黃 慧,胡向南,馬鐵華*,文治國

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

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電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)的電磁兼容設計

黃 慧1,胡向南1,馬鐵華1*,文治國2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

由于電熱化學炮發(fā)射時存在強電磁干擾和地電位浮動,膛壓測試系統(tǒng)的測試準確性和儀器的安全性均受到了嚴重的影響。針對這一問題,根據(jù)惡劣條件下的動態(tài)測試理論,利用PCB的電磁兼容技術,不同材料多層組合的屏蔽技術,接地技術,濾波技術以及光電隔離技術,完成了基于電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)的電磁兼容設計。并通過試驗驗證了這種設計能有效解決電磁干擾問題,確保獲得可靠的膛壓數(shù)據(jù),對分析電熱化學炮結構的合理性,炮架的強度和剛度設計等有重要意義。

電熱化學炮;動態(tài)測試;膛壓;電磁兼容

為了更好的完成火炮的作戰(zhàn)任務,未來的火炮必須大幅度提高性能,但傳統(tǒng)的方法已接近極限。各軍事大國對新的火炮發(fā)射源進行了廣泛的研究和探索,其中以電熱化學炮為代表的電能武器發(fā)展最為迅速。電熱化學炮是一個混合系統(tǒng),它通過脈沖電源的電弧放電產生等離子體,并與化學工質相互作用使其燃燒或分解釋放出化學能作為共同驅動彈丸的能量,由電源、脈沖形成網絡、炮身、炮架等部分組成,炮彈由等離子體噴管、化學推進劑和彈丸組成,彈丸的初速度大,最高可達3 km/s～4 km/s,射程遠,其炮口動能比傳統(tǒng)火炮提高約25%～55%[1-3]。準確可靠的電熱化學炮膛壓參數(shù)對于研究等離子體點火、增強作用和裝藥結構的合理性,炮彈外彈道初速的預測,以及炮架的強度和剛度設計等都是十分重要的依據(jù)。但由于電熱化學炮發(fā)射時存在高壓脈沖、大電流放電產生的多種強電磁干擾,這些干擾信號以電場、磁場、電磁場形式通過耦合的方式進入測試系統(tǒng)的測壓回路[4-5],使獲取的高瞬態(tài)膛壓數(shù)據(jù)的準確性產生嚴重影響。同時,炮體存在地電位浮動的問題,可能危害測試設備和實驗人員的安全[6]。根據(jù)惡劣條件下的動態(tài)測試理論[7],提出了基于電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)的電磁兼容技術,解決了電熱化學炮發(fā)射的強電磁環(huán)境下,膛壓測試系統(tǒng)的安全性、可靠性和精確度。

1 電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)

電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)由現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)和遠程在線子系統(tǒng)構成。其原理圖如圖1所示。

圖1 電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)

壓力傳感器固定在電熱化學炮炮管內測試點上,通過低噪聲電纜與現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)連接,并將測得的壓力信號轉換為電荷量,經信號調理、A/D轉換后以12 bit并行數(shù)字信號的形式在CPLD控制下存入存儲器,同時由編碼/譯碼模塊進行并/串轉換,根據(jù)異步串行傳輸協(xié)議,經光模塊調制形成光脈沖后耦合進入光纖長距離傳輸;遠程在線子系統(tǒng)對光脈沖信號進行光電轉換,由編碼/譯碼電路根據(jù)傳輸協(xié)議進行解碼、串并轉換后,由D/A恢復出測試信號波形,進入采集系統(tǒng)或由瞬態(tài)波形記錄儀實時顯示。如果測到的數(shù)據(jù)符合要求,則可通過遠程在線子系統(tǒng)對現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)發(fā)出復位信號,循環(huán)采樣,并可繼續(xù)試驗。如果測到的數(shù)據(jù)波形不理想,則可將現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)讀出,以作比較。

圖2 PCB疊層設計

2 電磁兼容設計

對于任何系統(tǒng),進行電磁兼容設計時都應圍繞電磁干擾的3個要素:騷擾源、耦合途徑和敏感設備來進行,即消除或減弱騷擾源的影響;切斷耦合途徑;降低敏感設備的敏感度。最常用的方法就是合理的PCB設計、屏蔽、濾波以及接地。

