劉嘉慧，崔春生，劉雙峰，劉 丁

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引言

分布式?jīng)_擊波超壓測(cè)試儀是戰(zhàn)斗部靜爆毀傷威力測(cè)試的重要測(cè)試裝置，采用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，測(cè)試儀均可單獨(dú)工作，使用靈活，抗干擾能力強(qiáng)得到廣泛應(yīng)用,成為當(dāng)前國內(nèi)外沖擊波測(cè)試的主要手段[1-2]。由于靜爆實(shí)驗(yàn)中，需要多臺(tái)測(cè)試儀配合工作，布設(shè)數(shù)量多，位置分散，不同測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻差異大，測(cè)試時(shí)間基準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致測(cè)試工作不協(xié)調(diào)，無法獲取同時(shí)基下的時(shí)間參數(shù)，且測(cè)試結(jié)果隨機(jī)性大，一致性差，缺乏可比性[3]。而多測(cè)點(diǎn)時(shí)基能否同步是由測(cè)試系統(tǒng)的觸發(fā)方式?jīng)Q定的，針對(duì)上述問題，結(jié)合存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，提出了沖擊波測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)基的斷線觸發(fā)方式。

1 觸發(fā)方式選擇

目前，分布式?jīng)_擊波超壓測(cè)試儀常用的觸發(fā)方式主要有內(nèi)觸發(fā)、無線觸發(fā)、光學(xué)觸發(fā)、斷線觸發(fā)四種觸發(fā)方式。

內(nèi)觸發(fā)方式利用沖擊波脈沖幅值達(dá)到設(shè)定閾值而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，因各測(cè)點(diǎn)布設(shè)方位、距離不同，沖擊波幅值與沖擊波到達(dá)時(shí)間差別大，無法做到統(tǒng)一觸發(fā)和時(shí)基同步[4]。采用無線觸發(fā)方式的測(cè)試系統(tǒng)通過接收無線傳輸?shù)挠|發(fā)命令進(jìn)入觸發(fā)狀態(tài)，裝置無需引線，但需預(yù)觸發(fā)，因此無法準(zhǔn)確獲取炸點(diǎn)時(shí)刻及沖擊波傳播時(shí)間，且對(duì)于封閉的測(cè)試環(huán)境，觸發(fā)可靠性不強(qiáng)。采用光學(xué)觸發(fā)方式的測(cè)試系統(tǒng)以戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理為電信號(hào)觸發(fā)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，但易受非爆炸光、破片、煙霧等因素干擾導(dǎo)致誤觸發(fā)，且光敏元件、光電轉(zhuǎn)換器件極易受損，適用性不強(qiáng)[5]。

對(duì)比以上三種觸發(fā)方式，斷線觸發(fā)通過控制觸發(fā)線通斷為測(cè)試系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)，方式簡(jiǎn)單有效，觸發(fā)同步，時(shí)基統(tǒng)一，實(shí)用性強(qiáng)，適用于多測(cè)點(diǎn)沖擊波靜爆毀傷實(shí)驗(yàn)。

2 沖擊波測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)基的斷線觸發(fā)方式

2.1 觸發(fā)原理

穩(wěn)定可靠統(tǒng)一的時(shí)間參考量對(duì)多套測(cè)試裝置迅速、精準(zhǔn)、一致地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有著決定性作用。

斷線觸發(fā)原理在于多臺(tái)測(cè)試儀共用一條觸發(fā)線，且由觸發(fā)線接口等長(zhǎng)度接至各測(cè)試儀，試驗(yàn)前將觸發(fā)線一端纏繞在戰(zhàn)斗部表面或置于戰(zhàn)斗部附近[6]，戰(zhàn)斗部爆炸瞬間觸發(fā)線被斷開，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，作為測(cè)試儀捕獲數(shù)據(jù)的作用時(shí)間零點(diǎn)，示意圖如圖1。

圖1 斷線觸發(fā)示意圖Fig.1 Schematic diagram of breaking trigger mode

2.2 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)爆過程常伴隨高強(qiáng)度電磁脈沖，電磁噪聲作用于外接線纜及測(cè)試電路，影響其信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，甚至導(dǎo)致誤觸發(fā)、短暫性工作中斷或信號(hào)錯(cuò)亂，最終影響測(cè)試結(jié)果和測(cè)試精度[7]。

