溫星曦，李新娥*，王美林(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

光觸發(fā)電子測壓器的設(shè)計(jì)*

溫星曦1，2，李新娥1，2*，王美林1，2
(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

針對現(xiàn)有采用內(nèi)觸發(fā)方式的殼體電容式電子測壓器，裝配過程中殼體電容易受干擾，從而造成誤觸發(fā)或不觸發(fā)等問題;同時(shí)為了獲取火炮膛內(nèi)壓力場信息，需要進(jìn)行膛內(nèi)多點(diǎn)壓力測試，但用內(nèi)觸發(fā)方式時(shí)間機(jī)制難以統(tǒng)一，由此提出了基于爆炸場光信號(hào)外觸發(fā)測壓器的設(shè)計(jì)，通過改造測壓器的端蓋，設(shè)計(jì)可靠的光觸發(fā)電路，利用爆炸場光信號(hào)作為采樣觸發(fā)信號(hào)，將處理過的與壓力信號(hào)有關(guān)的電信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)到單片機(jī)flash中。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)，該光觸發(fā)測壓器能夠準(zhǔn)確觸發(fā)，為解決現(xiàn)有測壓器容易誤觸發(fā)，獲取膛內(nèi)多點(diǎn)壓力等問題提供了可行的方案。

測壓器;光觸發(fā);光電轉(zhuǎn)換;多點(diǎn)壓力

火炮膛內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力是火炮在研發(fā)、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)的重要參數(shù)之一［1］，但先前研制的殼體電容式電子測壓器采用內(nèi)觸發(fā)方式，對標(biāo)準(zhǔn)電容與殼體電容的匹配程度要求非常高，匹配不當(dāng)容易造成觸發(fā)范圍比較小或不觸發(fā)等問題，同時(shí)由于在裝配過程中電路內(nèi)筒容易發(fā)生傾斜，使殼體電容初值發(fā)生變化［2］，而這極易造成誤觸發(fā)現(xiàn)象，致使實(shí)驗(yàn)失敗，獲取不到正常的膛壓數(shù)據(jù)。而且目前的電子測壓器只能測得某一點(diǎn)膛底壓力，膛內(nèi)壓力場分布信息至今尚不明確，所以，為了獲取膛內(nèi)不同位置的壓力，進(jìn)而獲得壓力場信息，有必要進(jìn)行多點(diǎn)壓力的測試，但目前測壓器都是采用的內(nèi)觸發(fā)，采用內(nèi)觸發(fā)不能保證不同位置的測壓器同時(shí)觸發(fā)，時(shí)間機(jī)制難以統(tǒng)一，由此提出了基于爆炸場光信號(hào)的外觸發(fā)測壓器的研制。

1 整體方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

火藥在炮膛內(nèi)燃燒爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高壓和火光，同時(shí)炮膛內(nèi)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。光觸發(fā)電子測壓器通過爆炸場光信號(hào)觸發(fā)采樣存儲(chǔ)，記錄膛內(nèi)壓力信息。它主要由傳感器、電路模塊、電池、光窗、高強(qiáng)度殼體、光電轉(zhuǎn)換模塊以及紅外通信模塊組成。光電傳感器通過光窗接收到光信號(hào)經(jīng)放大處理后送至單片機(jī)P2.5管腳，系統(tǒng)響應(yīng)這個(gè)中斷后，開始采集膛壓信號(hào)存儲(chǔ)到FLASH中，測試完成后通過紅外接口模塊讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過上位機(jī)專用軟件處理得到膛壓P-t曲線［3］。外觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。測試儀最外部是高強(qiáng)度的保護(hù)殼體，它能夠耐高溫、高壓、高沖擊，對電路起保護(hù)作用，同時(shí)與內(nèi)筒一起組成壓力電容傳感器。測試儀上端蓋是高強(qiáng)度光窗，以便爆炸場光信號(hào)的傳輸以及上位機(jī)與紅外接口模塊通訊的需要。

圖1 外觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 測壓器的改進(jìn)

首先，在原有測壓器［4］的面板位置增加高效可靠的光電轉(zhuǎn)換電路模塊，使傳輸過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其次，為實(shí)現(xiàn)外部光信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部電路的傳遞。需要改造原有測壓器的端蓋，即在測壓器的端蓋上開設(shè)一個(gè)光窗，所采用的光窗能夠承受高溫高壓高沖擊等惡劣環(huán)境，而且更重要的是透光率高，同時(shí)采用特殊的封接技術(shù)，如釬焊封接、壓力封接、高溫熔封等［5］，保證光窗與測壓器端蓋有效定位密閉配合，防止存在漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，以免對保護(hù)殼內(nèi)的電路等內(nèi)部部件造成損壞，圖2即為經(jīng)過改進(jìn)的端蓋部分的示意圖。其中1為高強(qiáng)度殼體，2為光窗，3為光電器件，4為面板。最后，由于光窗封接后不能打開，所以把測壓器的后端蓋設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，便于測壓器的充電與維修。