2.1 印制電路板的電磁兼容設計

由于電路板上無源器件的接收或耦合,使得自由空間變成了回流路徑,就會發(fā)生電磁干擾,從而影響信號。因此,PCB電磁兼容技術的使用成為電子設備及系統(tǒng)正常工作的關鍵因素。

①多層PCB設計

多層PCB可減小電磁輻射強度、改善輻射特性,從而增加抗干擾能力。因而本測試系統(tǒng)的電路設計采用了六層PCB板。其疊層設計如圖2所示。

對于電路板的布線,電源平面應靠近并安排在地平面之下,且布線層應盡量安排與整塊金屬板平面相鄰;數(shù)字電路和模擬電路分開,數(shù)字地和模擬地分開;單獨布置時鐘電路和高頻電路并遠離敏感電路;中間層的印制線條形成帶狀線,在表面層的印制線條形成微帶線。

對于元器件的布局,按照信號的流程安排各個功能電路的位置;圍繞各個功能電路的核心元器件進行布局,盡量減少各元器件間的引線和連接;對于高頻電路,應考慮到元器件間的分布參數(shù)。

同時利用20-H原則和3-W原則控制PCB電源層與邊沿距離以及印制線條間距離。

②時鐘電路的設計

時鐘電路對實現(xiàn)數(shù)字電路功能至關重要,但其也是PCB電磁輻射的主要來源。時鐘電路設計中的主要問題包括阻抗控制、時鐘線長度控制。

數(shù)字電路的時鐘頻率很高,時鐘前沿很陡,時鐘信號對時延很敏感。當印制線條造成的延遲達到一定數(shù)值時,如印制線條終端阻抗與印制線條特性阻抗不匹配,時鐘信號就會發(fā)生嚴重的反射并疊加到原信號上而引發(fā)誤碼。阻抗匹配方法有串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、戴維南網絡、RC網絡、二極管陣列等。

時鐘線條的實際長度通常應小于計算的最大印制線長。任何時候時鐘線都應當遵從越短越好的原則,時鐘線越長,線條的互感就越大,輻射能量就越大。較短的時鐘線不需要進行端部阻抗匹配。本PCB設計中時鐘源靠近目標器件,時鐘線長分別為7 mm和3 mm,因此不需要進行端部阻抗匹配。

③地線和電源線的抗干擾設計

地線和電源線上的噪聲電壓不僅會造成電路工作不正常,而且會產生較強的電磁輻射。為減少這些干擾,應減小地線和電源線的阻抗。對于數(shù)字電路,當頻率超過1 kHz時,導線的阻抗主要由導線的電感決定,其阻抗隨著電感的增加而增加。因此,對于數(shù)字電路,重要任務就是減小電感。

兩根帶互感的、載有同方向電流的平行導線,并聯(lián)后的電感為L=(L1+M)/2,M為互感。因而本設計中通過多條導線并聯(lián)來減小電感。

兩根帶互感的、載有反方向電流的平行導線,串聯(lián)后的電感L=L1+L2-2M,M越大,L越小。本設計中信號線與回流線、電源線與地線反向平行,保證了回路面積為零,減小了電感。

④數(shù)字電路電容的設計

設計印制電路板時要在電路上加電容以達到數(shù)字電路工作時要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。當高速元件的邊沿速率較高時,就會產生射頻電流?；陔娙莸呐月泛屯笋羁煞乐闺姶拍芰繌囊粋€回路傳導到另一個回路。通常采用并聯(lián)退耦電容來消除電源噪聲,其典型值為0.1 pF與0.001 pF并聯(lián)。對50 MHz及更高的時鐘頻率,采用0.01 pF與100 pF并聯(lián)。

2.2 不同材料多層組合電磁屏蔽技術

電磁屏蔽的作用是使電磁波從屏蔽體的一側經屏蔽體內部進入另一側后被部分或全部衰減,從而減少外部騷擾源產生的電磁場對屏蔽體內部的影響,或者阻止屏蔽體內部騷擾源產生的電磁場傳播到外部空間。

