孫　浩， 陳亞奇， 王艷艷， 李曉哲

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200)

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火箭橇試驗點火電流檢測儀的設(shè)計與研究

孫浩， 陳亞奇， 王艷艷， 李曉哲

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200)

摘要:為了解決火箭橇試驗中發(fā)動機、 爆炸螺栓等火工品在發(fā)射前點火電流的可靠性檢測問題， 同時提高現(xiàn)場檢測的便攜性及工作效率. 本文從測量原理、 硬件設(shè)計、 軟件設(shè)計、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等方面進行了分析研究， 提出了一種新型的點火電流檢測儀的設(shè)計思路， 經(jīng)過軟硬件調(diào)試， 形成了原理樣機， 并進行了實際應用測試， 將其和現(xiàn)有的測試設(shè)備進行了對比分析， 發(fā)現(xiàn)樣機可靠性和測試精度均滿足設(shè)計要求. 該點火電流檢測儀小巧靈活， 測試方便， 可提高試驗現(xiàn)場測試的便捷性， 降低由于點火失敗給試驗帶來的風險， 提高試驗成功率.

關(guān)鍵詞:火箭橇試驗； 點火電流； 電流檢測儀

火箭橇以火箭發(fā)動機為動力， 即發(fā)動機點火后推動橇體運動， 故整個試驗涉及發(fā)動機、 爆炸螺栓等火工品的點火控制問題. 發(fā)動機和爆炸螺栓等火工品在火箭橇試驗中能否可靠作用直接關(guān)系著試驗的成敗， 故試驗發(fā)射前需對發(fā)動機、 爆炸螺栓等火工品的點火電路進行可靠性檢測， 其中供電電池放電能力檢測具有很重要的作用.

發(fā)動機、 爆炸螺栓等火工品點火電流持續(xù)時間段一般為幾個毫秒， 市場上現(xiàn)有的電流檢測設(shè)備靈敏度低， 只能對長時間穩(wěn)定的持續(xù)供電電流進行測試， 而對短時間的點火脈沖電流不能有效測試； 而且用常規(guī)設(shè)備如示波器、 數(shù)據(jù)采集儀等測試時， 需要發(fā)電機、 線轱轆等輔助設(shè)備， 測試任務量大， 不方便野外操作， 且檢測結(jié)果需要計算得出， 不能直觀顯示. 因此， 對現(xiàn)有點火電流檢測方法進行研究與改進， 來開發(fā)研制相關(guān)的點火電流檢測設(shè)備是非常必要的. 本文所設(shè)計設(shè)備體積小， 直流供電， 方便攜帶， 不需要示波器、 發(fā)電機、 線轱轆等輔助設(shè)備， 使整個檢測過程方便可行， 測試結(jié)果顯示直觀， 可節(jié)省大量人力、 物力. 點火電流檢測在整個火箭橇試驗中有著重要的意義， 可以增加試驗的成功率， 減少因為火工品不能正常作用帶來的損失.

1概述

在研究過程中， 首先對各種點火電流轉(zhuǎn)換器[1]的工作原理等進行研究、 選型， 提出點火電流檢測的最佳控制方案； 其次， 對高速數(shù)據(jù)采集存儲方法、 高速電壓比較器設(shè)計、 各種數(shù)值轉(zhuǎn)化方法、 數(shù)值的串口分批顯示方法、 存儲數(shù)據(jù)的事后處理分析等進行研究； 再次， 將其在實驗室進行整個系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)， 對其功能和控制精度進行驗證； 最后， 參與基地的火箭橇試驗， 對其功能進一步驗證、 改進， 最終達到實用化目的. 主要研究內(nèi)容如下： ① 點火電流轉(zhuǎn)換器的選型； ② 高速數(shù)據(jù)采集存儲方法研究； ③ 高速電壓比較器的設(shè)計； ④ 采樣率、 采集時間的靈活設(shè)置； ⑤ 各種數(shù)值轉(zhuǎn)化方法研究； ⑥ 數(shù)值的串口分批顯示方法研究； ⑦ 檢測電流值的現(xiàn)場顯示； ⑧ 存儲數(shù)據(jù)的處理分析.

