劉 亮，馬鐵華* ，尤文斌

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

沖擊波超壓測(cè)試在工程領(lǐng)域中有著重要的作用。傳統(tǒng)的沖擊波超壓測(cè)試法廣泛采用有線式，即將壓力傳感器置于爆炸測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)記錄儀及計(jì)算機(jī)等設(shè)備置于遠(yuǎn)場(chǎng)的掩體內(nèi)，測(cè)試信號(hào)通過電纜傳輸［1］。其缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)布線麻煩，電起爆引起的電磁干擾容易引起誤觸發(fā)以及給有效信號(hào)疊加噪聲。近些年隨著動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)［2］在低功耗、微體積方向的不斷發(fā)展，利用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)獲取沖擊波信號(hào)的方法得到了廣泛運(yùn)用。存儲(chǔ)測(cè)試法是將由傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、模擬適配電路、存儲(chǔ)器、核心控制電路、接口以及電源模塊等組成為一個(gè)微型化測(cè)試裝置置于爆炸現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)試完畢后回收測(cè)試裝置，進(jìn)行事后數(shù)據(jù)讀取，判讀。本系統(tǒng)應(yīng)用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，將傳感器和測(cè)量裝置采用一體化設(shè)計(jì)，傳感器和測(cè)量裝置間只有很短的引線，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)易于布置和防護(hù);相對(duì)于有線式，該測(cè)試方法在數(shù)據(jù)錄取率、人員和設(shè)備安全性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)［3-4］。在實(shí)際的靶場(chǎng)進(jìn)行爆炸沖擊波壓力測(cè)試，可以獲得理想的測(cè)試結(jié)果。

1 沖擊波特點(diǎn)及測(cè)試要求

炸藥爆炸時(shí)沖擊波的超壓值是評(píng)估爆炸對(duì)周圍事物的損傷程度、考核爆炸威力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)［5］。沖擊波具有初值高，衰減快，持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，它的脈沖寬度一般為1 ms 左右，它具有較寬的頻率范圍，主要能量集中在100 kHz 以下［6］。合理的采樣策略是準(zhǔn)確測(cè)試超壓的必要保證。根據(jù)奈奎斯特定理和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)采用500 kHz 的采樣頻率滿足測(cè)試要求。針對(duì)爆炸場(chǎng)高溫高壓的惡劣測(cè)試環(huán)境，測(cè)量裝置需要置于抗沖擊的保護(hù)殼體內(nèi);有限電量的電池為系統(tǒng)供電，要求系統(tǒng)有足夠低的功耗及優(yōu)化的節(jié)能策略。

2 系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要由壓電型壓力傳感器、適配電路部分、采集存儲(chǔ)部分、中央控制單元以及抗沖擊機(jī)械殼體結(jié)構(gòu)五部分組成。測(cè)試電路封裝于以18Ni 時(shí)效鋼的高強(qiáng)度保護(hù)殼體內(nèi)。炸藥爆炸產(chǎn)生巨大的沖擊波時(shí)，傳感器感知被測(cè)量，在CPLD 和單片機(jī)的控制下，適配電路將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大處理后，由A/D 模塊采樣。當(dāng)電路滿足觸發(fā)條件后，CPLD 和單片機(jī)按照控制的邏輯時(shí)序?qū)⒂行?shù)據(jù)寫入雙Flash 存儲(chǔ)器。為降低系統(tǒng)功耗，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。測(cè)試完成，回收記錄器，通過USB 接口由計(jì)算機(jī)對(duì)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，并將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀處理。沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試原理框圖如圖1 所示。

圖1 沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試原理框圖

3 傳感器的選擇

傳感器是測(cè)試技術(shù)的核心［7］。本設(shè)計(jì)選用PCB 公司的113B-28 信號(hào)壓力傳感器，該傳感器具有體積小，高靈敏度，高精度等優(yōu)點(diǎn)。傳感器的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 壓力傳感器主要性能指標(biāo)

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 低功耗設(shè)計(jì)

由于測(cè)試系統(tǒng)需要在惡劣的條件下工作，所需能量是靠電池來供應(yīng)，電量有限。為使系統(tǒng)能夠正常工作，低功耗的要求就必須考慮［8］。選用低功耗器件的同時(shí)，采用優(yōu)化的電源管理技術(shù)控制系統(tǒng)功耗。選用CD4060、MAX667、LP2985 分別為模擬電路、數(shù)字電路按需上電，來降低系統(tǒng)功耗，采樣電流為21.00 mA，觸發(fā)采樣完畢后電流僅為0.87 mA。圖2 為CD4060 和MAX667。

圖2 CD4060 與MAX667

當(dāng)按下電路開關(guān)后，CD4060 檢測(cè)到CC_ON 信號(hào)后，通過RC 振蕩電路延時(shí)1 s 輸出START 信號(hào)，控制芯片CPLD 檢測(cè)到后，發(fā)出/ONB、ONA 使能MAX667、LP2985 有效，分別為模擬電路和數(shù)字電路供電。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完畢后，CPLD 發(fā)出TC 信號(hào)，負(fù)責(zé)模擬電路的下電。該方案有效的降低了系統(tǒng)的功耗，減小了干擾噪聲引入的概率。系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

