賈振華,王文廉

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原，030051）

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瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)中信號識別觸發(fā)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈振華,王文廉

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原，030051）

摘 要：針對爆炸場瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)中測試系統(tǒng)易受干擾造成誤觸發(fā)的現(xiàn)象，提出了一種基于瞬態(tài)壓力信號識別的觸發(fā)方式，首先根據(jù)超壓峰值標記有效突變，再依次判斷上升時間和正作用時間。試驗表明基于瞬態(tài)信號特征識別觸發(fā)的測試系統(tǒng)能防止誤觸發(fā)且適用于瞬態(tài)壓力測試試驗。

關(guān)鍵詞：壓力測試系統(tǒng)；沖擊波；信號；觸發(fā)

彈藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力是評估武器殺傷力的重要手段[1]，具有瞬態(tài)性單次性的特點，這就要求測試系統(tǒng)能夠準確、及時地捕捉壓力信號。對于存儲測試系統(tǒng)來說，更需要準確判斷信號的起始時刻，這種實時性和穩(wěn)定性的實現(xiàn)需要可靠的觸發(fā)判斷。目前最常用的觸發(fā)技術(shù)有電平內(nèi)觸發(fā)和斷線外觸發(fā)兩種[2]。電平內(nèi)觸發(fā)是在系統(tǒng)工作之前，預先設(shè)置一個觸發(fā)電平，測試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后與預設(shè)值比較，如果大于預設(shè)值，認定系統(tǒng)觸發(fā)；反之，系統(tǒng)不觸發(fā)。但實際靶場試驗現(xiàn)場環(huán)境惡劣，易產(chǎn)生高幅值的瞬時干擾信號，導致系統(tǒng)誤觸發(fā)。斷線外觸發(fā)是在所有測試節(jié)點處都建立一個電線網(wǎng)，利用彈藥爆炸產(chǎn)生的強溫壓使電線斷裂，產(chǎn)生一個跳變信號，測試系統(tǒng)接收到這個信號后觸發(fā)。但鋪設(shè)電線網(wǎng)需要花費很大的人力和物力，且有不可控因素造成電線斷裂，也容易造成誤觸發(fā)。

本文分析了沖擊波信號的特征，選擇了3個沖擊波信號的典型時頻特征，并通過這幾個時頻特征設(shè)置了準確的觸發(fā)條件，提出了一種基于瞬態(tài)壓力特征識別的觸發(fā)方法，既能擺脫高幅值瞬時干擾信號的影響，又操作簡單，省去布線的麻煩。

1　沖擊波的時域特性分析

理想的沖擊波信號如圖1所示。

假設(shè)測試節(jié)點處的環(huán)境壓力為P0，在爆炸瞬間T時刻，壓力瞬間上升到P0+nP+，之后的T+時刻內(nèi)，壓力衰減到環(huán)境壓力，再繼續(xù)下降到幅度為nP-的部分真空，最后在總時間T+T++T-恢復到環(huán)境壓力P0。破壞力的衡量可以用超壓峰值nP+、正壓區(qū)作用時間T+、上升時間t來表示[3]。由圖1可以看出，沖擊波信號的上升時間短，上升沿陡峭且超壓峰值高。

圖 1 理想的沖擊波信號Fig.1 The ideal shock wave signal

1.1沖擊波信號的超壓峰值

在爆炸場的瞬態(tài)壓力測試之前，一般要對爆炸物的各個測試節(jié)點進行超壓峰值估算，保證測試節(jié)點的量程滿足需求。Henrych用經(jīng)驗的方法得到?jīng)_擊波超壓峰值△P（MPa）[4]：

1.2沖擊波信號的正作用時間

系統(tǒng)的正作用時間是評價彈藥威力的重要指標之一，Клyшкнн提出空中爆炸的正作用時間估算公式[5]：

根據(jù)式（2）結(jié)合系統(tǒng)的測試范圍，本測試系統(tǒng)所測信號的正作用時間范圍為2～100ms。

1.3沖擊波信號的上升時間

針對爆炸測量系統(tǒng)的上升時間性能，Robert Walker和Henry Wallman根據(jù)數(shù)字中的中心極限定理，提出了一個規(guī)則[6]：

