LIU Fan，F(xiàn)AN Jinbiao*，DU Hongmian，JIAO Yaohan，LIU Shilong，LIANG Yongye，MIAO Songzhen

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Design of Thermal-Baric Explosive Explosion Temperature Measuring System Based on Wireless and Memory Test Technology

LIU Fan1，F(xiàn)AN Jinbiao1*，DU Hongmian1，JIAO Yaohan1，LIU Shilong2，LIANG Yongye1，MIAO Songzhen3

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Detonating time of thermal-baric explosive is long，the explosion temperature is high and the accompanying explosion damage is serious.These properties make the explosion temperature test difficult.To effectively evaluate thermal damage effect of temperature pressure ammunition，storage technology is applied in the explosive transient high temperature test.Wireless sensor network technology is combined with it to remote monitor status of test equipment as intelligent test.We can be 500 meters outside the remote monitoring test instrument，this can ensure the safety of the experimenters.System uses E12 type thermocouple，has short response time and the maximum temperature of 2 300℃.To ensure the accuracy，dynamic calibration experiment of the test system was made.The test system device is successfully applied in real field test of small equivalent thermal-baric explosive.Experimental results showed that the designed system is simple in operation，safe in use，and the application prospect is perfect.

thermal-baric explosive;storage test;wireless sensor network;dynamic calibratione;field experiment

溫壓炸藥可被視為混合炸藥，兼具高能炸藥和燃料空氣炸藥的特點(diǎn)，是一種富燃料的高能炸藥。有別于傳統(tǒng)彈藥以破片或金屬射流等作為主要?dú)侄?，溫壓炸藥特別適合毀傷洞穴、地下工事、建筑物等封閉空間內(nèi)的有生力量，已成為當(dāng)前混合炸藥發(fā)展的熱點(diǎn)［1］。溫壓炸藥主要是利用溫度和壓力效應(yīng)產(chǎn)生殺傷效果，引爆后會(huì)發(fā)生劇烈燃燒，大量向四周輻射熱量，同時(shí)產(chǎn)生沖擊波［2］。因此溫壓炸藥爆炸溫度的精確測(cè)量對(duì)于炸藥能量釋放規(guī)律和熱毀傷效應(yīng)的研究具有重要意義［3］。目前主要使用非接觸法來測(cè)量炸藥的爆炸溫度。非接觸法主要有輻射測(cè)溫法和原子光譜測(cè)溫法，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得火球表面溫度、尺寸以及火球持續(xù)時(shí)間等特征參量，缺點(diǎn)是野外試驗(yàn)需提供電力支持機(jī)動(dòng)性差、不能有效獲取火球內(nèi)部溫度［4］。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)［5］，作為測(cè)試計(jì)量技術(shù)的一個(gè)特色分支，廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高沖擊、強(qiáng)電磁干擾、不易引線等特殊、惡劣環(huán)境下的信息獲取。本文介紹了一種基于存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)溫壓炸藥爆溫測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試裝置布設(shè)與爆炸場(chǎng)中，人員遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)完成溫度參量的采集與存儲(chǔ)，事后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)被測(cè)信息。

1 溫壓炸藥的爆炸特性及測(cè)試難點(diǎn)

溫壓炸藥的爆炸過程主要由以下3個(gè)“事件”組成:(1)最初的無氧爆炸反應(yīng)，無需從周圍空氣中吸取氧氣，持續(xù)時(shí)間續(xù)時(shí)間小于1 μs。此階段僅釋放一部分能量，并產(chǎn)生大量富含燃料的產(chǎn)物。(2)爆炸后的無氧燃燒反應(yīng)，也無需從周圍空氣中吸取氧氣，持續(xù)時(shí)間為數(shù)十到幾百微秒，主要是燃料粒子的燃燒。(3)爆炸后的有氧燃燒反應(yīng)，需從空氣中吸取氧氣，持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)百毫秒級(jí)，主要是富含燃料的產(chǎn)物與周圍空氣混合燃燒。此階段釋放大量能量，延長(zhǎng)了沖擊波的持續(xù)時(shí)間，并使火球越來越大。