4.2 控制模塊與存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)采樣位數(shù)過低會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的精度，過高則可能對(duì)其帶來冗余的數(shù)據(jù)量，因此系統(tǒng)采用A/D 轉(zhuǎn)換的分辨率為12 bit。為防止掉電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失，選用非易失性的NAND 存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)。圖4 為CPLD 的時(shí)序流程圖。系統(tǒng)選用時(shí)鐘為16 M，經(jīng)過分頻后得到的A/D 采樣信號(hào)/CONVEST 的頻率為500 kHz。在/CONVEST 的一個(gè)周期里，/BUSY 維持高的時(shí)間為880 ns，低維持時(shí)間為ns。/WE 為寫信號(hào)，當(dāng)/BUSY 下降沿來臨時(shí)，CPLD 開始向Flash 寫數(shù)據(jù)，先寫高8 bit，再寫低8 bit。寫一次數(shù)據(jù)結(jié)束中斷信號(hào)INT0 產(chǎn)生一個(gè)上升沿，寫Flash 滿一頁時(shí)，給單片機(jī)發(fā)中斷，通知單片機(jī)寫第2 片。CEA0 為選通信號(hào)，低為選通第1 片，高位選通第2 片。

圖4 CPLD 時(shí)序流程圖

當(dāng)寫第1 片閃存滿一頁數(shù)據(jù)后，單片機(jī)接收CPLD 發(fā)送的中斷信號(hào)INT0，判讀電路是否觸發(fā)，若觸發(fā)則根據(jù)選通信號(hào)決定寫第1 片或是第2 片閃存。當(dāng)單片機(jī)接收的是讀數(shù)中斷INT2 時(shí)，單片機(jī)先編程寫命令、爾后編程寫地址，同時(shí)檢測(cè)到閃存的READY 信號(hào)有效，就開始向閃存寫數(shù)據(jù)。圖5 為單片機(jī)的工作流程。

圖5 單片機(jī)工作流程圖

4.3 系統(tǒng)觸發(fā)方式設(shè)計(jì)

沖擊波超壓測(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變，爆炸時(shí)刻噪聲、干擾信號(hào)可能引起測(cè)試系統(tǒng)的誤觸發(fā)。為確保觸發(fā)精度，防止誤觸發(fā)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多次比較內(nèi)觸發(fā)和斷線外觸發(fā)相結(jié)合的觸發(fā)模型。多次信號(hào)比較內(nèi)觸發(fā)是由ICP113 壓力傳感器采樣數(shù)據(jù)不斷與控制芯片CPLD 編程設(shè)置的閾值進(jìn)行比較判斷，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)大于此閾值三次以上，比較計(jì)數(shù)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)由循環(huán)采樣態(tài)進(jìn)入順序采樣態(tài)。斷線外觸發(fā)是當(dāng)發(fā)生爆炸破壞連接時(shí)，固定狀態(tài)信號(hào)改變從而發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)去除干擾能力強(qiáng)，對(duì)高采樣值敏感;硬件觸發(fā)防止了因傳輸線被破壞而未能將觸發(fā)信息發(fā)出的問題。兩種觸發(fā)方式的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用本系統(tǒng)對(duì)某彈體等效于TNT 裝藥當(dāng)量為3 kg 爆炸時(shí)進(jìn)行沖擊波超壓測(cè)試，4 套裝置布設(shè)在以爆心為原點(diǎn)的同一法線上。圖6 為距爆心10 m 處的超壓曲線。

圖6 10 m 處超壓曲線

由公式(1)及薩道夫斯基公式可反推TNT 當(dāng)量

式中:R 為壓力傳感器距戰(zhàn)斗部爆心的距離;ωINT為沖擊波的TNT 當(dāng)量kg。

薩道夫斯基公式

式中，Δpmax為入射沖擊波超壓峰值;ˉR 為比例距離。

根據(jù)式(1)和式(2)薩道夫斯基公式［9］所反推的TNT 當(dāng)量，計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］中異常數(shù)據(jù)的判別方法值，測(cè)得的數(shù)據(jù)中無異常數(shù)據(jù)。由此，反推得到的TNT 當(dāng)量均值為3.013 6 kg，標(biāo)準(zhǔn)方差為3.34。

表2 超壓測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

本文提出的測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)沖擊波超壓惡劣的測(cè)試環(huán)境提出的，選用低功耗器件，結(jié)合存儲(chǔ)測(cè)試?yán)碚摵拓?fù)延時(shí)存儲(chǔ)方法，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在可靠可信、低功耗的基礎(chǔ)上能夠得到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若選擇其他傳感器，可以完成惡劣環(huán)境下其他物理量的測(cè)試工作。因此，本測(cè)試系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(增刊):134-135.

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