楊佩宗　暢麗紅

摘要：沖擊波超壓值和持續(xù)時間隨測試半徑的變化而顯著變化，且測試現場的測試節(jié)點多、分散性大、難以集中管理。另外，測試時，一旦設定好測試節(jié)點的參數，現場就難以更改，即存儲測試系統(tǒng)的可控性和靈活性較差。基于以上兩點，提出一種用于沖擊波超壓測試的無線可編程存儲測試技術。設計并實現存儲測試電路及智能無線測試節(jié)點；開發(fā)基于LabVIEW平臺的上位機軟件；通過WLAN無線網絡和上位機來靈活設置測試節(jié)點的工作參數，并對測試節(jié)點的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，從而完成沖擊波超壓測試。將此無線可編程技術應用到彈藥爆炸的靜爆試驗中，所得30m處超壓值分別為60，90，120，150m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，超壓值隨測試半徑變化顯著，通過靈活設置放大倍數，大大提高現場測試的穩(wěn)定性和靈活性。

關鍵詞：沖擊波超壓；測試節(jié)點；WIAN；存儲測試系統(tǒng)

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0088-05

0引言

進行沖擊波超壓測試時，目前國內外研究人員所采用的測試方法大致分為有線電測法和存儲測試法兩種。采用有線式電測法進行測試時，不僅布線耗時費力，而且傳感器電纜存在阻抗，很容易造成信號衰減和幅值相位的失真，從而嚴重影響測試精度，所以，現在多采用存儲式測試法。存儲式測試法是一種將傳感器與數據采集存儲儀集成于一體對沖擊波超壓進行測試的方法。其測試系統(tǒng)不僅體積微小，而且具有很高的抗沖擊能力，可有效避免有線式電測法的弊端。然而，這種方法無法對多個測試節(jié)點進行實時監(jiān)測。據Henrych J經驗分析可知：在多點測試的爆炸場環(huán)境中，彈藥當量和測試半徑對沖擊波超壓值和持續(xù)時間的影響很大（本文只討論測試半徑對超壓值和持續(xù)時間的影響）。因此，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中固定的參數設置已不能滿足多點測試的需求。為此，本文將WLAN技術與存儲測試原理相結合，設計并實現了參數可編程的無線存儲式測試系統(tǒng)，將其用于測點多、分散性大且難以集中管理的沖擊波超壓值測試中。由于此技術的實現可以使測試人員在安全的掩體內通過無線網絡對測試節(jié)點進行靈活的參數設置和實時的狀態(tài)監(jiān)測，這就大大提高了現場測試的可靠性和靈活性。

1參數可編程理論基礎

沖擊波是評價武器殺傷力的重要媒介。通過測試不同半徑下沖擊波的超壓峰值、持續(xù)時間、傳播速度及衰減規(guī)律就可以對武器系統(tǒng)的殺傷力進行評價。據Henrych J經驗公式，對不同測試半徑和彈藥當量下的沖擊波超壓值和持續(xù)時間進行理論分析，結果列于表1中。

由表可知：1）在彈藥當量相同的情況下，當測試半徑相差3倍時，沖擊波超壓峰值會增加10倍左右；2）當彈藥當量相同、測試半徑不同時，沖擊波超壓持續(xù)時間差別會很大。

在實際工程測試中，為了獲取更高的測試精度，通常將量程范圍的1/3～2/3作為信號讀取的最可靠范圍。由于傳感器的量程范圍一定，因此測試系統(tǒng)中電路的增益可以根據測試半徑和彈藥當量的大小來合理地設置，進而提高測試的準確度和靈活性。

2存儲測試系統(tǒng)的設計

本文所設計的無線可編程存儲式測試系統(tǒng)主要由無線測試節(jié)點、無線接入點和主控制端組成，如圖1所示。

圖中，多個無線測試節(jié)點與無線接人點組成了無線局域網絡。通過無線局域網絡，主控端不僅可以對各個測試節(jié)點的各項參數進行設置，還可以對各節(jié)點的狀態(tài)進行實時監(jiān)測。無線網絡主要負責下達主控端的指令并進行數據回收。

試驗時，需按照測點分布圖將無線測試節(jié)點分別布設在爆心周圍以完成沖擊波超壓測試工作。此測試系統(tǒng)中，測試節(jié)點上還設有USB接口，是為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：當無線網絡出現故障時，可以通過USB來獲取沖擊波的數據，從而確保數據不丟失。

具有無線傳輸功能的測試節(jié)點是系統(tǒng)的核心。其主要包括電源管理模塊、傳感器、適配電路、濾波放大電路、A/D轉換電路、存儲電路、FPGA控制電路、USB接口、充電接口、無線傳輸模塊及天線等部分，如圖2所示。