2測試原理

整套點火電流檢測設(shè)備主要由點火電流轉(zhuǎn)化器、 點火電流檢測儀、 后期數(shù)據(jù)處理軟件等組成. 系統(tǒng)原理如圖 1 所示.

圖 1　系統(tǒng)原理框圖Fig.1　The system principle diagram

3點火電流轉(zhuǎn)化器的設(shè)計

圖 2　點火電流轉(zhuǎn)化器設(shè)計原理Fig.2　Design principle of ignition current converter

點火電流轉(zhuǎn)化器原理設(shè)計框圖如圖 2 所示.

點火電流轉(zhuǎn)化器將點火電流的脈沖信號轉(zhuǎn)換為脈沖電壓值， 由于輸出電壓和電流之間有一定的對應關(guān)系， 故通過檢測到的電壓值可計算出點火瞬間的電流值. 儀器盒上預留多個接口， 可供點火電流檢測儀、 示波器等設(shè)備采集. 電流轉(zhuǎn)化器可選用電流互感器[2]， 使用時將導線從電流互感器中間穿過， 當導線中有電流通過時， 電流互感器將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值， 該類器件體積小、 精度高、 響應快、 使用方便、 控制靈活.

4點火電流檢測儀的設(shè)計

4.1點火檢測儀原理

該部分由高速數(shù)據(jù)采集存儲模塊、 高速電壓比較模塊、 采樣率采集時間設(shè)置模塊、 各種數(shù)值轉(zhuǎn)化模塊、 數(shù)值的串口分批顯示模塊、 存儲數(shù)據(jù)的處理分析模塊等組成. 原理框圖如圖 3 所示.

圖 3　點火檢測儀原理框圖Fig.3　Ignition detector principle diagram

4.2高速數(shù)據(jù)采集存儲模塊

原理框圖如圖 4 所示. 該模塊的功能： 采集、 存儲點火電流轉(zhuǎn)化器生成的脈沖電壓信號， 并可對測量存儲數(shù)據(jù)進行以下兩個方面的處理.

圖 4　采集存儲原理框圖Fig.4　Acquisition and storage principle diagram

1) 經(jīng)過單片機內(nèi)部運算[3]， 找出測量數(shù)據(jù)的最大值， 再經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)化為脈沖電流值， 并通過串口分批處理電路直接顯示測量電流數(shù)值， 現(xiàn)場可對點火電流值直接讀取， 直觀方便.

2) 后期也可通過串口將存儲器里面的數(shù)據(jù)讀出， 再經(jīng)過后期數(shù)據(jù)軟件處理后生成點火電流測試曲線， 可對整個點火過程進行分析.

單片機選用ADUC 812[4]， 該芯片是整個電路的控制核心， 其內(nèi)部帶有高速A/D轉(zhuǎn)化器， 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫和相關(guān)信號的控制. 為了保證信號在停電情況下不丟失， 存儲器選擇非易失性存儲芯片[5]， 此類型芯片內(nèi)部封有電池， 可保證數(shù)據(jù)在二次加電后仍然存在. 串口讀數(shù)和在線編程， 也是此次設(shè)計的重要環(huán)節(jié)， 考慮到串口讀數(shù)程序使用較廣、 操作簡便、 實用性強等優(yōu)點， 在設(shè)計時利用了單片機的串口， 接入串口轉(zhuǎn)換芯片及輸出端口. 最后， 通過數(shù)據(jù)的讀取和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件可實時顯示點火電流最大值.

4.3高速電壓比較模塊

通過高速電壓比較模塊可設(shè)置單片機的采集存儲觸發(fā)時刻. 當點火電流轉(zhuǎn)化器輸出電壓值大于某一設(shè)定值時， 系統(tǒng)開始采集存儲電壓信號值. 通過此模塊可以把系統(tǒng)的觸發(fā)方式設(shè)為內(nèi)觸發(fā)[6]， 便于單片機采集存儲.