為防止電磁噪聲隨觸發(fā)線進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)干擾測(cè)試過程，采用雙層屏蔽雙絞線纜為觸發(fā)線，為測(cè)試儀配置光電隔離及電源電壓隔離元件，并在設(shè)計(jì)測(cè)試電路PCB圖時(shí)優(yōu)化電路元器件布置，利用布線技術(shù)改善電磁干擾，最后將傳感器、放大調(diào)理電路、存儲(chǔ)模塊集成，整體組裝并灌封在封閉的高強(qiáng)度鋼殼體內(nèi)[8-9]。文中選用HCPL_2631光耦元件，該光耦內(nèi)置超高速集成光電檢測(cè)器邏輯門，響應(yīng)速度為10 MBit/s，提供CMR(Common Mode Rejection，共模抑制)為10 kV/μs，硬件電路圖如圖2所示。戰(zhàn)斗部瞬間炸斷觸發(fā)線，從而使光耦引腳7的輸出電平由低變高，產(chǎn)生一個(gè)近似的階躍信號(hào)，作為系統(tǒng)斷線觸發(fā)信號(hào)。

2.3 斷線響應(yīng)時(shí)間

系統(tǒng)斷線觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間，從觸發(fā)線斷裂時(shí)刻起，由電信號(hào)傳播時(shí)間、光耦模塊響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間三部分組成[9]，即

T=Tt+To+Tb

(1)

式(1)中，T為系統(tǒng)斷線觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間，ns；Tt為電信號(hào)傳播時(shí)間，ns；To為光耦模塊響應(yīng)時(shí)間，ns；Tb為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，ns。

2.3.1電信號(hào)傳播時(shí)間

理論上，電信號(hào)在觸發(fā)線中的傳播速度近似光在真空中的傳播速度，約為3×108m/s。以大當(dāng)量戰(zhàn)斗部靜爆沖擊波超壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)為參考，測(cè)點(diǎn)布設(shè)距爆心的最大距離一般不超過20 m，以20 m布線距離計(jì)算，電信號(hào)在線纜中的傳播時(shí)間Tt約為67 ns。

2.3.2光耦模塊響應(yīng)時(shí)間

查閱HCPL_2631光耦元件使用手冊(cè)可知，該元件響應(yīng)時(shí)間最大值為75 ns，最小值20 ns，典型值為45 ns。

2.3.3系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間

接收中斷信號(hào)后，程序需要一定的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短取決于進(jìn)入程序循環(huán)的語句位置及語句條數(shù)。為縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提高響應(yīng)速率，將指令語句精簡(jiǎn)至6條。根據(jù)公式：

(2)

式(2)中，Tb為系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間，ns；fMCLK為主時(shí)鐘頻率，MHz，文中所用頻率為8 MHz；m為執(zhí)行語句條數(shù)；n為執(zhí)行語句的機(jī)械周期數(shù)，文中測(cè)試系統(tǒng)每條語句的執(zhí)行周期為2個(gè)機(jī)械周期，計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Tb為0.25～1.5 μs。

因此，理論上，測(cè)試儀斷線觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間T為0.362～1.612 μs。查閱文獻(xiàn)及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，沖擊波傳播時(shí)間為毫秒級(jí)，遠(yuǎn)大于該測(cè)試系統(tǒng)斷線觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間，斷線觸發(fā)方式可行。

2.4 時(shí)間參數(shù)

炸點(diǎn)時(shí)刻、沖擊波傳播時(shí)間是沖擊波物理學(xué)和爆炸物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，也是脫靶參量計(jì)算、引戰(zhàn)配合性能評(píng)價(jià)的主要時(shí)間參考依據(jù)[10]。

其中，炸點(diǎn)時(shí)刻為戰(zhàn)斗部爆炸瞬間在沖擊波測(cè)試儀的記錄時(shí)刻，是系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)刻與系統(tǒng)斷線響應(yīng)時(shí)間差，即

Ts=Tr-T

(3)

式(3)中，Ts為炸點(diǎn)時(shí)刻，μs；Tr為觸發(fā)時(shí)刻，是系統(tǒng)檢測(cè)到置高觸發(fā)標(biāo)志位所在時(shí)刻，μs；T為系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間，μs。