圖2 經(jīng)改進(jìn)后的端蓋示意圖

1.3 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)基于光信號(hào)外觸發(fā)的關(guān)鍵是光信號(hào)的捕捉、有效傳輸和光—電信號(hào)的可靠高效轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)控制電路的工作。用光做媒介的觸發(fā)方式的缺點(diǎn)是:一般情況下，光信號(hào)只能傳遞很小的功率，所以必須對轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大、濾波、降噪等處理，以達(dá)到觸發(fā)系統(tǒng)采集存儲(chǔ)所需要的信號(hào)要求。所以，光電器件的選擇和光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。光電轉(zhuǎn)換模塊需要選擇合適的光電器件。根據(jù)已有文獻(xiàn)，火藥燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)主要以可見光為主，波長范圍比較大，持續(xù)時(shí)間短，瞬時(shí)變化很大［6］。為此選擇了北京敏光科技有限公司LSSPD-SMDBlue1.5光敏二極管，它的響應(yīng)波長為300 nm～1 250 nm，峰值波長為940 nm，靈敏度為0.5 mA/MW［7］，由此可以看出，可以滿足火藥燃燒的光譜范圍，同時(shí)LSSPD-SMDBlue1.5PIN型硅光電二極管，體積微小，大小為1.5 mm×1.5 mm，很適合的安裝在測壓器面板上，基于此所設(shè)計(jì)的光電觸發(fā)電路如圖3所示。

圖3 光電觸發(fā)電路

該光電轉(zhuǎn)換電路中A1運(yùn)算放大器可以將光電檢測器件產(chǎn)生的微弱光電流通過相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)［8］，同時(shí)其后連接另一個(gè)低噪聲主放大器A2，目的是將光電探測器件的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，使后置處理電路與探測器件之間的阻抗相匹配［9］。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，利用可燃物燃燒的光照射到光電器件上，對此光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，得到如圖4所示的波形，信號(hào)的上升時(shí)間為微秒級(jí)，并且可產(chǎn)生2.3 V左右的電壓。

圖4 光電電路調(diào)試波形

由于MSP430x4xx系列單片機(jī)工作電壓3.3 V時(shí)，管腳響應(yīng)電平在1.5 V～2.0 V，根據(jù)MSP430 F G4618芯片資料［10］，P2.5口可以在1.5 V的條件下便可響應(yīng)中斷，使系統(tǒng)進(jìn)入觸發(fā)態(tài)，進(jìn)行FLASH儲(chǔ)存，同時(shí)根據(jù)LSSPD-SMDBlue1.5光敏二極管的芯片資料可以看到該光敏二極管在工作電壓為5 V，入射光波長為940 nm條件下，產(chǎn)生的光電流與輻照度Ee呈線性關(guān)系。根據(jù)所設(shè)計(jì)的光電電路可以計(jì)算出該光電二極管接收的光輻照度理論值Ee為4 MW/cm2，而爆炸場光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可燃物燃燒的光強(qiáng)。由此說明了該光電電路產(chǎn)生的電壓幅值以及火藥爆炸的光強(qiáng)可以使系統(tǒng)有效觸發(fā)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。而且經(jīng)過理論計(jì)算，火藥燃燒的光信號(hào)從到光敏器件開始時(shí)刻到系統(tǒng)觸發(fā)的時(shí)間Tz總和小于膛壓傳遞和作用的時(shí)間Ty，即Tz＜Ty，而此條件是壓力測試儀能夠正常觸發(fā)獲取完整膛壓p-t曲線的關(guān)鍵之一。

由此可以看出:該光電電路保證了在膛壓作用到傳感器之前，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)觸發(fā)，為基于爆炸場光信號(hào)外觸發(fā)測壓器的設(shè)計(jì)可行性提供了依據(jù)。