4.4采樣率采集時間設(shè)置模塊

通過此模塊可對單片機的采集存儲時間、 采樣率等進行設(shè)置， 以滿足不同條件的點火電流測試需求. 火工品點火過程持續(xù)時間短， 一般為十幾個毫秒， 故單片機采樣率需盡量提高[7].

4.5各種數(shù)值轉(zhuǎn)化及處理模塊

單片機采集存儲的數(shù)值為二進制數(shù)值， 要現(xiàn)場顯示點火電流的最大值， 必須對存儲數(shù)值進行比較[8]， 并找出其中的最大值， 再將該值轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)， 最后將該值的個位、 十位、 百位分離出來， 以通過單片機的串口移位顯示出來[9].

可以通過串口分批處理電路直接顯示測量電流數(shù)值[10]， 現(xiàn)場可對點火電流直接讀取， 直觀方便， 顯示模式為***A.

后期也可通過串口將存儲器里面的數(shù)據(jù)讀出[11]， 經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理軟件后生成點火電流測試曲線， 可對整個點火過程進行分析.

5原理樣機

樣機如圖 5 所示.

圖 5　原理樣機實物圖Fig.5　A prototype of the physical map

原理樣機達到的技術(shù)指標為： ① 點火電流轉(zhuǎn)換器響應時間： 1 s； ② 采集精度： 12位； ③ 數(shù)據(jù)讀取方式： 串口； ④ 存儲容量： 1 M； ⑤ 測試精度： 5% ； ⑥ 供電電源電壓： 直流供電； ⑦ 系統(tǒng)觸發(fā)方式： 電壓觸發(fā).

測量精度分析過程如下： 使用電池(12.87 V、 7 A)、 滑動變阻器、 點火電流檢測儀、 示波器、 導線等， 在測試中先將導線在電流互感器上纏繞一匝， 再逐漸增加匝數(shù)進行測試， 在測試過程中用示波器和點火電流檢測儀同時測試， 測量結(jié)果如表 1 所示.

表 1　電流檢測記錄表

將點火電流檢測儀所測電流值和理論電流值對比分析， 可知誤差在5% 以內(nèi).

6結(jié)束語

經(jīng)過設(shè)計研究， 完成了點火電流檢測儀的開發(fā)研制， 并經(jīng)過檢測可知樣機滿足測試需求， 且具有現(xiàn)場顯示和后期波形分析的功能， 使用方便快捷. 后續(xù)可在此研究的基礎(chǔ)上進行多路電源電壓的實時檢測并顯示、 數(shù)據(jù)采集處理等.

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Design and Research on Test Ignition Current Detector of Rocket Sled

SUN Hao, CHEN Yaqi, WANG Yanyan, LI Xiaozhe

(China Weapon Industry Test Research Institute, Test Technology Research Center， Huayin 714200, China)

Abstract:In order to solve the ignition current reliability sensitivity detection problem of the engine explosive bolts, etc before launch in rocket sled trial , improve the portability of the on-site detection and the work efficiency at the same time. A new type of ignition current detector was designed based on the analysis of the measuring principle, hardware design, software design, data transformation and the principle prototype was formed through the software and hardware debugging. It's reliability and prototype test precision meet the design requirements compared with the existing test equipment through the practical application test. The ignition current detector,small, flexible and easy to test, can greatly improve the convenience of test field testing, reduce the risk owing to the failure to ignition, improve the success rate of test.

Key words:test of rocket pry; initial firing current; current detector

中圖分類號:TB971

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.008

作者簡介：孫浩(1983-)， 男， 工程師， 主要從事靶場火箭橇試驗與動態(tài)測試方面的研究.

收稿日期:2015-09-30

文章編號:1671-7449(2016)01-0040-05