王代華,范少波,朱金瑞,韓 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.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司,哈爾濱 150000)

各種武器彈藥對(duì)目標(biāo)的毀傷效果主要體現(xiàn)在爆炸產(chǎn)物和沖擊波直接作用上,所以沖擊波是評(píng)價(jià)彈藥威力的主要因素[1]。針對(duì)爆炸沖擊波測(cè)試,有等效靶板法、等效壓力罐法、生物試驗(yàn)法、電測(cè)法等[2],當(dāng)前主要以電測(cè)法中的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)為主。沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)已有著長(zhǎng)足發(fā)展,無(wú)論是控制器選用[3-4],還是系統(tǒng)功能[5-6],以及數(shù)傳方式[7-9]等都有大量研究工作。對(duì)傳感器而言,由于內(nèi)置信號(hào)調(diào)節(jié)器的ICP壓電傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)性能,在沖擊波壓力測(cè)試中得到了廣泛使用[10]。不過(guò),在涉及消除ICP傳感器輸出的直流偏置電壓時(shí),均采用電容交流耦合方式,不可避免地對(duì)傳感器信號(hào)中的低頻分量造成一定影響。而且,當(dāng)前存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置不夠靈活,導(dǎo)致應(yīng)用受到限制。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種面向存儲(chǔ)式?jīng)_擊波測(cè)試系統(tǒng)的多參數(shù)程控技術(shù),在保障傳感器信號(hào)低頻特性的條件下消除其直流偏置,同時(shí)增加后續(xù)可程控參數(shù),使系統(tǒng)更具靈活性與通用性。

1 系統(tǒng)總體原理

系統(tǒng)采用存儲(chǔ)測(cè)試原理設(shè)計(jì),將傳感器、電路和電源等部件內(nèi)置于一個(gè)可承受高溫、高壓、高沖擊、強(qiáng)電磁輻射的密閉保護(hù)殼內(nèi),僅傳感器敏感面暴露在外接收沖擊波信號(hào),事后經(jīng)通信接口電路將記錄數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī),由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體框圖

1.1 壓力傳感器

目前常見(jiàn)的壓力傳感器有應(yīng)變式、壓阻式、壓電式3種。應(yīng)變式壓力傳感器在測(cè)試高壓信號(hào)時(shí)容易產(chǎn)生較大的非線性誤差[11];壓阻式壓力傳感器的零頻及低頻特性較好,但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其易受溫度和強(qiáng)光的影響[12];壓電式壓力傳感器有兩種類型,電荷輸出型及ICP型。電荷輸出型壓力傳感器需另配電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路,對(duì)電纜及接頭處有高阻抗要求,而接觸環(huán)境中的濕氣、灰塵、油脂等易導(dǎo)致阻抗下降。ICP型壓力傳感器已將電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路集成在傳感器內(nèi)部,克服了電荷型壓力傳感器的不足。本系統(tǒng)選用PCB公司具有良好動(dòng)態(tài)特性的ICP型壓力傳感器,響應(yīng)時(shí)間小于1 μs,諧振頻率大于500 kHz,非線性小于1% FS,滿足沖擊波超壓信號(hào)的測(cè)試要求[13]。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要目的是將傳感器的輸出信號(hào)精確耦合進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,并充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程,以提高數(shù)據(jù)的測(cè)試精度,組成如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路框圖

ICP型壓力傳感器的滿量程輸出電壓為5 V左右,并帶有+8 V～+14 V的直流偏置電壓?，F(xiàn)有的沖擊波測(cè)試系統(tǒng),一般采用電容作交流耦合,隔離掉直流偏置電壓,這必然會(huì)影響沖擊波信號(hào)的低頻特性。本系統(tǒng)采用直流耦合方式,結(jié)合數(shù)控電平移位的方法消除直流偏置電壓,然后經(jīng)增益與基線程控電路,使有效信號(hào)調(diào)理在0～2.5 V范圍內(nèi),再經(jīng)程控濾波器降噪處理后,輸出至后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器。

1.3 采集存儲(chǔ)電路

采集存儲(chǔ)電路主要負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與傳輸,如圖3所示。本系統(tǒng)采用最高采樣速率為3 Msample/s,轉(zhuǎn)換精度為12 bit的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器;采用非易失性Flash存儲(chǔ)器做存儲(chǔ)單元;采用具有4個(gè)bank、200個(gè)I/O管腳的FPGA控制器。A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、通信接口電路的管腳分別與FPGA的bank3、bank2、bank1的相應(yīng)管腳連接,bank0的相應(yīng)管腳用于信號(hào)調(diào)理電路的編程控制。

