丁永紅，尤文斌，馬鐵華

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051；2.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）

艦艇抗爆抗沖擊能力作為艦艇生命力最重要的技術(shù)指標(biāo)，直接影響艦艇海上作戰(zhàn)能力［1－3］。作用于戰(zhàn)艦的突發(fā)沖擊主要有3種：導(dǎo)彈、魚(yú)雷直接作用爆炸，魚(yú)雷和水雷等非接觸的水下爆炸沖擊波，發(fā)射導(dǎo)彈的反向沖擊。這些沖擊都可能對(duì)船體、艦載裝備等造成損傷。艦船毀傷主要由爆炸沖擊波造成，因此掌握爆炸沖擊對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的破壞作用，可對(duì)艦船抗爆炸沖擊的設(shè)計(jì)提供幫助［4］。受費(fèi)用與實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)彈動(dòng)爆船體沖擊波測(cè)量的報(bào)道很少。目前研究多采用有限元數(shù)值法，許多高瞬態(tài)非線性有限元分析程序（如ABAQUS、ADINA、DYTRAN 等）得到了廣泛應(yīng)用［5］。

本文中，采用抗惡劣環(huán)境的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)［6－7］，將探測(cè)頭安裝在艦艇的不同位置，實(shí)時(shí)記錄沖擊波信號(hào)，并在船頭集中安裝備份單元記錄每一個(gè)測(cè)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。測(cè)試完畢后回收探測(cè)頭和備份單元，將記錄數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與研究提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

艦艇在動(dòng)爆完成后可能沉沒(méi)，難以回收測(cè)點(diǎn)記錄儀，因此本測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)采用存儲(chǔ)模式記錄沖擊波，同時(shí)在船頭甲板集中備份存儲(chǔ)。系統(tǒng)框圖如圖1所示，由安裝在測(cè)試點(diǎn)的探測(cè)頭、遠(yuǎn)端備份模塊、控制單元模塊、傳輸數(shù)據(jù)的光纖等組成。探測(cè)頭可以實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的壓力信號(hào)，同時(shí)將采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行串行化處理、光電轉(zhuǎn)換，后經(jīng)光纖傳輸給遠(yuǎn)端的備份模塊存儲(chǔ)。存儲(chǔ)電路在控制單元的作用下，使存儲(chǔ)采集電路在觸發(fā)前循環(huán)記錄，存儲(chǔ)器中始終保持最新的2 MB的數(shù)據(jù)。觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，順序記錄8 MB 的數(shù)據(jù)。為了使各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的零時(shí)刻具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，控制單元的觸發(fā)信號(hào)同時(shí)作用于各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的探測(cè)頭。

探測(cè)頭的外殼為圓柱形鋼制殼體，除可承受較大爆炸沖擊作用外，還可對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行電磁屏蔽，從而大大減少外界環(huán)境干擾，增加了測(cè)量的可靠性。采集存儲(chǔ)電路與外界連接的光纖接頭、航空接頭布置在鄰近的外殼里，采用柔性材料固定，起到減振、屏蔽的作用，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of the system

圖2 探測(cè)頭結(jié)構(gòu)布局圖Fig.2Structure layout of the detection head

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)頭單元設(shè)計(jì)

探測(cè)頭的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，由壓力傳感器、適配電路、A／D 轉(zhuǎn)換器、CPLD、單片機(jī)、Flash存儲(chǔ)器、光電轉(zhuǎn)換接口組成。

沖擊波是爆炸時(shí)氣體快速膨脹形成的，具有速度快、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。壓電型壓力傳感器的頻率響應(yīng)高，能滿足沖擊波測(cè)量的要求，本方案采用8052C 壓電型傳感器。傳感器輸出的電荷信號(hào)在輸出端就近轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，避免電荷信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線傳輸引入的干擾。A／D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)編碼單元后分成2路，一路經(jīng)控制單元存儲(chǔ)到Flash中，另一路經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后傳輸給備份存儲(chǔ)單元。

