閆宏彪，丁永紅*，王俊峰

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

智能化沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)

閆宏彪1，2，丁永紅1，2*，王俊峰1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

沖擊波超壓測(cè)試是衡量武器彈藥毀傷性能的重要參數(shù)。設(shè)計(jì)了一種由探測(cè)單元、控制單元、觸發(fā)單元構(gòu)成的地面場智能化沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、微功耗、抗沖擊、抗電磁干擾等特點(diǎn)，通過激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)后應(yīng)用于自由場實(shí)爆試驗(yàn)，并能成功記錄關(guān)鍵信號(hào)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式所得數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性。

沖擊波超壓測(cè)試；激波管；智能化；無線

爆炸場中，彈藥與空氣接觸發(fā)生強(qiáng)烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，致使爆炸中心高溫高壓區(qū)內(nèi)的空氣猛烈壓縮，以相當(dāng)快的速度向外膨脹并強(qiáng)烈作用于周圍其他介質(zhì)，導(dǎo)致這種由介質(zhì)狀態(tài)突躍變化的高壓氣團(tuán)被稱為爆炸沖擊波［1］。正向超壓峰值、持續(xù)時(shí)間和比沖量是衡量沖擊波毀傷效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)［2］，因此，對(duì)爆炸場沖擊波超壓信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)彈藥、武器系統(tǒng)以及加強(qiáng)重要設(shè)備防護(hù)提供的理論參考依據(jù)［3］。

壓電式傳感器具有較高的頻率響應(yīng)和靈敏度以及較寬頻率范圍等特點(diǎn)，能夠恰當(dāng)運(yùn)用于峰值高、持續(xù)時(shí)間短、脈沖寬度窄（約1 ms）的沖擊波信號(hào)測(cè)量中［4］。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)由探測(cè)單元、控制單元和觸發(fā)單元［5-7］組成。探測(cè)單元主要完成信號(hào)測(cè)量、調(diào)理、存儲(chǔ)工作［8］，其中，傳感器采用PCB公司生產(chǎn)的113B型ICP壓電式壓力傳感器。控制單元主要功能：①上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接無線主控節(jié)點(diǎn)，通過無線［9］從節(jié)點(diǎn)向主控芯片實(shí)施上、下電，參數(shù)配置等操作；②由主控芯片單片機(jī)和CPLD共同控制FLASH擦除、讀寫以及模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換工作。觸發(fā)單元主要通過手動(dòng)觸發(fā)和無線觸發(fā)兩種模式，確保系統(tǒng)具備可靠性觸發(fā)功能，具體系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

工作原理：將壓電式傳感器測(cè)得的被測(cè)信號(hào)經(jīng)模擬適配電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后輸出給A/D，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由CPLD芯片結(jié)合FIFO緩存芯片完成數(shù)據(jù)位匹配后存入FLASH，最后利用讀數(shù)盒與計(jì)算機(jī)USB口連接，并通過相應(yīng)VB讀數(shù)軟件完成數(shù)據(jù)讀取、顯示操作，進(jìn)而分析利用。

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

根據(jù)測(cè)試技術(shù)指標(biāo)要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主要針對(duì)多路信號(hào)測(cè)量而設(shè)計(jì)了智能化多采樣多通道測(cè)試系統(tǒng)，具體系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中硬件電路設(shè)計(jì)主要針對(duì)探測(cè)單元中傳感器的連接，控制單元中模擬開關(guān)MAX4634、A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7492的控制作如下介紹。

①傳感器接法

根據(jù)爆炸沖擊波具有速度快，持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中傳感器采用113B28型ICP傳感器［10］，具體連接電路如圖2所示。

②模擬開關(guān)MAX4634的接法

模擬開關(guān)MAX4634主要用來完成4路信號(hào)的切換選擇，當(dāng)每路信號(hào)設(shè)置采樣頻率小于等于250 kHz時(shí)，模擬開關(guān)可對(duì)4路信號(hào)快速實(shí)現(xiàn)切換選擇功能；當(dāng)對(duì)單路信號(hào)采樣頻率達(dá)1 M時(shí)，系統(tǒng)只能用來測(cè)量單路信號(hào)。以采樣頻率為250 kHz為例，然后經(jīng)圖3.8中模擬開關(guān)MAX4634對(duì)其多通道選擇，具體電路如圖3所示。

圖2 傳感器鏈接電路圖

圖3 MAX4634連接電路

③AD7492接法

對(duì)模擬開關(guān)選出的一路信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后直接接到輸出給A/D，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)CPLD結(jié)合FIFO對(duì)其數(shù)據(jù)位匹配后，由單片機(jī)MSP430F4618控制并存入FLASH中，其中AD7492的連接電路如圖4所示。

圖4 AD7492連接電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中主要針對(duì)模擬開關(guān)MAX4634和FLASH存儲(chǔ)控制流程做出介紹。

①M(fèi)AX4634控制邏輯實(shí)現(xiàn)

通過選定CPLD芯片的2個(gè)I/O作為模擬開關(guān)的地址端MA0、MA1，實(shí)現(xiàn)多路不同信號(hào)的選擇。首先，利用分頻程序?qū)σ堰x定的2個(gè)I/O口輸出的時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)行2分頻、4分頻；然后，將2個(gè)I/O分別與MAX4634的兩個(gè)地址端連接，實(shí)現(xiàn)的時(shí)序邏輯如圖5所示。