2.2.1 屏蔽結構設計

電熱化學炮發(fā)射時會產生強電磁干擾,其主要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)生器熄弧和負載電流。針對上述干擾源,設計了不同材料多層組合的屏蔽結構,如圖3所示。

圖3 不同材料多層組合的屏蔽結構圖

膛壓測試現(xiàn)場子系統(tǒng)的所有電路及電池被密封在多層屏蔽結構內,外層屏蔽材料是磁導率較高的30#鋼.不僅對電場有良好的屏蔽,也對磁場有一定的屏蔽作用,同時它具有的強度可以對測試系統(tǒng)起到支撐和保護作用。中間屏蔽層材料是電導率大的退火紫銅,確保電路模塊不同部位的壓差較小。內層屏蔽材料是磁導率很高的坡莫合金,利用磁力線的旁路原理對低頻磁場進行屏蔽。各屏蔽材料的相關參數(shù)見表1。為不影響屏蔽效果,在各屏蔽層間利用絕緣漆或硅橡膠墊確保絕緣,同時在必須開孔的地方做相應處理,如在光纖引出孔處另外增加了保護端蓋,把開孔后對屏蔽的影響降低。

表1 各屏蔽材料的有關參數(shù)

2.2.2 電磁屏蔽效能分析

理論分析得出,在屏蔽體兩側媒質相同時,總的磁場傳輸系數(shù)TH與總的電場傳輸系數(shù)TE相等,即

TH=TE=T=t(1-re-2kl)-1e(k0-k)l

(1)

則電磁屏蔽效能為,

(2)

其中,A=20lge(k-k0)l是電磁波在屏蔽體中的吸收損耗;R=-20lgt是電磁波在屏蔽體的表面產生的反射損耗;B=20lg(1-re-2kl)是電磁波在屏蔽體內多次反射的損耗。對于大多數(shù)的電子產品的屏蔽材料,其屏蔽效能達到30 dB以上,方認為是有效屏蔽[8]。

由于電熱化學炮實際發(fā)射時電磁波各頻率分量難以確定,因而把實際發(fā)射環(huán)境電磁波分為高頻和低頻兩部分來分析[9]。低頻干擾來自負載電流、等離子體電爆炸和熄弧,通過連接線路耦合到信號系統(tǒng)中,其頻率一般為kHz量級;高頻干擾主要來來自高壓脈沖發(fā)生器和傳輸線,其頻率一般大于100 kHz,可通過空間輻射耦合到信號系統(tǒng)中[10]。

當電磁波頻率較高時,吸收損耗大于反射損耗,是屏蔽效能中的主要因素。吸收損耗是電磁波通過屏蔽體所產生的熱損耗引起的。

電磁波在屏蔽體內的傳播常數(shù):

(3)

由于k0?α,因而吸收損耗可忽略e-k0l因子,則吸收損耗表達式為:

(4)

其中l(wèi)為壁厚(cm),f為電磁波頻率(Hz),μr、σr為屏蔽體的相對磁導率、相對電導率。

當頻率為200 kHz時,由式計算可得,A鋼為907.6 dB,A紫銅為287.0 dB,A坡莫合金為143.5 dB,總的電磁屏蔽效能為1092.6 dB,因而其干擾可忽略不計。

當電磁波頻率減小,吸收損耗隨之減小,而反射損耗則越來越大,越來越成為屏蔽效能的主要因素。

反射損耗是由屏蔽體表面處阻抗不連續(xù)性引起的,計算為:

(5)

Zw為干擾場的特征阻抗,即自由空間波阻抗。η為屏蔽材料的特征阻抗。

測試系統(tǒng)與干擾源的距離(設為3 m)遠小于λ/2π,所以測試系統(tǒng)處于近場區(qū)。主要考慮在近場中電磁波的反射損耗。

在低阻抗磁場源的近場

(6)

在高阻抗電場源的近場

(7)