式（3）中：τ是總體上升時間；τn是各階段的上升時間。通過結(jié)合每個部分的上升時間，可以對測量系統(tǒng)的上升時間做整體評估。

Robert Walker 和Henry Wallman還提供了另一個準則，如果τ是上升時間，有一個-3dB的帶寬f-3dB。

在該測試系統(tǒng)中，所測沖擊波信號的頻率范圍為0.5～250kHz。因此上升時間在1×10-3～1ms之間。

2　噪聲分析

在彈藥爆炸的超壓測試中，通常有大幅值的瞬時脈沖干擾造成系統(tǒng)誤觸發(fā)，分別采集敲擊、擊中信號，用MATLAB仿真分析和計算。

2.1敲擊信號

用不同硬度的物體分別敲擊傳感器采集到的信號，如圖2所示。

圖2　敲擊信號Fig.2 Knocking signal

通過計算可以得到超壓峰值、上升時間和正作用時間的準確值。受信號強度的限制，上升時間和正作用時間偏大。

2.2擊中信號

物體擊中傳感器采集到的信號如圖3所示。該信號在擊中傳感器瞬間可以產(chǎn)生很大的壓力值，但持續(xù)時間很短，造成正作用時間偏小。

圖3　擊中信號Fig.3 Hit signal

3　信號識別觸發(fā)的設(shè)計

3.1信號識別觸發(fā)的原理

在沖擊波的測試實驗中，目標信號的信息包含在觸發(fā)點的前后兩部分。這樣，觸發(fā)前的負延時部分也需要采集存儲，以保證信號的完整性。原理見圖4。

信號識別觸發(fā)要求系統(tǒng)上電后立即進入循環(huán)采集狀態(tài)?？刂破鲗Σ杉降臄?shù)據(jù)進行突變檢測，如果數(shù)據(jù)的瞬時值大于閾值電平，認定為有效突變，反之為無效突變。有效的突變數(shù)據(jù)隨之進入信號識別模塊，如果信號時頻特征滿足，系統(tǒng)觸發(fā)。系統(tǒng)進入順序存儲。

圖4　信號識別觸發(fā)的原理Fig.4 Principle of signal recognition trigger

3.2信號識別模塊的設(shè)計

測試系統(tǒng)采集到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，同時進入存儲器和控制器，存儲器再觸發(fā)循環(huán)存儲?？刂破髦兴矔r脈沖大于閾值電壓的數(shù)據(jù)進入信號識別模塊，信號識別模塊首先查找突變點之后1ms內(nèi)的峰值及峰值對應時間，做上升時間的判斷；最后查找峰值過后恢復到基線電壓的時刻，做正作用時間的判定，如果均滿足，則識別過程完成。為了增加系統(tǒng)的適用性，在電平比較模塊中，閾值電壓采取可編程配置。根據(jù)不同的測試需求，集合式（1）中估值，閾值電壓值可以通過上位機軟件設(shè)置不同的參數(shù)。

圖5　信號識別原理Fig.5 Principle of signal recognition

3.3信號識別模塊的FPGA實現(xiàn)

FPGA中的信號識別模塊可通過狀態(tài)機實現(xiàn)。該模塊中每個特征參數(shù)都存放在一個寄存器中，狀態(tài)機運行過程中，每到一個參數(shù)值的狀態(tài)，就與寄存器中的參數(shù)比較，滿足，就進入下一個狀態(tài)。任意一個狀態(tài)不滿足，就跳出整個狀態(tài)，進入下一次識別。

4　有信號識別觸發(fā)功能的測試節(jié)點實現(xiàn)

根據(jù)信號識別觸發(fā)的設(shè)計原理，研制了具有信號識別觸發(fā)功能的爆炸場沖擊波測試系統(tǒng)節(jié)點，系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 System block diagram

系統(tǒng)主要包括ICP壓力傳感器、FPGA控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和SDRAM存儲器等。PCB公司的ICP壓力傳感器上升時間在1μ s內(nèi)，壓力量程范圍在0.01 ～10MPa之間，適用于沖擊波壓力測試[7]。FPGA是一種可編程的控制器，通過硬件描述語言完成對數(shù)字系統(tǒng)的建模和設(shè)計。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，分辨率為12bit。SDRAM是存儲器，可按地址隨機存取。

系統(tǒng)上電后，ICP傳感器將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過調(diào)理電路后完成信號的放大、濾波和偏置。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并分別存入SDRAM和FPGA。FPGA中的數(shù)據(jù)做信號識別，識別確認目標信號后，系統(tǒng)開始順序存儲。為了保證實驗人員的安全，實時監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，本測試節(jié)點采用Wi-Fi 通信的方式。因此，SDRAM中存儲的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳輸?shù)缴衔粰C。

5　實驗及數(shù)據(jù)分析

為了驗證瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)中信號識別觸發(fā)方式的抗誤觸發(fā)能力，用基于信號識別觸發(fā)的測試系統(tǒng)和電平比較觸發(fā)的測試系統(tǒng)在實驗室中分別進行試驗。測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)Fig.7 Transient pressure test system