②FLASH寫數(shù)流程

根據(jù)閃存K9F1G08U0B芯片資料可知，閃存寫入時(shí)，首先將輸入命令以及數(shù)據(jù)地址寫入，接著再將整頁(2k+64) Byte的數(shù)據(jù)寫入，最后經(jīng)tPROG最小300 μs的編輯時(shí)間后將測(cè)試數(shù)據(jù)保存于K9F1G08U0B內(nèi)。具體數(shù)據(jù)寫入流程如圖6所示。

圖5 MAX4634時(shí)序邏輯圖

圖6 Flash寫數(shù)據(jù)流程圖

5 系統(tǒng)激波管校準(zhǔn)

由于激波管［11］產(chǎn)生的高壓氣體激波與爆炸沖擊波相似，因此，激波管是沖擊波測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的理想工具，其激波管校準(zhǔn)示實(shí)物圖如圖7所示。

激波管校準(zhǔn)常用的計(jì)算公式有：

其中，v為激波速度，單位為m/s；s為兩傳感器之間的中心距離，單位為m；Δt為兩傳感器上升沿時(shí)間差，單位為ms，c為低壓室氣體的聲速且，T為低壓室氣體溫度，單位為K，P2為高壓室氣體壓力值，單位為MPa；Ma為馬赫數(shù)，P1為低壓室氣體初始?jí)毫χ?，單位為MPa。

本系統(tǒng)在校準(zhǔn)過程中所用激波管低壓室管長為6.5 m，內(nèi)壁直徑為100 mm，兩傳感器安裝距離為300 mm，反射壓最大值10 MPa，其校準(zhǔn)裝置示意圖如圖8所示。

圖8 校準(zhǔn)裝置示意圖

本系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中，以激波管產(chǎn)生馬赫數(shù)為1.2～1.3之間的激波作為激勵(lì)源，共進(jìn)行了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)所得校準(zhǔn)參數(shù)如表2所示，表中P2為激波管高壓室的壓力值，p′為被校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力值。

表2 校準(zhǔn)參數(shù)表

由表2可以看出系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)中系統(tǒng)誤差均小于5%，證明了該測(cè)試系統(tǒng)具有一定可靠性，可以應(yīng)用于實(shí)際沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)。

6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本裝置經(jīng)激波管對(duì)其動(dòng)態(tài)標(biāo)定后，應(yīng)用于TNT當(dāng)量為3 kg，爆心距地面1.5 m，場內(nèi)溫度為10℃的自由場靜爆試驗(yàn)中，并能成功記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)裝置布置［12］示意圖和實(shí)物圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 裝置布置示意圖

自由場沖擊波超壓峰值經(jīng)驗(yàn)公式：

試驗(yàn)中共采用十套裝置完成沖擊波測(cè)量，其中1#、3#、6#裝置的測(cè)試曲線如圖11～圖13所示。

圖10 裝置布置實(shí)物圖

圖11 1#裝置實(shí)測(cè)曲線圖

圖12 2#裝置實(shí)測(cè)曲線圖

圖13 6#裝置實(shí)測(cè)曲線圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（5）得出1#裝置超壓峰值ΔP= 584.63KPa，2#裝置超壓峰值ΔP=320.75 KPa，6#裝置超壓峰值ΔP=254.6KPa，由圖11可得1#裝置超壓峰值實(shí)測(cè)曲值ΔP′=588.2KPa，由圖12可得2#裝置超壓峰值實(shí)測(cè)曲值ΔP′=323.6KPa由圖13可得6#裝置超壓峰值實(shí)測(cè)曲值ΔP′=260.2KPa，可得出裝置1#、2#、6#系統(tǒng)相對(duì)誤差分別為0.61%、0.89%、2.19%，證明該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性，能夠較好的運(yùn)用于爆炸場沖擊波超壓測(cè)試領(lǐng)域。

7 結(jié)論

通過在自由場靜爆實(shí)驗(yàn)中對(duì)智能化沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)能夠運(yùn)用于爆炸場沖擊波超壓測(cè)試領(lǐng)域來進(jìn)行沖擊波超壓的測(cè)試。

［1］祖靜，張志杰，裴東興，等.新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（z6）.

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［3］董冰玉，杜紅棉，祖靜.基于無線控制的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（2）：279-281.

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閆宏彪（1989-），男，山西呂梁人，中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程研究生。主要研究方向測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器，yanhon?gbao1989@126.com；

丁永紅（1981-），女，主要研究方向?yàn)閻郝原h(huán)境的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，無線信標(biāo)和智能儀器等，在國內(nèi)外核心期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文十余篇；

王俊峰（1989-），男，山西太原人，中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程研究生。主要研究方向動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，448039823@qq.com。

Intelligent Shock Wave Overpressure Test System

YAN Hongbiao1，2，DING Yonghong1，2*，WANG Junfeng1，2
（1.Science and technology on Electric Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Impact wave overpressure test is an important parameter to measure the damage performance of weapon and ammunition.A new intelligent shock wave pressure measurement system is designed，which is composed of a detection unit，a control unit and a trigger unit.The system has the characteristics of small size，low power consump?tion，anti impact，anti electromagnetic interference，After the shock tube dynamic calibration，the free field experi?ment is applied，and it can record the key signal successfully，and the comparison between the measured data and the empirical formula is proved to be reasonable.

the shock wave overpressure test；shock tube；intelligent；wireless

TN98

A

1004-1699(2015)10-1570-05

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.026

2015-05-19 修改日期：2015-08-05