郭亞飛，王　高，梁海堅(jiān)，張　倫

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

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高精度多段智能爆速儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

郭亞飛1，2，王高1，2，梁海堅(jiān)1，2，張倫1

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

摘要：為解決傳統(tǒng)測時儀、爆速儀精度低的問題，提高國防測試技術(shù)領(lǐng)域彈藥爆速測試的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的高精度智能爆速儀。該儀器可用光纖傳感器測量炸藥、導(dǎo)爆索、傳爆管等爆轟波傳播時間和速度，使用通-斷靶測量彈丸、破片等速度。儀器包括三大模塊：以光纖傳感器或通-斷靶和光電探測器為前端的信號采集模塊；利用CPLD完成計(jì)數(shù)器、自動檢測電路、數(shù)據(jù)選通及緩存的計(jì)時模塊；以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入輸出、計(jì)算和LCD顯示的處理模塊。儀器采用200 MHz晶振，通過提高采樣頻率來提高計(jì)時精度。通過導(dǎo)爆索爆速實(shí)驗(yàn)，分析得出系統(tǒng)精度優(yōu)于1%。結(jié)果表明：該系統(tǒng)極大的提高了火工品爆速測量的精度。

關(guān)鍵詞：爆速；高精度；嵌入式系統(tǒng)；光纖傳感器；CPLD

爆速、爆壓、爆溫是衡量炸藥性能的三個重要參數(shù)。其中，爆速是最容易測量的，其準(zhǔn)確度直接關(guān)系到炸藥成分配比的改進(jìn)和性能的評估。常用的測量爆速的方法主要有高速攝影法、電探針法，另外還有光纖光柵法、連續(xù)示波法等[1-4]。高速攝影法儀器昂貴，測試時離爆炸場較近，儀器容易被爆炸物損壞。電探針法多配合單片機(jī)進(jìn)行信號的采集與處理，進(jìn)行多段爆速測試時需要連接大量的采集電路[5]，但測量過程中電探針容易受強(qiáng)電磁場的影響[6]，導(dǎo)致無法精確確定測量位置，計(jì)算結(jié)果誤差變大。光纖光柵法原理復(fù)雜，測試時所需連接的測試儀器體積龐大，不便于攜帶，光纖光柵不容易固定，對環(huán)境要求比較高。連續(xù)示波法則主要用來研究不穩(wěn)定爆轟。

對于以上受電磁干擾導(dǎo)致測量精度不高、儀器復(fù)雜攜帶不便等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的八通道智能爆速儀。該爆速儀可以光纖探針作為傳感器采集信號，也可接入通-斷靶對彈丸、破片速度進(jìn)行測量。光纖探針屬于無源器件，不受電磁干擾、耐腐蝕，響應(yīng)特性優(yōu)良[7，8]。經(jīng)查閱文獻(xiàn)得知，與電探針相比，光纖與炸藥接觸的針刺感度小[9]，使得光纖在易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的使用更加安全。

1測試原理

爆炸時伴隨著體積膨脹、發(fā)出大量的光和熱[10]，利用光纖探針采集光信號，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳送至采樣電路；當(dāng)彈丸、破片將導(dǎo)通的金屬絲切斷時，會產(chǎn)生電信號，同樣傳送至采樣電路。當(dāng)有電信號傳送至采樣電路，經(jīng)過處理發(fā)出脈沖信號，利用計(jì)數(shù)器計(jì)算脈沖之間的時間間隔，進(jìn)而計(jì)算出此段信號傳播所用時間。將計(jì)算出的時間進(jìn)行保存，等待爆速計(jì)算的調(diào)用。測試原理如圖1所示。

圖1　測試原理圖

通過操控界面設(shè)置對應(yīng)的靶距，用靶距除以此段對應(yīng)的時間即可計(jì)算出爆速。對應(yīng)計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：Si為第i段靶距，ti為對應(yīng)段時間，Ni為內(nèi)部計(jì)數(shù)器記得的晶振時鐘脈沖個數(shù)，T為時鐘周期。

假設(shè)3號通道未采集到信號，則自動將此通道省略，S2、S3兩段靶距自動合并為一段，對應(yīng)時間為兩段靶距信號傳輸所用時間，如式(2)所示：

(2)

若1號通道或8號通道未采集到信號，自動放棄第1段或第7段爆速的計(jì)算。這樣的計(jì)算方式，解決了因一個通道未采集到信號，導(dǎo)致此通道后所有通道采集的信號無法計(jì)算爆速的問題。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主要由光纖傳感器、光電探測器、光電轉(zhuǎn)換電路、CPLD處理電路和LCD顯示電路組成。

2.1光電探測器

由于信號調(diào)理電路會將采集的電信號進(jìn)行放大濾波以及電平轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號往往存在一定的噪聲，為避免誤觸發(fā)，應(yīng)對噪聲進(jìn)行抑制。