圖3 探測(cè)頭工作原理框圖Fig.3 Work principle block diagram of the detection head

2.2 觸發(fā)控制單元設(shè)計(jì)

觸發(fā)控制單元由探測(cè)頭觸發(fā)控制與集總控制單元2部分組成，如圖4所示。探測(cè)頭能接收集總控制單元發(fā)送的觸發(fā)記錄信號(hào)，同時(shí)探測(cè)頭將測(cè)試信號(hào)與設(shè)定的電平比較得到的內(nèi)觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給控制單元。集總控制單元通過(guò)檢測(cè)探測(cè)頭的觸發(fā)信號(hào)、斷線觸發(fā)電纜狀態(tài)和傳輸觸發(fā)信號(hào)線通斷作為判斷觸發(fā)是否到來(lái)的依據(jù)。當(dāng)所有探測(cè)頭中大于等于3個(gè)輸出的內(nèi)觸發(fā)有效，或大于等于3路觸發(fā)信號(hào)傳輸線斷開(kāi)，或斷線觸發(fā)控制連線斷開(kāi)，并同時(shí)經(jīng)3次檢測(cè)連續(xù)有效，控制單元輸出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)所有探測(cè)頭及備份模塊。探測(cè)頭將內(nèi)外觸發(fā)信息通過(guò)編碼和壓力數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)，回讀數(shù)據(jù)后就能確定探測(cè)頭的觸發(fā)源，并通過(guò)內(nèi)外觸發(fā)的時(shí)間差修正時(shí)間零點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)由此確定了統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

圖4 觸發(fā)控制單元結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.4 Functional block diagram of the trigger and control units

2.3 存儲(chǔ)電路

NAND flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)已廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)測(cè)試，但由于自身按頁(yè)讀寫(xiě)和塊擦除的結(jié)構(gòu)特性，決定了單片存儲(chǔ)器不能高速連續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)［8］。為此，在頁(yè)編程時(shí)采用FIFO 作為數(shù)據(jù)緩沖，完成以Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)的連續(xù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入。采用恒定采樣速率、抽點(diǎn)存儲(chǔ)的采樣控制策略，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間記錄和有效數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。沖擊波信號(hào)在未到來(lái)之前，對(duì)A／D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用抽點(diǎn)存儲(chǔ)；信號(hào)到來(lái)時(shí)變?yōu)橹瘘c(diǎn)完全存儲(chǔ)，在保證有效數(shù)據(jù)容量大大壓縮的情況下，觸發(fā)前的瞬變數(shù)據(jù)在FIFO 中得以完整保存。實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖5所示，控制模擬時(shí)序如圖6所示。圖中rclk為FIFO 的讀時(shí)鐘，上升沿?cái)?shù)據(jù)從FIFO 中輸出；wclk為flash寫(xiě)時(shí)鐘，上升沿?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入flash；trg為0時(shí)，從FIFO 中讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，抽取一個(gè)進(jìn)行存儲(chǔ)，反之進(jìn)行逐點(diǎn)存儲(chǔ)。

圖5 數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Data flow diagram

圖6 時(shí)序圖Fig.6Sequence diagram

3 沖擊波記錄系統(tǒng)激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

3.1 激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法

傳感器與測(cè)試記錄電路連接后，其動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生變化，為獲取整體的動(dòng)態(tài)特性，利用激波管對(duì)探測(cè)頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。艦船動(dòng)爆沖擊波場(chǎng)測(cè)試中需要使用多個(gè)沖擊波記錄探測(cè)頭，本文中只列舉其中一個(gè)量程為10 MPa的進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

如圖7所示，激波管［9］是一根內(nèi)壁光滑兩端封閉的直管，中間以一膜片隔開(kāi)。左端充以高壓氣體，形成高壓室；右端不充氣或充以較低壓力的氣體，形成低壓室。在低壓室的右端側(cè)壁上裝了2個(gè)用于測(cè)定激波速度的壓力傳感器，這2個(gè)傳感器中心之間的距離為s＝0.55 m。被校測(cè)試系統(tǒng)安裝在低壓室端面。

