可嵌入爆炸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成沖擊波超高壓測(cè)試，特別適宜于惡劣環(huán)境下大范圍多測(cè)點(diǎn)的沖擊波測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)合。本測(cè)試系統(tǒng)為武器系統(tǒng)的爆炸威力評(píng)價(jià)提供了可靠有效的測(cè)試手段。

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