冀軍曉

摘 要： 采用一種半導體帶隙型光纖測溫儀對電點火系統(tǒng)的電磁安全裕度進行測量。測量橋絲在電磁輻射下溫度的變化，根據(jù)校準取得橋絲電流和溫升的系數(shù)，橋絲的感應(yīng)電流就可計算出來，最終獲得電點火系統(tǒng)在電磁輻射下的安全裕度。實驗結(jié)果表明，該方法能夠準確獲得復雜電磁環(huán)境下感應(yīng)的橋絲電流，是一種可靠橋絲式電點火系統(tǒng)的電磁安全裕度評估方法。

關(guān)鍵詞： 電火工品； 電磁安全裕度； 感應(yīng)電流； 半導體帶隙

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0150?03

Research on electromagnetic safety margin measurement of

bridge?wire electric ignition system

JI Jun?xiao

（Luoyang TV University， Luoyang 471000， China）

Abstract： A semiconductor band?gap optic fiber thermodetector is introduced to detect the electromagnetic safety margin of the electric ignition system. The bridge?wire′s temperature change is detected under the direction of electromagnetic radiation. The induced current of bridge?wire can be obtained by calculate the coefficients of bridge?wire′s temperature rise and current. At last the safety margins of electric ignition system are achieved under the direction of electromagnetic radiation. The experimental results show that the method can obtain accurate bridge?wire current induced in complex EM environment， and also is a reliable one to evaluate safety margins of bridge?wire electric ignition system.

Keywords： EED； electromagnetic safety margin； induce current； semiconductor band?gap

0 引 言

電點火系統(tǒng)是武器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其在復雜電磁環(huán)境下的安全性和可靠性對武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮至關(guān)重要。電點火系統(tǒng)主要由電火工品（Electro Explosive Device，EED）構(gòu)成，電火工品中通常是在兩電極之間用貴重金屬絲形成一個電橋，即灼熱型橋絲式電點火頭，處于復雜電磁環(huán)境下的橋絲，其內(nèi)部會感應(yīng)出射頻電流，感應(yīng)電流會加熱橋絲，當達到火藥點火溫度時，點火頭就發(fā)火發(fā)生爆炸，造成誤炸現(xiàn)象，對于武器系統(tǒng)來說會造成嚴重和可怕的后果。

GJB1389A?2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[1]中對于電起爆裝置，明確規(guī)定電磁安全裕度限值為16.5 dB，因此，就需要找到一種準確測量橋絲式電點火系統(tǒng)電磁安全裕度的方法。

電點火系統(tǒng)的電磁安全裕度定義是：最大不發(fā)火電流[IMNF]與感應(yīng)電流[Ii]的比值取對數(shù)再乘以20后得到的數(shù)值。如何精確測量感應(yīng)電流是確定電磁安全裕度的關(guān)鍵，通過施加不同量級校準電流給橋絲，得到橋絲上的溫升值，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合獲得橋絲溫升與感應(yīng)電流系數(shù)，通過測量橋絲的溫度變化就可以獲得對應(yīng)感應(yīng)電流。早期使用熱敏電阻、熱電偶來測量橋絲的溫升。然而在復雜電磁環(huán)境下，測量電路本身會耦合出感應(yīng)電流，疊加到橋絲感應(yīng)電流上，引入較大測量誤差，同時測量速度較慢。而利用光纖半導體器件測溫，光纖是絕緣體，在電磁場下不會感應(yīng)出任何電流，不影響電磁場的分布，不會帶來測試誤差，而且測量速度快、精度高，是目前廣泛采用的方法。

本文所采用的就是半導體帶隙型光纖測量系統(tǒng)，屬于接觸式測溫系統(tǒng)。

1 原理闡述

1.1 橋絲電流與溫度關(guān)系

通過理論計算，橋絲電流與溫度的關(guān)系式[2]為：

[T=T0+I2iRUal28K] （1）

式中：[R]為橋絲體電阻；[l]為橋絲長度；[K]是橋絲的熱擴散系數(shù)；[Ua]是橋絲的比熱；[Ii]是橋絲感應(yīng)電流；[T0]為測量現(xiàn)場溫度，對某一確定橋絲，式（1）可簡化為式（2），電流和溫度的關(guān)系可寫為：

[ΔT=T-T0=NI2i] （2）

式中：[N]是由橋絲本身性能確定的常數(shù)，因此橋絲的溫升[ΔT]與感應(yīng)電流的平方成正比。

1.2 光纖測溫原理

半導體帶隙型光纖測量系統(tǒng)的傳感器是一種基于SCBG（Semi?Conductor Band?Gap）半導體帶隙技術(shù)的光纖探頭。這種探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖探頭結(jié)構(gòu)圖