圖7 激波管實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.7 Experiment principle diagram of the shock tube

校準(zhǔn)時(shí)，在高壓室中充壓縮氣體，當(dāng)氣體壓強(qiáng)超過(guò)膜片強(qiáng)度極限時(shí)膜片突然破裂。這時(shí)一個(gè)平面沖擊波沿低壓室方向傳播，通過(guò)2個(gè)測(cè)速系統(tǒng)的壓力上升沿，就可得到時(shí)間間隔Δt，利用Δt 可求得激波速度

從而求得激波的馬赫數(shù)

由Ma 可計(jì)算得到反射激波超壓Δp5和高壓室壓力值p4，

式中：p1為低壓室氣體初始?jí)毫Γ琈Pa。

3.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將激波管作為激勵(lì)源，對(duì)所設(shè)計(jì)沖擊波記錄儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，為了使反射波超壓Δp5平臺(tái)較平，激波速度（以馬赫數(shù)Ma 表示）控制在1.3左右；為了提高反射波超壓Δp5的幅度并保持較小馬赫數(shù)，當(dāng)Ma＝1.3時(shí)，由式（3）～（4）可知，Δp5／p1≈2.1，p4／p1≈3.4，根據(jù)這2個(gè)關(guān)系和所選擇的膜片對(duì)高、低壓室充氣到所希望的值。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了3次，獲得的典型標(biāo)定曲線及其幅頻、相頻曲線如圖8所示。標(biāo)定結(jié)果如表1所示，表中p′4為激波管高壓室氣體壓力值，p′為沖擊記錄系統(tǒng)測(cè)得的壓力值。通過(guò)測(cè)量激波響應(yīng)的超調(diào)算出其二階系統(tǒng)阻尼比為0.042，由振蕩周期和阻尼比得到其自然振蕩頻率為827 500rad／s。由頻率特性圖可以看出，測(cè)量系統(tǒng)在100kHz內(nèi)增益穩(wěn)定、相位差較小，滿足沖擊波測(cè)量的要求。

由表1可知，3次動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差均小于5%，說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的，能夠保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖8 標(biāo)定曲線及其幅頻、相頻特性Fig.8 Calibration curve and amplitude－frequency，phase－frequency characteristics

表1 動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果Table 1 Dynamic calibration results

4 船艙實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了評(píng)估導(dǎo)彈對(duì)船艙的毀傷效果，靶艦為報(bào)廢油輪，將記錄系統(tǒng)安裝在船艙內(nèi)的不同位置。以布置在油艙內(nèi)的測(cè)試裝置為例介紹，該油艙長(zhǎng)10.4 m、寬1.8 m、高5 m。導(dǎo)彈爆炸位置在輪機(jī)艙，探測(cè)頭布置在油艙內(nèi)距離底甲板1.5 m，距離輪機(jī)艙與油艙壁5.6 m 處。在艙內(nèi)實(shí)施動(dòng)爆時(shí)，大馬赫數(shù)的動(dòng)爆沖擊波遇剛性壁面反射，形成多次反射，峰值越大，反射后壓強(qiáng)增長(zhǎng)的比例越大，獲得的壓力曲線如圖9所示。

圖9 實(shí)測(cè)曲線Fig.9 Measured curve

5 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了一種具有測(cè)點(diǎn)存儲(chǔ)記錄、光纖實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)端集總備份存儲(chǔ)的分布式艦用動(dòng)爆沖擊波記錄系統(tǒng)；

（2）利用激波管對(duì)艦用動(dòng)爆沖擊波記錄系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，系統(tǒng)誤差均小于5%；

（3）在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，該系統(tǒng)成功地獲取了沖擊波壓力數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與艦船抗爆抗沖擊設(shè)計(jì)的研究提供了依據(jù)。

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