1.4 測量電路與邏輯控制時(shí)序

在瞬變微小電容測量電路中，設(shè)計(jì)了一個(gè)與電容傳感器電容值Cy相匹配的標(biāo)準(zhǔn)電容Cs，設(shè)計(jì)2個(gè)完全相同的恒流源分別對待測電容Cy和標(biāo)準(zhǔn)電容Cs進(jìn)行充電［11-12］，如圖5所示，通過充放電小電容測量電路將火炮膛壓作用引起的傳感器電容信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，在相同的時(shí)間內(nèi)，電容值決定了電容兩端的充電電壓，故兩電容兩端充電電壓由于傳感器電容值和標(biāo)準(zhǔn)電容值的不同而不同，兩電容兩端電壓經(jīng)過電路的差分放大后，由單片機(jī)完成采集和存儲(chǔ)。采集存儲(chǔ)電路將電壓信號(hào)采集并存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部的FLASH中，由此完成了與膛壓信號(hào)有關(guān)的電信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。

主從單片機(jī)組控制該測量電路的邏輯時(shí)序，它分別產(chǎn)生電容的充放電信號(hào)CON、采數(shù)時(shí)間標(biāo)志信號(hào)ADT以及采數(shù)脈沖信號(hào)PWM，具體設(shè)計(jì)為使用單片機(jī)Timer_B模塊的增計(jì)數(shù)模式，通過調(diào)節(jié)CCRx的值，便可以產(chǎn)生所需要的邏輯控制時(shí)序，如圖6所示。

圖5 瞬變微小電容測量電路

圖6 測量電路的邏輯時(shí)序

充放電信號(hào)CON控制模擬開關(guān)斷開和閉合，以達(dá)到控制電容充電和放電的目的。模擬開關(guān)斷開，電容兩端的電壓處于線性上升階段;模擬開關(guān)閉合，電容兩端的電壓以指數(shù)規(guī)律放電至零電壓。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CON信號(hào)的頻率為100 kHz，占空比為90%。時(shí)間標(biāo)志信號(hào)ADT的上升沿觸發(fā)了采數(shù)脈沖信號(hào)PWM方波電平變化。在理想的設(shè)計(jì)中，總希望充電時(shí)間盡量長，最好為9μs，但在本系統(tǒng)過程中，從第9μs開始，電容兩端電壓將以指數(shù)形式放電。為了避免ADC出現(xiàn)錯(cuò)誤的采樣，本設(shè)計(jì)中，ADC將在充電8μs后開始采樣轉(zhuǎn)換，這個(gè)時(shí)間的標(biāo)志即為ADT信號(hào)。采數(shù)脈沖信號(hào)PWM是占空比為50%的方波，當(dāng)PWM方波信號(hào)的上升沿到來后，單片機(jī)主機(jī)進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序:啟動(dòng)一次ADC并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。單片機(jī)從片響應(yīng)采數(shù)脈沖信號(hào)PWM的下降沿進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行ADC采樣及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.5 紅外通訊模塊

本系統(tǒng)選用的紅外收發(fā)器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2W0116YPS，該紅外接發(fā)器是具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，輸入靈敏度高的特點(diǎn)。它支持紅外Ir-DA1.2的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳播速率2.4到115.2 kbit/s，該收發(fā)器由一個(gè)光電二極管，紅外線發(fā)射器和控制IC封裝而成。同時(shí)MSP430FG461x系列的單片機(jī)內(nèi)部集成了編解碼器，可以將要發(fā)送的異步串行二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成3/16歸零碼以及接收的3/16歸零碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，基于此紅外收發(fā)器的電路設(shè)計(jì)如圖7所示

圖7 紅外傳輸電路

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在接收端也應(yīng)該有這樣一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼制轉(zhuǎn)換的編解碼器，本系統(tǒng)選用惠普公司生產(chǎn)的HSDL-7001編解碼器，在需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，測試系統(tǒng)將存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部編碼成3/16歸零碼通過紅外收發(fā)器發(fā)送出來，此時(shí)接收端的收發(fā)器將接收到的3/ 16歸零碼的數(shù)據(jù)發(fā)送給HSDL-7001編解碼器，經(jīng)過解碼后數(shù)據(jù)送給USB接口轉(zhuǎn)換芯片，通過USB2. 0接口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，由此完成了測壓器與上位機(jī)的通訊。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火炮壓力測試儀主要以TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)為系統(tǒng)控制器，將設(shè)計(jì)的軟件嵌入電路模塊，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的自動(dòng)控制，從而完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、觸發(fā)、采集、存儲(chǔ)以及和上位機(jī)通信等工作。

為了實(shí)現(xiàn)壓力測試儀基于光信號(hào)準(zhǔn)確可靠地觸發(fā)，根據(jù)改造之后壓力測試儀的結(jié)構(gòu)和硬件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于光信號(hào)的外觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。圖8即為基于爆炸場光信號(hào)的外觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。它包含了①接通電源態(tài)，②延時(shí)上電態(tài)，③待觸發(fā)態(tài)，④觸發(fā)態(tài)，⑤等待讀數(shù)態(tài)，⑥讀數(shù)態(tài)。