式中,r為電場源至屏蔽體的距離(m),f為頻率(Hz),把式(6)、式(7)代入式(5),可得到2種情況下的反射損耗。

高阻抗電場源:

(8)

低阻抗磁場源:

(9)

假設干擾源的頻率為10 Hz。則得出RE鋼為237 dB,RE紫銅為281 dB,故低頻電場的干擾可忽略不計。但RH鋼為0 dB,RH紫銅為34 dB,因而低頻磁場的干擾不能忽略。

由上述分析計算可知.低頻磁場是最難屏蔽的磁場,不能通過無限的增加屏蔽材料的厚度來屏蔽,通常選用高導磁材料作屏蔽,不僅可以吸收損耗,同時高導磁材料構成的屏蔽體為磁場提供低磁阻通路.利用高導磁材料的旁路原理屏蔽低頻磁場。

將實際參數(shù)代入上述兩式,可計算出由第1層屏蔽材料30#鋼和第3層屏蔽材料坡莫合金可達到的屏蔽效能約為80 dB?？梢娎酶邔Т挪牧蠘嫵傻牡钠帘误w起到了屏蔽的作用。

2.3 接地技術

接地就是為電路或系統(tǒng)提供一個基準地,或為電流回流提供一條低阻抗路徑。接地是解決電磁兼容問題最有效和最廉價的方法,良好的接地設計可以提高抗擾度并減小電磁發(fā)射。本設計中整個測試系統(tǒng)與電熱化學炮系統(tǒng)采用多點接地,其中輸入信號通過傳感器連接孔以機械殼體為參考點,30#鋼內壁和退火紫銅金屬殼體外層搭接,退火紫銅內壁鍍以坡莫合金。內部電路通過傳感器連接孔與機械殼體相連,整個機械殼體以大地為參考點。

2.4 濾波技術

實踐表明,即使測試系統(tǒng)具有良好電磁屏蔽效能和接地措施,仍然會有傳導干擾進入。因此,恰當?shù)卦O計和正確使用濾波器對抑制傳導干擾是極為重要的。

本設計中采用前置濾波電路以削弱噪聲。在膛壓測試中,電熱化學炮膛壓頻譜在0～5 kHz,而主要干擾源的頻譜在10 kHz以上,因此需要設計低通濾波器,抑制高頻噪聲,避免在一定的采樣頻率下造成信號頻譜的混疊。當激勵信號的頻率太高時,傳感器將出現(xiàn)共振現(xiàn)象,信號轉換失真。因此,為了正確測試膛壓信號,濾波器的低頻帶要有較好的平直性,對高頻噪聲有一定的衰減作用即可,故選用壓控電壓源二階低通濾波器。

2.5 光電隔離技術

電熱化學炮等離子體發(fā)生器內兩極間電壓可達數(shù)千伏特,峰值電流可達上百千安,此時等離子體發(fā)生器的等效阻抗變小(約為幾十毫歐),在高電壓大電流的情況下,連接等離子體發(fā)生器陰極的電纜上將產生電壓變化,導致等離子體發(fā)生器地電位浮動。壓電傳感器直接與等離子體發(fā)生器陰極相連,如果測試信號與數(shù)據(jù)記錄設備間沒有隔離措施,則浮動的地電位將通過電纜的屏蔽層與測量地構成通流回路,產生較大的瞬時電流,對測試人員和測試設備嚴重的產生危害[11]。因此,在信號傳輸端,需采用一定的隔離措施。

在傳輸通道端,可以采用線性光耦,隔離運放和光纖傳輸,但線性光耦和隔離運放電壓隔離度不高,而外皮沒有金屬的光纖是最有效的高壓隔離方式[12]。光纖傳輸因其傳輸數(shù)字信號,在信號處理及傳輸過程中有更強的抑制干擾的能力;同時,由于光纖具有帶寬寬、損耗小、光載頻頻率高等優(yōu)點,特別適合于高速數(shù)字信號傳輸,傳輸誤碼率小;尤其是光纖的基本材料二氧化硅,絕緣性能好,電磁波很難耦合入光纖[13],普通電磁干擾波長比光傳輸所用波長低幾個數(shù)量級,不可能引起光敏接收器件的響應。同時,一般電磁騷擾的頻率在1 GHz以下,對于紅外光和可見光不產生影響,故可將電信號轉換為光信號,利用光纖通信以防止電磁干擾[14]。