沖擊波傳播時(shí)間為戰(zhàn)斗部自爆炸至沖擊波傳播到該測(cè)點(diǎn)的傳播時(shí)間，是沖擊波到達(dá)某測(cè)點(diǎn)傳感器敏感面時(shí)刻與炸點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間差，即

Tt=Ta-Ts

(4)

式(4)中，Tt為沖擊波傳播時(shí)間，μs；Ta為沖擊波到達(dá)傳感器敏感面時(shí)間，μs；Ts為炸點(diǎn)時(shí)刻，μs。

因此，在觸發(fā)時(shí)刻這一時(shí)間作用零點(diǎn)統(tǒng)一這一前提下，才能保證各套測(cè)試儀到達(dá)時(shí)刻的可參考性，才能保證沖擊波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)的有效性。

在此基礎(chǔ)上，在沖擊波傳播方向上，輔助測(cè)試儀前后安裝兩個(gè)傳感器，即可根據(jù)沖擊波傳播時(shí)間得出沖擊波在該測(cè)點(diǎn)的平均傳播速度，進(jìn)一步，可利用蘭金-雨貢紐方程推算出該點(diǎn)理論超壓峰值[11-12]，這不僅能夠驗(yàn)證該條數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，而且能夠通過計(jì)算實(shí)測(cè)值與理論值誤差來不斷修正和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，提升測(cè)試精度[13]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 光耦響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

對(duì)五個(gè)光耦元件進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用同一接線方式并在同一時(shí)刻斷開信號(hào)線，其輸出響應(yīng)曲線如圖3，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖3 光耦輸出響應(yīng)曲線Fig.3 Output response curve of optocoupler

序號(hào)響應(yīng)時(shí)間/ns145247346446546

由表1可知，實(shí)測(cè)光耦響應(yīng)時(shí)間最大值47 ns，最小值45 ns，典型值46 ns，均值46 ns，To取值46 ns，與理論值偏差1 ns，在誤差允許范圍內(nèi)。

3.2 時(shí)基同一性驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)基同步性，本文以引燃鞭炮模擬戰(zhàn)斗部引爆現(xiàn)象，炸斷觸發(fā)線，為測(cè)試系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)；以信號(hào)發(fā)生器發(fā)出幅值為1.5 V，頻率為1 kHz，占空比為50%的方波信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)基統(tǒng)一性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前為各測(cè)試裝置安裝傳感器，進(jìn)行觸發(fā)線、信號(hào)線連接等準(zhǔn)備工作。為保證觸發(fā)信號(hào)統(tǒng)一，所有測(cè)試儀共用一條觸發(fā)線。為保證輸入信號(hào)一致，將各測(cè)試儀信號(hào)輸入端連接同一個(gè)信號(hào)發(fā)生器信號(hào)輸出端，以幅值為1.5 V，頻率為1 kHz，占空比為50%的方波信號(hào)作為模擬實(shí)驗(yàn)的“沖擊波信號(hào)”。測(cè)試儀裝配完畢后，引燃鞭炮，測(cè)試儀被觸發(fā)，打開信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出開關(guān)，給出方波信號(hào)，待測(cè)試儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束，讀取測(cè)試數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)各數(shù)據(jù)的觸發(fā)時(shí)刻、到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算傳播時(shí)間。

選定1#測(cè)試儀作為參考裝置，計(jì)算N#測(cè)試儀與參考測(cè)試儀傳播時(shí)間差值，即觸發(fā)時(shí)刻時(shí)間誤差，根據(jù)該誤差判斷觸發(fā)時(shí)刻統(tǒng)一性。試驗(yàn)原理如圖4，測(cè)試結(jié)果如表2所示，其中，Tr-N為N# 裝置的觸發(fā)時(shí)刻，T1-N為N#裝置信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，即信號(hào)由低電平置位高電平時(shí)刻，T2-N為N#裝置觸發(fā)時(shí)刻至信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間長(zhǎng)度，T2-N=T1-N-Tr-N。ΔTN為該測(cè)試裝置與參考測(cè)試儀傳播時(shí)間差的絕對(duì)值，ΔTN=|T2-N-T2-1|。