圖3 采集存儲(chǔ)電路框圖

所選A/D轉(zhuǎn)換器為并行12位輸出,而Flash存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入寬度為8位,且為塊擦除、頁(yè)寫入結(jié)構(gòu),二者的數(shù)據(jù)傳輸寬度與傳輸速率均不匹配,故A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先由FPGA內(nèi)部FIFO緩沖再存入Flash存儲(chǔ)器。采集數(shù)據(jù)同時(shí)由比較器進(jìn)行比較,當(dāng)采集數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)觸發(fā)閾值時(shí),系統(tǒng)觸發(fā),數(shù)據(jù)采集到預(yù)設(shè)長(zhǎng)度后停止采集,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Flash存儲(chǔ)器中,等待計(jì)算機(jī)經(jīng)由通信接口讀取數(shù)據(jù)。

2 多參數(shù)程控技術(shù)

2.1 直流偏置電壓的程控消除技術(shù)

圖4 直流偏置電壓消除電路框圖

該技術(shù)采用直流耦合方式,利用儀表放大器僅放大差模信號(hào)的特性消除直流偏置電壓,如圖4所示。傳感器輸出信號(hào)直接接入儀表放大器同相輸入端,反相輸入端與數(shù)控電位器連接,輸出端經(jīng)多路選擇器可接入后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器。

直流偏置電壓的消除原理:(1)FPGA初始化數(shù)控電位器的輸出電壓接近ICP型傳感器偏置電壓的下限;(2)FPGA控制多路選擇器選通A/D轉(zhuǎn)換器通道;(3)FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器采樣電路輸出電壓;(4)根據(jù)采集結(jié)果反饋控制數(shù)控電位器輸出電壓,逐級(jí)提高數(shù)控電位器輸出幅值,使采樣電壓趨于0;(5)采樣電壓為0,鎖定數(shù)控電位器的輸出級(jí)。流程如圖5所示。

圖5 直流偏置電壓消除流程

2.2 增益與基線程控技術(shù)

ICP型壓力傳感器的輸出信號(hào)去掉直流偏置后,再經(jīng)可編程增益放大器與基線程控電路處理為0～2.5 V范圍內(nèi)的信號(hào),如圖6所示?？删幊淘鲆娣糯笃鞯脑鲆娣秶鸀?/8～128倍,共11檔,由FPGA程控。該放大器以VOCM端電壓為基準(zhǔn)輸出,通過(guò)FPGA控制數(shù)控電位器的輸出電壓,達(dá)到調(diào)整可編程增益放大器基準(zhǔn)電壓的目的,從而實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的基線可編程控制。

圖6 增益與濾波程控電路圖

2.3 濾波器程控技術(shù)

因彈藥當(dāng)量以及測(cè)試距離不同,沖擊波超壓頻帶會(huì)產(chǎn)生較大變化[14],而現(xiàn)有沖擊波測(cè)試系統(tǒng)往往采用固定帶寬的濾波器,并不利于優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)在充分分析沖擊波信號(hào)特征的基礎(chǔ)上,借助可編程集成濾波器,由FPGA編程控制,可實(shí)現(xiàn)面向不同測(cè)試目標(biāo)的濾波器程控。本系統(tǒng)選用四階連續(xù)時(shí)間濾波器,上限截止頻率可達(dá)300 kHz。試驗(yàn)前,根據(jù)被測(cè)彈藥當(dāng)量和測(cè)點(diǎn)距離分別設(shè)置每個(gè)測(cè)點(diǎn)的濾波器帶寬,有力保障了測(cè)試精度和信噪比。

2.4 負(fù)延時(shí)程控技術(shù)

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中,限于存儲(chǔ)容量和觸發(fā)方式,一般采用負(fù)延時(shí)技術(shù)記錄波前信號(hào)。由于Flash存儲(chǔ)器的塊擦除和頁(yè)編程都需要一定的操作時(shí)間,采用單片F(xiàn)lash實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并兼具負(fù)延時(shí)記錄功能存在一定難度。

本系統(tǒng)所選Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部分為兩個(gè)區(qū):P0與P1。為了便于實(shí)現(xiàn)負(fù)延時(shí)記錄,將每個(gè)區(qū)再分割為兩部分:P00與P01以及P10與P11。其中,P00和P10的長(zhǎng)度相同,用于負(fù)延時(shí)數(shù)據(jù)記錄;P01和P11的長(zhǎng)度相同,用于觸發(fā)后的正向數(shù)據(jù)記錄。該兩類區(qū)域的長(zhǎng)度均由FPGA可編程控制。