選擇光電探測器時，一般根據(jù)測量要求比較探測器的主要特性參數(shù)，最后再選定最合適的器件，在選擇器件時應(yīng)注意：

1) 依據(jù)待測光信號的強(qiáng)弱，決定探測器響應(yīng)度的大??；

2) 探測器光譜響應(yīng)的范圍要與待測的光信號的相對光譜波長范圍一致；

3) 在測量與調(diào)制脈沖光信號時，選用的探測器輸出的電信號應(yīng)正確反映出測量的光信號的波形，也稱探測器的響應(yīng)時間；

4) 當(dāng)測量的光信號發(fā)生幅度的變化時，選用的探測器輸出的電信號幅度要能夠線性的響應(yīng)。

根據(jù)以上要求，選擇了某公司的960 um Silicon PIN光電探測器，

2.2光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

在光電轉(zhuǎn)換電路中，其基本原理是：當(dāng)光照射到PIN光電探測器導(dǎo)致其光電導(dǎo)產(chǎn)生變化，進(jìn)而探測器的電流產(chǎn)生變化，通過采樣電阻后輸出電壓信號。電容C則起瞬時放電、提高輸出回路電流的作用。采樣電阻R的選取需根據(jù)待測對象的特性來定，選取的阻值過大會影響到測試的精度，過小則導(dǎo)致輸出電壓不足，影響后續(xù)電路的處理。如圖2所示。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路原理圖

3結(jié)果及分析

在某靶場通過測量導(dǎo)爆索爆速，對儀器性能進(jìn)行了測試，并且對某型傳爆管傳爆性能進(jìn)行了研究。導(dǎo)爆索爆速測量實(shí)驗(yàn)中所使用的是85RPX型油井用導(dǎo)爆索，引爆裝置為W180A型磁電雷管，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3中a所示。傳爆管為間接傳遞爆轟波的裝置，傳爆性能的好壞直接影響到戰(zhàn)斗部的工作，對其性能的測試為改進(jìn)傳爆管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。性能測試實(shí)驗(yàn)中使用的是某所自制傳爆管，傳爆裝置兩端由85RPX型導(dǎo)爆索連接，使用W180A型磁電雷管進(jìn)行引爆，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3中b所示。由于傳爆部分為機(jī)械裝置，推測此段速度比爆轟波速度小。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

導(dǎo)爆索爆速實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了不同的靶距，起爆前已設(shè)置好各種參數(shù)，準(zhǔn)備完成后，導(dǎo)爆索由電子雷管進(jìn)行引爆。爆炸完成后，測得具體結(jié)果如表1、2。

表1　第一、二發(fā)爆速測量結(jié)果

表2　第三、四發(fā)爆速測量結(jié)果

此型號導(dǎo)爆索爆速在6 800 m/s～7 500 m/s的范圍內(nèi)，在爆速測試實(shí)驗(yàn)中，從表1、2可看出，測得各段爆速絕大部分在7 000 m/s以上，說明爆速儀測試結(jié)果是準(zhǔn)確的。測得的各段爆速均分布在該段平均爆速附近，沒有差別很大的點(diǎn)，表明儀器在多段測試中性能是穩(wěn)定的，測試結(jié)果是可信的。

出現(xiàn)速度低于7 000 m/s這種情況，初步分析認(rèn)為靶距過小，對光纖探針插入精確度的要求越高。假設(shè)靶距50 mm，從測得的數(shù)據(jù)估算爆轟波在50 mm靶距中傳播時間為7 μs，則實(shí)際爆速為7 142.86 m/s，當(dāng)有1 mm靶距誤差時即靶距為49 mm，測得爆速為7 000.00 m/s，誤差為2%。通常在工業(yè)測試上靶距多為500 mm或1 000 mm，當(dāng)光纖探針插入位置有1 mm誤差時，測試結(jié)果誤差為0.2%或0.1%。計(jì)時誤差方面則小的多，由于采用的是200 MHz的晶振，計(jì)時的絕對誤差為±0.005 μs，在50 mm靶距時，爆轟波在靶距間傳播時間為7 μs，測時的相對誤差為±0.07%，傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的爆速儀使用的晶振頻率為10 MHz，計(jì)時誤差為±0.1 μs，計(jì)時相對誤差為±1.2%，與基于單片機(jī)的爆速儀相比，基于嵌入式的爆速儀精度有很大提高。結(jié)合系統(tǒng)誤差與計(jì)時誤差得出，該系統(tǒng)測試精度優(yōu)于1%。