圖4 觸發(fā)時(shí)刻時(shí)基同步性驗(yàn)證原理圖Fig.4 Time-base synchronization verification diagra-m at trigger time

Tab.2 Experimental data μs

由表2可知，信號(hào)到達(dá)時(shí)刻誤差小于3 μs，可視為同時(shí)到達(dá)，分析該誤差來源為各元器件電氣結(jié)構(gòu)存在微小差異造成。由ΔTN可知，實(shí)際測(cè)試時(shí)，各測(cè)試儀與示波器測(cè)得觸發(fā)時(shí)刻時(shí)間差在2 μs以內(nèi)，且誤差小于1 μs，與理論值相符，視為多套測(cè)試儀觸發(fā)同步。

3.3 實(shí)爆實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定及多次模擬試驗(yàn)聯(lián)調(diào)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)2 kg藥柱進(jìn)行沖擊波超壓測(cè)試。根據(jù)《靜爆試驗(yàn)方案》，設(shè)置爆心高度為50 cm，在距爆心地面投影點(diǎn)2 m、3 m、4 m處分別布置5個(gè)地面反射壓測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.5 Layout of measuring points

系統(tǒng)上電后，通過無線通信對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行參數(shù)配置，保證觸發(fā)前各測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)基。戰(zhàn)斗部爆炸后，待數(shù)據(jù)采集完畢且排除場(chǎng)地危險(xiǎn)，回收測(cè)試儀，并用上位機(jī)軟件讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖6為距爆心2 m處2#測(cè)試儀測(cè)取到的原始數(shù)據(jù)曲線。實(shí)驗(yàn)裝置均成功捕獲有效數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

圖6 原始數(shù)據(jù)曲線Fig.6 The original data curve

裝置號(hào)距爆心距離/m到達(dá)時(shí)刻/μs2#21 5284#32 7905#44 449

表4 相同測(cè)距測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3可知，隨到爆心距離的增加，測(cè)點(diǎn)的信號(hào)到達(dá)時(shí)刻時(shí)間延長(zhǎng)，原因在于隨著沖擊波的傳播，其能量逐步降低，傳播速度有所減慢，該變化符合傳播規(guī)律。由表4可知，觸發(fā)時(shí)刻作為裝置數(shù)據(jù)采集零點(diǎn)，距爆心相同距離的測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻基本一致，誤差在1～3 μs。結(jié)合實(shí)際分析誤差原因，測(cè)點(diǎn)受位置布設(shè)誤差、外部物理環(huán)境如溫度、風(fēng)向風(fēng)力、壓強(qiáng)等因素影響，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間存在微小區(qū)別。

為描述測(cè)試結(jié)果分散性及測(cè)試結(jié)果質(zhì)量，引入不確定度，用兩類方法評(píng)定，即依據(jù)被測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的A類評(píng)定方法和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及先驗(yàn)信息的B類評(píng)估方法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)一距離下測(cè)點(diǎn)到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間不確定度，采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類方法評(píng)定，用算數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差表征，計(jì)算結(jié)果為1.53 μs，誤差在測(cè)試允許范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果可靠有效，證明系統(tǒng)時(shí)基統(tǒng)一性良好。

4 結(jié)論

本文提出了沖擊波測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)基的斷線觸發(fā)方式，該方式利用戰(zhàn)斗部爆炸毀傷作用炸斷觸發(fā)線為多臺(tái)沖擊波測(cè)試儀提供同一外觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，解決了同一時(shí)基下炸點(diǎn)時(shí)刻和沖擊波傳播時(shí)間不易測(cè)取問題。實(shí)驗(yàn)表明，采用斷線觸發(fā)方式的測(cè)試系統(tǒng)具有快速響應(yīng)特性，響應(yīng)時(shí)間小于2 μs；測(cè)試儀斷線觸發(fā)統(tǒng)一性高，多臺(tái)測(cè)試儀觸發(fā)時(shí)刻誤差小于1 μs，時(shí)基統(tǒng)一，測(cè)試精度及可靠性均滿足工程要求，且實(shí)現(xiàn)了同一時(shí)基下炸點(diǎn)時(shí)刻和沖擊波傳播時(shí)間的測(cè)取和計(jì)算，在靜爆毀傷試驗(yàn)中有著良好的應(yīng)用前景。