光纖溫度探頭由光纖及其頂端細小的GaAs（砷化鎵）晶體組成。當溫度發(fā)生變化時，GaAs晶體具有如下特性：其對于波長低于某一特定值的光波是不透明的，而對于高于這一波長的所有光波，具有透明特性，這一臨界的波長成為帶隙[3]。如圖2所示。

圖2 GaAs（砷化鎵）晶體光特性

光通過光纖信號調(diào)節(jié)器進入到GaAs晶體，在帶隙波長以下的光被接收，而帶隙以上的光被絕緣鏡反射回信號調(diào)節(jié)器，進入一個小型的光譜分析儀。一個線性的CCD陣列光檢波器對不同波長的光的強度進行測量。CCD陣列的每一個像素對應(yīng)一個特定經(jīng)過校準的波長，這樣就可以得出GaAs發(fā)射回來的光的譜強度分布。由于GaAs的帶隙位置隨溫度變化而變化，其位置所對應(yīng)的光譜能量分布已經(jīng)經(jīng)過校準，且與絕對溫度相對應(yīng)。這樣就能夠?qū)囟茸兓M行精確的測量。與其他干涉測量技術(shù)不同的是，對于測試中常見的機械振動及光纖移動等情況，SCBG技術(shù)不受任何影響。

2 測量與結(jié)果

2.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)框圖如圖3所示（實線框部分是半導體帶隙光纖數(shù)據(jù)采集單元），系統(tǒng)包含多路半導體帶隙光纖測溫探頭，CCD陣列光譜分析單元。

系統(tǒng)配備白光光源，其發(fā)出光束經(jīng)耦合器進入光纖，傳輸?shù)綔y溫探頭。探頭感應(yīng)橋絲溫升，使大于某一特定波長的光波被反射，反射回來的光經(jīng)同一光纖傳送到CCD陣列光譜分析單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、信號處理，把得出的對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)通過LAN端口送給計算機。

內(nèi)置校準電流源能夠根據(jù)計算機控制命令，步進輸出不同幅值校準電流信號給橋絲。計算機上的測量分析軟件繪制出橋絲上測量位置的溫度變化曲線，并將數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸。計算機控制命令也是通過LAN端口發(fā)送給光纖數(shù)據(jù)采集模塊，來控制校準電流源的輸出，并自動記錄各電流輸出下的溫度探頭讀數(shù)，經(jīng)過自動計算擬合后形成溫升/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，即公式（2）中的[N]常量。

圖3 測量系統(tǒng)組成框圖

2.2 電點火系統(tǒng)電磁安全裕度判據(jù)

對某電點火系統(tǒng)進行電磁輻射敏感度試驗時，根據(jù)測得的溫度變化值和電流源校準得到的[N]常數(shù)，計算出感應(yīng)電流值[Ii。]把電點火系統(tǒng)最大不發(fā)火電流[IMNF]與感應(yīng)電流[Ii]的比值取對數(shù)再乘以20后得到即為電磁安全裕度值[4]。如果該值大于16.5 dB ，則此電點火系統(tǒng)滿足GJB1389A?2005規(guī)定的安全裕度要求。

2.3 測量實例

試驗采用某型橋絲式電火頭，其性能指標見表1。

實驗中控制校準電流源以10 mA為步長增加，由于橋絲的熱容量很小，達到熱平衡的時間很短，所以每個電流值駐留10 s，滿足實驗精度要求，校準實驗數(shù)據(jù)見表2。

圖4 橋絲電流?溫升的擬合曲線

因此，在電場輻射下，利用測得電火頭橋絲溫度變化值[ΔT，]利用圖4所示的擬合曲線，便可以得到橋絲上的感應(yīng)電流（[Ii]），然后就可計算出安全裕度值，從而對該電點火系統(tǒng)進行電磁安全性評估。

3 結(jié) 語

原先對于電磁輻射對電點火系統(tǒng)的危害主要采用試驗進行定性的判斷，缺乏有說服力的試驗數(shù)據(jù)，判斷結(jié)果誤差較大。隨著科技的進步，以及電磁脈沖彈、微波武器的投入應(yīng)用，各種電磁輻射源功率不斷提高，使武器系統(tǒng)中電點火系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境異常惡劣。

SCBG（Semi?Conductor BandGap）半導體帶隙光纖測溫儀的應(yīng)用，解決諸如復雜電磁環(huán)境引入測試誤差、抗機械振動、測量精度、速度和穩(wěn)定性等傳統(tǒng)測試方法帶來問題，是一種精確評估橋絲式電點火系統(tǒng)電磁安全裕度的方法。

參考文獻

[1] 中國人民解放軍總裝備部.GJB1389A?2005系統(tǒng)電磁兼容性要求[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2005.