這3個(gè)“事件”確定了溫壓炸藥的基本性能以及溫壓炸藥爆炸溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的難點(diǎn):(1)溫壓彈爆炸作用時(shí)間短，爆溫具有瞬變特性，測(cè)試系統(tǒng)需進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)來確保其測(cè)量精度(2)溫壓彈爆炸火球毀傷面積大且伴隨強(qiáng)沖擊波，傳統(tǒng)引線式接觸式測(cè)溫方法和非接觸式輻射式測(cè)溫方法在爆炸近場(chǎng)溫度測(cè)試均表現(xiàn)出不足，測(cè)試裝置能放置于爆炸火球中測(cè)量，耐高溫高壓沖擊;(3)溫壓炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生大量有毒氣體和煙霧，導(dǎo)致局部空氣缺氧，為保證參試人員的人身安全，在安全距離外相關(guān)操作人員能遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由多個(gè)相同的智能溫度測(cè)點(diǎn)(子系統(tǒng))和主控制臺(tái)組成，每個(gè)子系統(tǒng)又包括傳感器模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA控制器、閃存FLASH等模塊。信號(hào)調(diào)理電路完成傳感器模塊輸出信號(hào)的放大、濾波等; A/D轉(zhuǎn)換器完成調(diào)理后的模擬信號(hào)的數(shù)字化;然后數(shù)字量按照控制模塊的寫入命令寫入閃存存儲(chǔ)模塊，完成了信號(hào)的采集和存儲(chǔ);主控制臺(tái)通過無線的方式控制智能溫度測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行采樣頻率、放大倍數(shù)和觸發(fā)方式等參數(shù)的設(shè)定。測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。表1所示為系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

表1 測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3 傳感器的選型及校準(zhǔn)方法介紹

溫壓炸藥在爆炸過程中爆轟時(shí)間為ms級(jí)，沖擊波壓力小于10 MPa［6］，為了準(zhǔn)確記錄下爆炸時(shí)溫度變化曲線，本測(cè)試系統(tǒng)最終選用NANMAC公司的E12型侵蝕熱電偶。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 E12型侵蝕熱電偶技術(shù)指標(biāo)

由表2可知，該傳感器從上升時(shí)間、測(cè)量溫度范圍以及耐壓性能等方面，均能滿足測(cè)試系統(tǒng)性能的要求。

由于爆溫的瞬變性，采用瞬態(tài)表面溫度傳感器可溯源動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)［7］對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，確保測(cè)試系統(tǒng)精度。如圖2所示，系統(tǒng)中采用大功率高頻調(diào)制CO2激光器作為加熱熱源來實(shí)現(xiàn)對(duì)E12型侵蝕熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。CO2激光器的能量通過全反射鏡和聚光鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)得以匯聚，被校傳感器和輻射溫度計(jì)同時(shí)對(duì)熱源進(jìn)行測(cè)量。校準(zhǔn)過程如圖3所示。

為此，在研發(fā)創(chuàng)新方面，華岳每年投入大量資金，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和智能化程度，同時(shí)也收獲了寶貴的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。截至目前，公司共獲得48項(xiàng)專利，其中發(fā)明專利7項(xiàng)，實(shí)用新型38項(xiàng)，有力支撐了產(chǎn)品更新升級(jí)和向高端化發(fā)展。

同時(shí)利用校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)E12型熱電偶的上升時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。CO2激光器激勵(lì)脈寬為300 μs時(shí)，E12型熱電偶的輸出信號(hào)如圖4所示。激勵(lì)熱電偶從零值到最大值所需時(shí)間為334 μs，由于激光消失時(shí)前熱能達(dá)到最大，也就是說300 μs后達(dá)最大，所以E12型熱電偶的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該小于51 μs。

圖2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)光路圖

圖3 可溯源動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過程框圖

圖4 脈寬為300 μs時(shí)熱電偶輸出信號(hào)

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 冷端補(bǔ)償技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)溫度的精確測(cè)試，使用E12型侵蝕熱電偶必須做好冷端補(bǔ)償措施［8］。直接使用分度表顯然會(huì)引進(jìn)誤差，必須設(shè)計(jì)合適冷端補(bǔ)償電路來解決這個(gè)問題。如圖5所示即是利用AD590作為熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)碾娐吩韴D，AD590作為熱電偶冷端的溫度敏感原件，對(duì)冷端的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量溫度后輸出的電流隨冷端溫度改變而改變。經(jīng)過R1和R2的電阻分壓作用，VIN－的輸入是一個(gè)2.5 V的恒壓值，為輸入放大提供一個(gè)共模量。電流I通過電阻R3時(shí)，所形成的的電壓為VIN+，即是冷端補(bǔ)償電壓。即:

由上式可知，當(dāng)環(huán)境溫度為零度時(shí)，INA128放大器的輸入端壓差(VIN+和VIN－的差值)為零。當(dāng)環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，其輸入電壓就變化9.1 mV。

圖5 冷端補(bǔ)償原理圖

4.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)工況設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［9］的應(yīng)用，使得測(cè)試儀器可以放置爆炸火球中進(jìn)行溫度測(cè)量，同時(shí)各溫度測(cè)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，具有統(tǒng)一的工作時(shí)基。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工況合理設(shè)計(jì)，確保測(cè)試系統(tǒng)的可靠高效完成測(cè)試任務(wù)。