系統(tǒng)的采樣頻率由FPGA編程控制,以2 MHz來(lái)計(jì)算,12位分辨率A/D的每個(gè)采樣點(diǎn)需2 byte存儲(chǔ),所以系統(tǒng)采集1 s所需的存儲(chǔ)容量為4 Mbyte。設(shè)P00和P10區(qū)大小為沖擊波數(shù)據(jù)大小的1/4,即1 Mbyte。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè),頁(yè)編程時(shí)間為200 μs,塊擦除時(shí)間為700 μs,經(jīng)計(jì)算,在數(shù)據(jù)寫入過(guò)程中,擦除時(shí)間遠(yuǎn)小于編程時(shí)間。上電工作后,默認(rèn)進(jìn)入負(fù)延時(shí)數(shù)據(jù)的循環(huán)采樣狀態(tài),采集數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)預(yù)設(shè)的觸發(fā)閾值(可編程設(shè)置)作對(duì)比。若小于觸發(fā)閾值,則采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在P00區(qū),在P00區(qū)寫滿后,P10區(qū)開(kāi)始寫入數(shù)據(jù),在P10區(qū)寫滿一半時(shí),P00區(qū)進(jìn)行塊擦除。同樣,在P10區(qū)寫滿時(shí),P00區(qū)開(kāi)始寫入數(shù)據(jù),P00區(qū)寫滿一半時(shí),P10區(qū)進(jìn)行塊擦除,如此循環(huán),可一直保證離觸發(fā)點(diǎn)最近的數(shù)據(jù)得到有效存儲(chǔ)。當(dāng)采集數(shù)據(jù)大于觸發(fā)閾值,系統(tǒng)進(jìn)入正向數(shù)據(jù)記錄狀態(tài),數(shù)據(jù)停止寫入P00區(qū)和P10區(qū),轉(zhuǎn)而寫入P01區(qū)和P11區(qū),直到寫滿預(yù)先編程設(shè)置的存儲(chǔ)長(zhǎng)度。讀數(shù)時(shí),先讀取負(fù)延時(shí)數(shù)據(jù)記錄區(qū),再接續(xù)讀取正向數(shù)據(jù)記錄區(qū),從而得到完整的沖擊波測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述多參數(shù)程控技術(shù),研制完成的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)多次實(shí)彈試驗(yàn)考核。圖7是參加某型試驗(yàn)彈的布局圖和現(xiàn)場(chǎng)照片。參照相關(guān)國(guó)軍標(biāo),按照試驗(yàn)任務(wù)要求,被試彈藥平放并架高1.5 m,以其在地面上的投影為爆心,在半徑10 m的圓周上,沿彈尾軸線西北角30°方向及兩側(cè)1.2 m處布置1#、2#、3# 3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)前,根據(jù)當(dāng)量、到爆心距離等因素對(duì)系統(tǒng)的程控參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置,增益設(shè)為2倍,基線設(shè)為500 mV,濾波器截止頻率設(shè)為150 kHz,觸發(fā)閾值設(shè)為820 mV,負(fù)延時(shí)長(zhǎng)度設(shè)為1 Mbyte,正向記錄長(zhǎng)度設(shè)為4 Mbyte。圖8為實(shí)測(cè)超壓曲線。從圖8中可以看出,爆炸沖擊波上升時(shí)間非常短,正壓峰值高,負(fù)壓低緩且作用時(shí)間長(zhǎng)。表1是對(duì)沖擊波曲線處理后得到的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。數(shù)據(jù)表明,該型試驗(yàn)彈在10 m處的超壓峰值均值可達(dá)0.087 MPa,滿足指標(biāo)要求。由3個(gè)參數(shù)橫向比較可得,在同等距離上,隨著測(cè)點(diǎn)位置偏離彈軸(接近法線),沖擊波超壓峰值增大,符合該型彈的爆炸沖擊波場(chǎng)的傳播規(guī)律。

圖8 實(shí)測(cè)超壓曲線

測(cè)試距離/m測(cè)點(diǎn)超壓峰值/MPa正壓作用時(shí)間/ms沖量/(Pa·s)1#0.089 45.921163.6102#0.088 25.684183.83#0.083 45.310152.7均值0.087 05.638166.7

4 結(jié)論

基于多參數(shù)程控技術(shù),存儲(chǔ)式?jīng)_擊波測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)程控剔除傳感器的直流偏置電壓,消除了對(duì)傳感器信號(hào)低頻特性的影響,提高了測(cè)試精度。系統(tǒng)同時(shí)對(duì)增益、基線、濾波器帶寬、采樣頻率、觸發(fā)閾值、負(fù)延時(shí)長(zhǎng)度和正向記錄長(zhǎng)度等多項(xiàng)參數(shù)具備可編程控制功能,提高了系統(tǒng)的通用性。多次實(shí)彈試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)有效性,可為彈藥威力評(píng)估提供可靠的實(shí)測(cè)依據(jù)。