傳爆管傳爆結(jié)構(gòu)為導(dǎo)爆索連接，且導(dǎo)爆索與爆速實(shí)驗(yàn)中使用的完全相同。同樣由電子雷管引爆，傳爆結(jié)束后，測得具體結(jié)果如表3。第二段測得的是傳爆裝置的傳爆速度，由于是機(jī)械裝置，所以速度沒有導(dǎo)爆索中爆轟波傳播速度快，與推測的結(jié)果相吻合。

表3　傳爆管測試結(jié)果

傳爆管性能測試實(shí)驗(yàn)中，傳爆裝置兩端是使用85RPX型導(dǎo)爆索連接的，測得爆速與導(dǎo)爆索爆速實(shí)驗(yàn)中結(jié)果差別很小。由表3看到，傳爆管可以將爆轟波進(jìn)行傳遞，爆轟波通過傳爆裝置后，速度并未下降，說明傳爆管不能使爆速增加或減小，只能進(jìn)行爆轟波的傳遞。

4結(jié)論

基于嵌入式的智能爆速儀與傳統(tǒng)爆速儀相比，在精度上有很大的提高，可以在光纖探針測量模式和通-斷靶測量模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使用光纖探針克服了爆速測試中電磁干擾的缺點(diǎn)，可以測量多段爆速、操作簡單、安全性高、測試成本低的特點(diǎn)，使得儀器用途更加廣泛。在爆速實(shí)驗(yàn)中，證明設(shè)計(jì)方案可行，采用200 MHz的晶振，使得計(jì)時誤差減小，系統(tǒng)測量精度提高，可達(dá)1%；傳爆管性能實(shí)驗(yàn)中，得出了單段爆速儀無法測得的結(jié)果，為傳爆管結(jié)構(gòu)、性能改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Lebedev V B,Feldman G G,Karpov M A,et al.Application of K008 Camera in Diagnostics of Shock and Detonation Waves[J].Measurement Techniques，2007，50(5):524-528.

[2]姜愛華.基于FPGA的多通道光纖爆速儀的設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué),2014.

[3]Rodriguez G,Sandberg R L,McCulloch Q,et al.Chirped Fiber Bragg Grating Detonation Velocity Sensing[J].Review of Scientific Instruments，2013，84(1):015003-015012.

[4]姜愛華，焦寧，王高，等.新型高精度多段光纖爆速儀的設(shè)計(jì)[J].爆破器材,2013,6:29-31.

[5]顧澤慧，高見.CPLD在爆速儀技術(shù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,22:175-177.

[6]高志強(qiáng)，王高，魏林，等.新型光纖爆速儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].火工品，2011(3):43-45.

[7]王榮波，何莉華，田建華，等.兩種光纖探針在沖擊波作用下的時間響應(yīng)特性[J].高壓物理學(xué)報,2005,3:284-288.

[8]王榮波，吳廷烈，王貴朝，等.沖擊作用下快響應(yīng)光纖探針研究[J].爆炸與沖擊,2003,4:375-379.

[9]Wang Rongbo,Wang Guichao,He Lihua,et al.10GPa Detonation Pressure Measuring Explosive Detonation Wave-shaped Photovoltaic Technology[J].DETONATION AND SHOCK WAVES,2003,12:159-163.

[10]高志強(qiáng).基于FPGA的新型單段光纖爆速儀設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)，2012.

收稿日期：2015-11-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61274089)；山西省國際合作項(xiàng)目(2014081029-2)

作者簡介：郭亞飛(1990- )，男，碩士研究生，主要研究方向光纖通信、光電傳感器。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0010- 03

中圖分類號：TN253；TD235.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

An Intelligent High-precision Detonation Velocity Instrument Based on Embedded System

Guo Yafei1,2, Wang Gao1,2, Liang Haijian1,2, Zhang Lun1

(1.NationalKeyLabofElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChinaTaiyuanShanxi030051,China；2.KeyLabofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,MinistryofEducations,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:In order to improve the precision characteristic of detonation velocity instrument and enhance the accuracy property of ammunition speed test in defense field, a high-precision intelligent detonation velocity instrument based on embedded system and fiber optics is designed and tested. It consists of three modules that are fiber sensor, time module and the 200 MHz crystal. The fiber optic sensors and photo-detectors are designed for the signal acquisition. The timing module includes the counter, automatic detection circuit, data strobe and cache that based on CPLD. The function of the data input and output, the computing and the control of LCD display are performed by the embedded system. The sampling frequency is increased to enhance the timing accuracy with the adopting the 200 MHz crystal. It can be used to measure the time and speed of explosives, detonating cord, detonators and other detonation wave propagation. The velocity of projectile and fragment can also be measured by its pass-off target function. The detonation velocity property to detonating cord is measured experimentally. The experimental results show that its velocity measurement accuracy could be better than 1%, which is better than other types of explosive detonation velocity instruments.

Key words:detonation velocity measurement; high-precision; embedded system; fiber sensor; CPLD