圖4 電熱炮膛壓測試系統(tǒng)的應用示意圖

3 試驗與結果分析

電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)測試示意圖如圖4所示。壓電傳感器固定在各個測試點上,通過低噪聲屏蔽電纜與現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)相連,再用金屬屏蔽體把壓力傳感器、低噪聲電纜和現(xiàn)場存儲子系統(tǒng)一起屏蔽,數(shù)字信號經光纖傳輸至遠程在線子系統(tǒng),恢復為原始壓力信號傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

試驗分別采用傳統(tǒng)膛壓測試系統(tǒng)和經過電磁兼容設計的膛壓測試系統(tǒng)測某炮膛內700 mm處的膛壓信號進行對比,如圖5、圖6。兩圖中縱軸均為膛壓測試系統(tǒng)所測膛壓值,單位為MPa,橫軸為時間,單位為ms。圖5為傳統(tǒng)膛壓測試系統(tǒng)測得的膛壓曲線,可見其干擾信號較多,且干擾信號對信號完整性的影響較大。圖6為經過電磁兼容設計的膛壓測試系統(tǒng)測得的膛壓曲線,與圖5壓力曲線輪廓和變化趨勢一致,波形幅值大致相當,且與圖5對比可知其膛壓信號幾乎沒有受到電磁干擾,信號上升時間約為2 ms,并可見信號初始階段有尖峰,其為等離子發(fā)生器毛細管中的電爆炸絲“常壓爆炸”[15]形成的激波。

圖5 傳統(tǒng)膛壓測試系統(tǒng)測得的膛壓曲線

圖6 經過電磁兼容設計的膛壓測試系統(tǒng)測得的膛壓曲線

4 結論

電熱化學炮膛壓測試系統(tǒng)的電磁兼容設計結合了不同材料多層組合的屏蔽技術,接地技術,濾波技術以及光電隔離技術,在電熱化學炮發(fā)射時的強電磁環(huán)境下,利用電磁兼容技術可以有效的抑制各種電磁干擾,獲得準確完整的膛壓信號曲線。同時該技術可以拓展應用到各種強電磁場干擾環(huán)境下的參數(shù)測試場合。

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黃慧(1989-),女,湖南益陽人,中北大學碩士研究生,主要從事動態(tài)測試與智能儀器研究,451172745@qq.com;

胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大學碩士研究生,主要從事動態(tài)測試與智能儀器研究,hxn_1989@126.com;

馬鐵華(1964-),男,山西交城人,中北大學教授、博士生導師。主要研究方向為新型傳感技術及動態(tài)測試技術,matiehua@nuc.edu.cn。

TheElectromagneticCompatibilityDesignofElectro-ThermalChemicalGunChamberPressureMeasureSystem

HUANGHui1,HUXiangnan1,MATiehua1*,WENZhiguo2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;(2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Because of the serious electromagnetic interference and the voltage fluctuation when the Electro-Thermal Chemical Gun(ETCG)launched,the accurateness of measurement and the security of apparatus of chamber pressure measure system are seriously affected. Aiming at these problems,the electromagnetic compatibility design of ETCG chamber pressure measure system was accomplished by using PCB EMC techniques,shielding techniques based on multi-layer combinations of different materials,grounding and filtering techniques and optical isolation technology. The design is based on the theory of dynamic measurement in mal-condition. The design is verified by test that it can effectively solve the problem of electromagnetic interference and obtain valid data. It plays an important role in charging structure reasonability and the strength and stiffness design of ETCG.

electro-thermal chemical gun;dynamic measurement;chamber pressure;electromagnetic compatibility

2014-06-10修改日期:2014-08-01

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.014

TJ306

:A

:1004-1699(2014)09-1226-06