張莉莉 吳永紅 張月魁 馬 琛 戴宜霖

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，以引爆炸藥或做機械功能的一次性使用的元器件[1]。常用于引燃火藥，引爆炸藥，還可作為小型驅(qū)動裝置，用以快速打開活門、解除保險及火箭級間分離等。隨著對火箭(導彈)各項性能的要求越來越高，裝載于箭(彈)上的火工品數(shù)量也在不斷增加，通常包括發(fā)動機點火、級間分離、彈翼展開、尾翼展開等，火工品正常工作與否直接影響到火箭發(fā)射任務(wù)、導彈飛行情況及靶標的命中率。

火工品電參數(shù)對火工品來說是最重要的參數(shù)，它是決定火工品的特性和功能的重要指標，它的測試是一項重要測試內(nèi)容。目前，火工品電參數(shù)的測試主要有阻值、電流的靜態(tài)測試，對其熔斷時間、回路電流及阻值瞬態(tài)變化特性尚無相應的測試規(guī)范及測試標準設(shè)備，因而現(xiàn)有測試不能滿足對火工品性能指標的測試需求。

針對以上問題，本文根據(jù)火工品電參數(shù)特性，研制了火工品電參數(shù)測試系統(tǒng)，從火工品點火輸出方法、火工品點火控制電路、點火回路電流測試、點火回路阻值測試、火工品橋絲熔斷時間測試等方面對火工品電參數(shù)測試技術(shù)進行了論述。

2 系統(tǒng)組成

火工品電參數(shù)測試裝置采用分體式設(shè)計結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備分為近端驅(qū)動設(shè)備與遠端控制設(shè)備兩部分，控制設(shè)備與驅(qū)動設(shè)備之間通過150m控制電纜連接，驅(qū)動設(shè)備與火工品之間通過點火電纜連接。測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Test system block diagram

用于火工品測試的儀器必須確保測試安全，除限制測試電流的大小外，系統(tǒng)還采取了各種措施來保證測試安全，防止意外引起的異常電流施加到被測對象上。開機時有自檢功能；在電流接入端，器件電源端、電路板引出測試線纜端加限流電阻；機殼采用金屬機殼，引出的測試線纜采用屏蔽線纜；電路板絕緣處理；控制電纜長達150米，實際操作中，線纜長度對測試沒有影響，因此，采用較長電纜以實現(xiàn)遠距離測量，確保測試操作的安全。

2.1 控制設(shè)備

控制設(shè)備由自檢按鈕、點火按鈕、解鎖旋鈕、“自檢好”指示燈、“充電好”指示燈組成，通過按鍵與旋鈕開關(guān)實現(xiàn)點火電流輸出功能操作?？刂圃O(shè)備能通過自檢按鈕、點火按鈕、解鎖旋鈕對電參數(shù)測試系統(tǒng)進行自檢和點火的控制；控制設(shè)備能夠?qū)ψ詸z情況、近端驅(qū)動設(shè)備的充電情況進行檢測，能夠給出當前的充電情況，并且在控制設(shè)備通過充電好、自檢好指示燈進行狀態(tài)指示。

2.2 驅(qū)動設(shè)備

驅(qū)動設(shè)備主要完成負責火工品電參數(shù)測試系統(tǒng)的自檢、點火、具備測試點火回路阻值功能，具備記錄點火回路電流值功能，記錄點火回路電流持續(xù)時間功能以及數(shù)據(jù)采集存儲等功能。驅(qū)動設(shè)備測試原理框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動設(shè)備測試原理框圖Fig.2 Driving device test schematic diagram

CPU板在PC104總線基礎(chǔ)上通過FPGA控制時序及I/O口的輸入輸出，自檢命令、點火命令的發(fā)送、驅(qū)動設(shè)備采集、存儲數(shù)據(jù)的發(fā)送。驅(qū)動板輸出10V、準確度0.5%的控制電壓，控制點火電流輸出， A/D采集卡將點火電流輸出的電流轉(zhuǎn)化為電壓值，采樣后傳輸?shù)紺PU，進行數(shù)據(jù)存儲。

3 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

3.1 點火電流輸出

火工品需要較大的點火電流和瞬間功率才能實現(xiàn)正常起爆。傳統(tǒng)的火工品點火電路采用大容量供電電池直接放電的方法實現(xiàn)對電爆管的激活，由于大容量供電電池的質(zhì)量和體積較大，在對質(zhì)量和體積有苛刻要求的應用場合難于滿足。因此，本文采用電容放電式火工品點火電路，體積小，重量輕。先給電容器進行充電，將火工品點火用的能量儲存在電容器中，并利用電容的瞬間放電能力實現(xiàn)電起爆器的激活，可以達到減小點火電路重量和體積的目的。

儲能電容的充電電壓和放電電流是由時間常數(shù)控制并按指數(shù)規(guī)律變化的[2]。

電容的放電過程是電流和電壓按指數(shù)規(guī)律衰減的零輸入響應過程。其電壓值按公式(1)計算

(1)

式中：Vt——t時刻電容上的電壓值，V；V1——電容最終可充到或放到的電壓值，V；t——電容的放電時間，s；R——電容放電回路的電阻值，Ω；C——電容的電容值，F(xiàn)。