圖中，測試節(jié)點的工作流程如下：1）給系統(tǒng)上電，通過USB接口或無線局域網對測試節(jié)點的工作參數進行設置，如對節(jié)點的定時時長、采樣頻率、增益放大倍數、觸發(fā)電平等參數進行設置。2）參數設定后，系統(tǒng)進入定時狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于低功耗工作模式。3）定時結束后，系統(tǒng)自動啟動數據采集模塊，節(jié)點進入全速工作模式，并開始循環(huán)采樣，處于待觸發(fā)狀態(tài)。4）當壓力信號發(fā)生時，傳感器就將采集到的壓力信號轉化為電壓信號，然后對該信號進行調理，再經A/D進行模數轉換，轉換后的數字信號與觸發(fā)電平相比較，此時節(jié)點處于觸發(fā)判斷狀態(tài)。5）觸發(fā)后，系統(tǒng)便將有效數據按順序寫入存儲器中。當存儲結束后，采集模塊自動關閉，節(jié)點進入等待讀取數據狀態(tài)。6）打開無線模塊或接上USB，就可通過上位機對數據進行讀取。讀取完數據后，重新上電即可進行下次試驗。

3無線模塊的實現

本文采用韓國Wiznet公司生產的串口傳輸型模塊實現無線傳輸，該模塊支持IEEE802.11b/g規(guī)范，集成了TCP/IP協(xié)議棧和WLAN網絡通信驅動。該模塊具有4個顯著的特點：1）支持IIC、UART、USB和SPI接口；2）內置TCP/IP協(xié)議棧，既可設為客服端模式，也可設為服務端模式；3）內置了加密協(xié)議，可以保證數據的安全傳輸；4）體積小、功耗低、串口發(fā)送協(xié)議簡單，操作方便，管腳占用率少。

在進行具體的設計時，本文選用UART傳輸方式。所設計無線模塊與FPGA的硬件連接關系如圖3所示。

圖中，CTS和RTS實現的是數據流的控制，可防止數據傳輸引起的擁堵。TX和RX分別為數據發(fā)送信號和數據接收信號。

WLAN網絡搭建好后，測試節(jié)點鏈接到該無線網絡，并通過主控端發(fā)送指令給AP，然后再通過此無線網絡將指令下達給各個測試節(jié)點，節(jié)點收到指令后就可根據已設定好的程序來執(zhí)行相應的任務。這里需要指出的是，無線模塊在使用前需要對其工作參數進行相應的配置，具體參數設置如表2所示。

4上位機參數可編程功能的實現

節(jié)點的參數設置主要通過上位機和無線傳輸模塊來完成。上位機軟件是整個測試系統(tǒng)的控制管理中心，一切指令的傳達都是通過上位機來完成。本設計中，上位機主要實現對測試節(jié)點定時時長、采樣頻率、數據長度及負延時長度等參數的設定，具體如圖4所示。

本設計中，上述功能均在LabVIEW平臺上實現，上位機界面如圖5所示。

由于LabVIEW內部集成了大量的數據處理工具包，不僅可以大大節(jié)省開發(fā)時間，還能進行很好的人機交互。具體實現時，整個程序采用事件結構來編寫，即一個事件執(zhí)行一個對應的功能。

5現場實驗驗證

為了驗證無線可編程存儲測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在試驗現場按30°、60°、150°3個徑向方向對測試節(jié)點分別進行布置，如圖6所示。

圖中，在30°徑向方向分別放置了1#，2#，3#，4#，5#5個測試節(jié)點；在60°徑向方向布置了6#測試節(jié)點；在150°徑向方向布置了3個節(jié)點，分別為7#，8#，9#測試節(jié)點。節(jié)點所在測試半徑間隔為30m。測試前，根據不同當量彈藥和測試半徑通過無線方式對測試節(jié)點進行參數設置，如表3所示。

設置好各測試節(jié)點的參數并將其安置在各自對應的測試位置后，進行現場爆炸試驗，測試結果列于表4中。

由表4可知：當測試半徑為30m時，超壓持續(xù)時間為2.681ms。當測試半徑分別為60，90，120，150m時，超壓峰值分別為175.28，88.983，57.599，35.147kPa，而持續(xù)時間分別為37.650，46.181，56.374，57.603ms；超壓值分別為30m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，持續(xù)時間為30m處的14倍、17倍、21倍和21.5倍。沖擊波超壓值隨著測試半徑的增加而依次減小、且持續(xù)時間會增長，沖量也隨之減小。另外，超壓值和持續(xù)時間會隨測試半徑的增加而變化顯著。

圖7和圖8分別為4#、8#和5#、9#測試節(jié)點的超壓值曲線?？梢钥闯?，當測試半徑相同、但測試場地不平坦時，沖擊波超壓值也會相差很大。

所以，在沖擊波超壓值的測試中，測試人員應根據彈藥當量和測試半徑利用無線網絡來對測試節(jié)點的增益進行合理地設置，這樣才既可以提高測試的靈活性，還可以提高測試的準確度。

6結束語

與傳統(tǒng)的存儲測試系統(tǒng)相比，本文采用WLAN技術，設計并實現了一種新型的無線存儲式測試系統(tǒng)。在減少系統(tǒng)誤差以及提高系統(tǒng)的靈活性方面，參數可編程無線存儲測試技術在多點測試中起了很大的作用，充分體現了其現場測試的靈活性。此外，WLAN技術的應用，不僅提高了測試效率及測試人員的安全性，同時也為彈藥毀傷效能的評價提供了有力的支撐。在沖擊波超壓現場試驗中的測試結果表明，本文所研究的無線可編程存儲式測試系統(tǒng)具有很好的靈活性和穩(wěn)定性，實用性很強。