[2] 王韶光，齊杏林，曹宏安，等.電發(fā)火系統(tǒng)感應(yīng)電流測試方法研究[J].軍械工程學院學報，2003，15（4）：11?14.

[3] 靳偉，廖延彪，張志鵬，等.導波光學傳感器原理與技術(shù)[M].北京：科學出版社，1998.

[4] 陳窮.電磁兼容性工程設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[5] 張曉光，劉艷，艾瀾，等.通信開關(guān)電源的電磁兼容性[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（11）：187?189.

[6] 楊晟健，鐘清華.基于FFT和電磁輻射的低壓電弧故障檢測[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：86?88.

[7] 白敏丹.電子線路的電磁兼容性分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（14）：191?194.

圖2 GaAs（砷化鎵）晶體光特性

光通過光纖信號調(diào)節(jié)器進入到GaAs晶體，在帶隙波長以下的光被接收，而帶隙以上的光被絕緣鏡反射回信號調(diào)節(jié)器，進入一個小型的光譜分析儀。一個線性的CCD陣列光檢波器對不同波長的光的強度進行測量。CCD陣列的每一個像素對應(yīng)一個特定經(jīng)過校準的波長，這樣就可以得出GaAs發(fā)射回來的光的譜強度分布。由于GaAs的帶隙位置隨溫度變化而變化，其位置所對應(yīng)的光譜能量分布已經(jīng)經(jīng)過校準，且與絕對溫度相對應(yīng)。這樣就能夠?qū)囟茸兓M行精確的測量。與其他干涉測量技術(shù)不同的是，對于測試中常見的機械振動及光纖移動等情況，SCBG技術(shù)不受任何影響。

2 測量與結(jié)果

2.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)框圖如圖3所示（實線框部分是半導體帶隙光纖數(shù)據(jù)采集單元），系統(tǒng)包含多路半導體帶隙光纖測溫探頭，CCD陣列光譜分析單元。

系統(tǒng)配備白光光源，其發(fā)出光束經(jīng)耦合器進入光纖，傳輸?shù)綔y溫探頭。探頭感應(yīng)橋絲溫升，使大于某一特定波長的光波被反射，反射回來的光經(jīng)同一光纖傳送到CCD陣列光譜分析單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、信號處理，把得出的對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)通過LAN端口送給計算機。

內(nèi)置校準電流源能夠根據(jù)計算機控制命令，步進輸出不同幅值校準電流信號給橋絲。計算機上的測量分析軟件繪制出橋絲上測量位置的溫度變化曲線，并將數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸。計算機控制命令也是通過LAN端口發(fā)送給光纖數(shù)據(jù)采集模塊，來控制校準電流源的輸出，并自動記錄各電流輸出下的溫度探頭讀數(shù)，經(jīng)過自動計算擬合后形成溫升/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，即公式（2）中的[N]常量。

圖3 測量系統(tǒng)組成框圖

2.2 電點火系統(tǒng)電磁安全裕度判據(jù)

對某電點火系統(tǒng)進行電磁輻射敏感度試驗時，根據(jù)測得的溫度變化值和電流源校準得到的[N]常數(shù)，計算出感應(yīng)電流值[Ii。]把電點火系統(tǒng)最大不發(fā)火電流[IMNF]與感應(yīng)電流[Ii]的比值取對數(shù)再乘以20后得到即為電磁安全裕度值[4]。如果該值大于16.5 dB ，則此電點火系統(tǒng)滿足GJB1389A?2005規(guī)定的安全裕度要求。

2.3 測量實例

試驗采用某型橋絲式電火頭，其性能指標見表1。

實驗中控制校準電流源以10 mA為步長增加，由于橋絲的熱容量很小，達到熱平衡的時間很短，所以每個電流值駐留10 s，滿足實驗精度要求，校準實驗數(shù)據(jù)見表2。

圖4 橋絲電流?溫升的擬合曲線

因此，在電場輻射下，利用測得電火頭橋絲溫度變化值[ΔT，]利用圖4所示的擬合曲線，便可以得到橋絲上的感應(yīng)電流（[Ii]），然后就可計算出安全裕度值，從而對該電點火系統(tǒng)進行電磁安全性評估。

3 結(jié) 語

原先對于電磁輻射對電點火系統(tǒng)的危害主要采用試驗進行定性的判斷，缺乏有說服力的試驗數(shù)據(jù)，判斷結(jié)果誤差較大。隨著科技的進步，以及電磁脈沖彈、微波武器的投入應(yīng)用，各種電磁輻射源功率不斷提高，使武器系統(tǒng)中電點火系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境異常惡劣。

SCBG（Semi?Conductor BandGap）半導體帶隙光纖測溫儀的應(yīng)用，解決諸如復雜電磁環(huán)境引入測試誤差、抗機械振動、測量精度、速度和穩(wěn)定性等傳統(tǒng)測試方法帶來問題，是一種精確評估橋絲式電點火系統(tǒng)電磁安全裕度的方法。

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[7] 白敏丹.電子線路的電磁兼容性分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（14）：191?194.