1#設(shè)備為基于信號識別觸發(fā)的測試系統(tǒng)，傳感器的靈敏度為7.575mV/kPa。2#設(shè)備采用智能觸發(fā)方式，傳感器的靈敏度為7.432 mV/kPa。分別敲擊兩個測試節(jié)點的壓力傳感器，人為地加入壓力信號。觀察兩個測試節(jié)點的觸發(fā)指示燈，結(jié)果顯示1#設(shè)備觸發(fā)燈亮，2#設(shè)備觸發(fā)燈仍在閃爍。表明1#設(shè)備已經(jīng)觸發(fā)，2#設(shè)備待觸發(fā)。瞬態(tài)壓力信號測試系統(tǒng)中，模擬電路輸出1.25V的偏置電壓，系統(tǒng)觸發(fā)電平的設(shè)置一般在1.3～1.6V之間。一般情況下，敲擊信號產(chǎn)生的壓力瞬時值都可以達到觸發(fā)要求。因此，1#設(shè)備觸發(fā)，讀取采集到的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　干擾信號測試曲線Fig.8 Interference signal measurement curve of experiment

信號識別觸發(fā)的測試系統(tǒng)中，雖然壓力瞬時值超過了觸發(fā)電平，但受信號強度的影響，其上升時間較長，不符合目標信號的特征，系統(tǒng)不觸發(fā)。該實驗表明，基于信號識別的觸發(fā)測試系統(tǒng)能夠防止外界干擾造成的誤觸發(fā)。為了驗證信號識別觸發(fā)測試系統(tǒng)的可靠性，用1#、2#兩套設(shè)備參加爆炸場的測試實驗。兩個測試節(jié)點距離爆心的距離均為30m。兩個測試節(jié)點都采集到了有效數(shù)據(jù)，如圖9所示。由圖9可以看到在沖擊波到來之前有明顯的震蕩噪聲，這是由于爆炸瞬間高速運行彈片的彈道波混入了沖擊波信號中[7]。

圖9　爆炸壓力測試曲線圖Fig.9 Pressure measurement curve of blast wave

受爆炸源形狀的影響，距離爆心相同距離的兩個測試節(jié)點沖擊波到達的時間不同，特征參數(shù)值也有差異。如表1所示。

表1　測試曲線指標值Tab.1 The test curve of the index value

該實驗表明，基于信號識別的觸發(fā)測試系統(tǒng)可以采集到目標數(shù)據(jù)，適用于爆炸的測試環(huán)境。

6　結(jié)論

信號識別觸發(fā)從沖擊波信號的時域特征觸發(fā)，通過分析信號時域特點，選出了信號的典型特征及條件，在此基礎(chǔ)上做了信號識別觸發(fā)。與電平比較觸發(fā)方式相比，這種觸發(fā)方式能自動識別干擾信號，避免由干擾信號引起的誤觸發(fā)。與斷線觸發(fā)方式相比，操作簡單。實驗表明，該方法可以防止誤觸發(fā)且適用于瞬態(tài)壓力測試試驗。

參考文獻：

[1]賴富文,王文廉,張志杰.大當量戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波測試系統(tǒng)設(shè)計及應用[J].彈箭與制導學報,2009,29(3):133-138.

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[6]Patrick L.Walter,Ph.D.Shock and Blast Measurement-Rise Time Capability of Measurement systems[OL].http://www.pcb.com/techsupport/docs/pcb/TN-11-0904_Calculating_Rise_Time.pdf

[7]王文廉,張晉文,趙晨陽,等.爆炸場壓力測試多存少取技術(shù)研究[J].振動與沖擊,2014,33(24):54-57.

The Design and Implementation of Signal Recognition Trigger in Transient Pressure Testing System

JIA Zhen-hua,WANG Wen-lian
(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan,030051)

Abstract：Based on the phenomenon of the interference signal easily causing the false triggering in the transient pressure testing system of explosion field,the trigger method based on transient pressure signal recognition is proposed.Firstly,the effective mutation of ultra pressure peak is marked,and then the rise time and positive time are judged.The experiments show that the designed test system can be used to prevent false triggering and it is suitable for transient pressure test.

Key words：Pressure testing system；Shock wave；Signal；Trigger

作者簡介：賈振華（1989 -），女，在讀碩士研究生，從事信號與信息處理研究。

收稿日期：2015-07-07

中圖分類號：TJ450.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0057-04