系統(tǒng)從斷電態(tài)進(jìn)入到供電態(tài)后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主、從節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行初始化，完成星型網(wǎng)絡(luò)組建成功。組網(wǎng)成功后系統(tǒng)分為命令給出及測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。命令給出階段，根據(jù)不同距離測(cè)點(diǎn)處溫度大小和變化快慢不同，主控制臺(tái)完成對(duì)各測(cè)點(diǎn)觸發(fā)方式、采樣頻率、增益等參數(shù)的配置。此時(shí)系統(tǒng)處于循環(huán)采樣狀態(tài)，參試人員可以離場(chǎng)。在起爆前1 s～2 s，各測(cè)點(diǎn)裝置接受無線觸發(fā)命令，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸階段。在該階段，系統(tǒng)接收到同步觸發(fā)信號(hào)后給MCU一個(gè)反饋信號(hào)，使無線模塊下電，防止爆炸時(shí)爆轟區(qū)的電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的干擾。1 min后打開無線模塊電源，重新初始化無線模塊并重新組網(wǎng)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 無線傳感網(wǎng)絡(luò)工況狀態(tài)圖

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)估溫壓彈藥無線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)對(duì)1.5 kg相同藥劑的溫壓炸藥進(jìn)行了實(shí)爆測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布設(shè)參照相關(guān)國(guó)軍標(biāo)［10］要求，采用距爆心徑向分布，距爆心分別為0.6 m、1.5 m和2 m。溫壓炸藥引爆前，主控制臺(tái)通過無線給各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置;爆炸結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖9所示為典型溫度測(cè)試曲線，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知:(1)1.5 m處爆溫峰值比0.6 m處大，比2 m處小，溫壓炸藥爆溫并非離爆心越遠(yuǎn)溫度越低，而是有一個(gè)先升后降的變化趨勢(shì)，這符合前文提到的溫壓炸藥爆炸的“三個(gè)事件”。(2)在距爆心相同距離的毀傷效應(yīng)具有良好的一致性，而隨著距爆心的距離的不同，熱劑量的值存在著顯著的變化。

圖8 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖9 典型溫度測(cè)試曲線

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的反映了溫壓炸藥爆炸溫度場(chǎng)的傳播特性，對(duì)溫壓炸藥的熱毀傷效果有一定的參考價(jià)值。

6 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的溫壓炸藥爆溫測(cè)試方法，可遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試裝置工作狀態(tài)，減小了試驗(yàn)操作的工作量，

提高了測(cè)試效率;解決了傳統(tǒng)爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量中布線難、噪聲大及無法實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題。試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性和可靠性，在測(cè)試領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

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劉帆(1988－)，男，湖北省孝感市人，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，liufan1988 @163.com;

范錦彪(1974－)，男，中北大學(xué)副教授，研究方向?yàn)楦遟值加速度計(jì)校準(zhǔn)及高沖擊測(cè)試技術(shù)，fanjinbiao@nuc.edu.cn;

杜紅棉(1977－)，女，遼寧省錦州市人，中北大學(xué)副教授，主要從事爆炸沖擊波測(cè)試技術(shù)等方面的研究，duhongmian@nuc.edu.cn;

焦耀晗(1988－)，男，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與FPGA嵌入式開發(fā)，617446667@qq.com。

溫壓炸藥爆溫?zé)o線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉帆1，范錦彪1*，杜紅棉1，焦耀晗1，劉世龍2，梁永燁1，苗松珍3
(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，太原030051;2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤化工分公司烯烴公司，寧夏銀川750000; 3.中國(guó)人民解放軍第四三二八工廠，山西長(zhǎng)治046000)

溫壓炸藥爆轟時(shí)間長(zhǎng)、爆炸溫度高且伴隨爆炸破壞作用，使其爆炸溫度測(cè)試較困難。為有效評(píng)估溫壓彈藥的熱毀傷效應(yīng)，將存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到爆炸瞬態(tài)高溫測(cè)試中，并結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在確保參試人員的安全前提下，可在500 m外遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試儀器狀態(tài)進(jìn)行智能化測(cè)試。系統(tǒng)采用E12型熱電偶，響應(yīng)時(shí)間短，最大測(cè)溫為2 300℃，并對(duì)其進(jìn)行可溯源性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，確保測(cè)試精度。測(cè)試裝置成功應(yīng)用于小當(dāng)量溫壓彈藥的實(shí)爆現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、使用安全，具有良好的應(yīng)用前景。

溫壓炸藥;存儲(chǔ)測(cè)試;無線傳感網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)校準(zhǔn);現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

TQ564

A

1004－1699(2014)04－0467－05

2014－03－02修改日期:2014－04－03

C:7221

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.009