圖2 GaAs（砷化鎵）晶體光特性

光通過光纖信號調(diào)節(jié)器進入到GaAs晶體，在帶隙波長以下的光被接收，而帶隙以上的光被絕緣鏡反射回信號調(diào)節(jié)器，進入一個小型的光譜分析儀。一個線性的CCD陣列光檢波器對不同波長的光的強度進行測量。CCD陣列的每一個像素對應(yīng)一個特定經(jīng)過校準的波長，這樣就可以得出GaAs發(fā)射回來的光的譜強度分布。由于GaAs的帶隙位置隨溫度變化而變化，其位置所對應(yīng)的光譜能量分布已經(jīng)經(jīng)過校準，且與絕對溫度相對應(yīng)。這樣就能夠?qū)囟茸兓M行精確的測量。與其他干涉測量技術(shù)不同的是，對于測試中常見的機械振動及光纖移動等情況，SCBG技術(shù)不受任何影響。

2 測量與結(jié)果

2.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)框圖如圖3所示（實線框部分是半導體帶隙光纖數(shù)據(jù)采集單元），系統(tǒng)包含多路半導體帶隙光纖測溫探頭，CCD陣列光譜分析單元。

系統(tǒng)配備白光光源，其發(fā)出光束經(jīng)耦合器進入光纖，傳輸?shù)綔y溫探頭。探頭感應(yīng)橋絲溫升，使大于某一特定波長的光波被反射，反射回來的光經(jīng)同一光纖傳送到CCD陣列光譜分析單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、信號處理，把得出的對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)通過LAN端口送給計算機。

內(nèi)置校準電流源能夠根據(jù)計算機控制命令，步進輸出不同幅值校準電流信號給橋絲。計算機上的測量分析軟件繪制出橋絲上測量位置的溫度變化曲線，并將數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸。計算機控制命令也是通過LAN端口發(fā)送給光纖數(shù)據(jù)采集模塊，來控制校準電流源的輸出，并自動記錄各電流輸出下的溫度探頭讀數(shù)，經(jīng)過自動計算擬合后形成溫升/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，即公式（2）中的[N]常量。

圖3 測量系統(tǒng)組成框圖

2.2 電點火系統(tǒng)電磁安全裕度判據(jù)

對某電點火系統(tǒng)進行電磁輻射敏感度試驗時，根據(jù)測得的溫度變化值和電流源校準得到的[N]常數(shù)，計算出感應(yīng)電流值[Ii。]把電點火系統(tǒng)最大不發(fā)火電流[IMNF]與感應(yīng)電流[Ii]的比值取對數(shù)再乘以20后得到即為電磁安全裕度值[4]。如果該值大于16.5 dB ，則此電點火系統(tǒng)滿足GJB1389A?2005規(guī)定的安全裕度要求。

2.3 測量實例

試驗采用某型橋絲式電火頭，其性能指標見表1。

實驗中控制校準電流源以10 mA為步長增加，由于橋絲的熱容量很小，達到熱平衡的時間很短，所以每個電流值駐留10 s，滿足實驗精度要求，校準實驗數(shù)據(jù)見表2。

圖4 橋絲電流?溫升的擬合曲線

因此，在電場輻射下，利用測得電火頭橋絲溫度變化值[ΔT，]利用圖4所示的擬合曲線，便可以得到橋絲上的感應(yīng)電流（[Ii]），然后就可計算出安全裕度值，從而對該電點火系統(tǒng)進行電磁安全性評估。

3 結(jié) 語

原先對于電磁輻射對電點火系統(tǒng)的危害主要采用試驗進行定性的判斷，缺乏有說服力的試驗數(shù)據(jù)，判斷結(jié)果誤差較大。隨著科技的進步，以及電磁脈沖彈、微波武器的投入應(yīng)用，各種電磁輻射源功率不斷提高，使武器系統(tǒng)中電點火系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境異常惡劣。

SCBG（Semi?Conductor BandGap）半導體帶隙光纖測溫儀的應(yīng)用，解決諸如復雜電磁環(huán)境引入測試誤差、抗機械振動、測量精度、速度和穩(wěn)定性等傳統(tǒng)測試方法帶來問題，是一種精確評估橋絲式電點火系統(tǒng)電磁安全裕度的方法。

參考文獻

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