根據(jù)公式(1)，本文選用容量為2.46×105μF，耐壓值為50V的鋁電解電容。當放電時間為140ms，由公式(1)得出電容放電后的壓降為：Vt=13.6V。由主控板產(chǎn)生控制電壓，工作零點時刻開始計時，驅(qū)動點火電流輸出開啟，且開始計時，CPU利用內(nèi)部計時器，當達到所需時間時，程序產(chǎn)生中斷，切斷控制電壓輸出，點火電流輸出關(guān)閉。CPU計時器精度為0.04μs，控制通斷時間為0.4μs，完全滿足點火電流時序要求。反饋控制電路時間常數(shù)約為1μs；運算放大器等模擬電路延時小于1μs；5m點火電纜的電流輸出延時小于1μs,整個系統(tǒng)的傳輸延時小于10μs,即電流輸出信號上升沿小于1ms。實現(xiàn)持續(xù)時間40ms，60ms，80ms，100ms，120ms，140ms：采用電容作為儲能元件，其放電曲線如圖3所示。

圖3 電容放電曲線圖Fig.3 Capacitor discharging curve

控制設(shè)備能夠?qū)蓑?qū)動設(shè)備的充電情況進行檢測，能夠給出當前的充電情況，并且在遠端控制設(shè)備進行狀態(tài)指示。充電功能(充電狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài))可控，充滿后可切斷充電電源。要求充電功能在控制設(shè)備上電初始狀態(tài)為切斷狀態(tài)。

電容的充電過程是一個零狀態(tài)響應過程，其充電電壓按公式(2)計算。

(2)

式中：V0——電容上的初始電壓值，V。

設(shè)計電容充電電路如圖4所示，由公式(3)得出充電時間為

(3)

系統(tǒng)選用容量為2.46×105μF，耐壓值為50V的鋁電解電容作為點火電流輸出的供電電源。狀態(tài)檢測由A/D采樣卡采樣電容電壓，將結(jié)果上傳至控制設(shè)備上位機控制器，顯示出電容充滿所需要的時間，并由CPU負責切斷充電電路。

圖4 電容充電電路Fig.4 Capacitor charging circuit

實際測試完全放電狀態(tài)下，充電完成不超過3min。

點火電流輸出設(shè)計由電壓控制電流源輸出點火電流，點火電流輸出電路輸出直流電流，在供電電壓為24V時每路電流不小于10A，最大電流小于30A。點火輸出電路由控制輸入、反饋控制、電流信號放大和功率輸出組成。點火輸出電路圖如圖5所示。

圖5 點火輸出電路原理框圖Fig.5 Ignition output circuit schematic block diagram

點火電流輸出實測曲線圖如圖6所示。

圖6 點火電流實測曲線圖Fig.6 Ignition current test curve

3.2 點火回路阻值測試

電火工品的電阻檢測必須在安全的條件下進行，一般要求其測量電流不大于10mA[3]。電阻的微小變化，其信號波動幅度只有微伏級，難以被精度不高的儀表檢測。同時，傳統(tǒng)測試方法受測量線纜以及測量中接觸電阻影響，不能正確識別這種毫歐級的電阻變化。因此，要實現(xiàn)這種電火工品電阻的精密安全測試，首先要保證測試電流不大于規(guī)定值，同時還要采取更多的安全措施，保證測量安全性；再采取合適的方法來排除測量過程的影響，最后要實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量。點火回路電阻值采集原理框圖如圖7所示。

圖7 點火回路阻值測試原理框圖Fig.7 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由于火工品的實際內(nèi)阻通常很小，通常為1Ω左右，因而點火回路阻值測試采用四線接法(兩個電流端、兩個電壓端)[4]。采用該方法可以抵消導線電阻和接觸電阻引入的影響，實現(xiàn)高精度測量，提高阻值測量的準確度。圖8為點火回路阻值測試四線接法。

圖8 點火回路阻值測試四線接法Fig.8 Ignition circuit resistance four-line test

采用恒流模塊輸出1mA直流電流，用于點火回路電阻值測試。測試電路原理圖如圖9所示。

圖9 點火回路阻值測試原理圖Fig.9 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由圖9可得被測回路壓降VRx與測試電流I、回路電阻Rx之間的關(guān)系為

(4)

則被測回路的實際電阻值為

(5)

3.3 橋絲熔斷時間測試

火工品橋絲熔斷時間的測試通過系統(tǒng)自動采集點火回路取樣電阻兩端的電壓值來判斷熔斷時間。點火時刻記為t0，當取樣電阻兩端的電壓值為零時，即可判斷為橋絲熔斷，該時刻為t1，則該火工品的實際熔斷時間即為t1-t0。 橋絲熔斷時間測試原理框圖如圖10所示。

圖10 橋絲熔斷時間測試原理框圖Fig.10 Bridge line fuse out time test schematic block diagram

火工品橋絲熔斷時間測試U-t曲線圖如圖11所示。

圖11 橋絲熔斷時間測試U-t曲線圖Fig.11 Bridge line fuse out time test U-t curve

4 結(jié)束語

火工品電參數(shù)測試是一項重要測試內(nèi)容，它是決定火工品的特性和功能的重要指標。本文介紹了火工品電參數(shù)測試方法，搭建了火工品電參數(shù)測試系統(tǒng)，對火工品電參數(shù)測試技術(shù)進行了研究，完成了使用大電容實現(xiàn)點火電流的輸出、用“四線”制測試方法對電火工品進行電阻測試、火工品橋絲熔斷時間測試等功能，具有精度高、穩(wěn)定性好、操作簡單、質(zhì)量輕、體積小、易于攜帶等諸多優(yōu)點，可對各型號火工品進行點火回路電阻、點火回路電流、熔斷時間等的測試。