上述各狀態(tài)即是完成一次壓力測試的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)系統(tǒng)要求和上述狀態(tài)過程設(shè)計(jì)了如圖9所示的系統(tǒng)軟件整體流程圖。

圖8 外觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖9 所示的系統(tǒng)軟件整體流程圖

3 測試驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

模擬膛壓發(fā)生器利用發(fā)射藥快速燃燒產(chǎn)生壓力的同時(shí)，產(chǎn)生瞬間的高溫高沖擊以及電磁場等，這些環(huán)境都與實(shí)炮環(huán)境相當(dāng)，因此模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的壓力能夠很好的模擬火炮膛壓［13］。由于采用了光觸發(fā)。在安裝測壓器做模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證測壓器光窗位置恰當(dāng)，使其能盡早接收到光信號(hào)，從而觸發(fā)工作，保證測試信號(hào)的完整。圖10為某次模擬膛壓所測得P-t曲線。

由圖10可以看出，該光觸發(fā)電子測壓器能夠有效觸發(fā)，可以記錄完整的膛壓曲線。

圖10 模擬膛壓所測得P-t曲線

4 結(jié)束語

光觸發(fā)電子測壓器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用爆炸場光信號(hào)去觸發(fā)測壓器的的工作，避免了內(nèi)觸發(fā)容易誤觸發(fā)等問題，同時(shí)為獲取膛內(nèi)多點(diǎn)壓力，研究火炮膛內(nèi)壓力分布信息提出了設(shè)計(jì)思想與研究方法。

［1］張相炎.火炮設(shè)計(jì)理論［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005:153-161.

［2］劉飛.基于殼體電容的高壓傳感器仿真和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究［D］.太原:中北大學(xué)，2012:37-42.

［3］馬英卓，祖搖靜，張瑜.低功耗瞬態(tài)火炮膛壓存儲(chǔ)測試儀設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(1):128-132.

［4］邵學(xué)濤.基于電容傳感原理的電子測壓器的研究［D］.太原:中北大學(xué)，2012:24-30.

［5］李成濤，沈卓身.光電光窗的封接技術(shù)［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33(2):102-105

［6］陳明華，閻建平.發(fā)射藥燃燒光譜測試技術(shù)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2011，26(4):86-88.

［7］1.5 mm SMD Blue Silicon PIN Photodiode［EB/OL］.2013 http://www.lightsensing.com

［8］劉衛(wèi)東，劉延冰，劉建國.檢測微弱光信號(hào)的PIN光電檢測電路的設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，1999，36(400):28-30.

［9］杜習(xí)光.微弱光信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2010，12(1):52-54.

［10］Texas Instruments Incorporated.MSP430x4xx Family User’s Guide［EB/OL］.2008 http://www.ti.com.

［11］王玲，劉俊，石云波.微小差分電容檢測電路設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(6):2529-2513.

［12］張搖霞，胡世昌，朱輝杰.差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路噪聲性能分析及測試［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(9):1301-1304.

［13］何強(qiáng)，馬鐵華，張瑜，等.存儲(chǔ)式電子測壓器應(yīng)用環(huán)境下動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)［J］.中國測試，2009，35(1):43-45.

溫星曦(1989-)，男，漢族，河南寶豐人，中北大學(xué)碩士研究生，主要從事動(dòng)態(tài)測試與智能儀器研究，wenxingxi89 @163.com;

李新娥(1971-)，女，漢族，博士，教授，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器，lixine@nuc.edu.cn;

王美林(1986-)，女，漢族，山西省大同人，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器，598846794@qq.com。

Design of Light Trigger Electronic Manometer*

WEN Xingxi1，2，LI Xin’e1，2*，WANG Meilin1，2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

For currentshellcapacitive electronic manometer，the shellcapacitance is easily disturbed during assembling in internal trigger mode.This issue may cause error trigger during measuring.In order to analyze the cannon breech pressure，there is a need for multi-pointpressure test.However，the time is difficultto unity in internaltrigger mode.We designed a reliable external trigger manometer which is based on the explosion field optical signals.In this design，We transform the end cover of manometer，design a reliable light trigger circuit.We use the explosion field light as the trigger signal，gather the processed signal which is related to the cannon breech pressure to store in the MCU flash.signal will be related to the pressure signal processed by the electrical signals are collected and stored in the microcontroller in the flash.The simulation experiments show that the light trigger pressure measuring device can trigger accurately.So this design provides a feasible scheme for the acquisition ofmultipointpressure signal in cannon breech.

manometer;optical trigger;photoelectric conversion;multi-point pressure

TN06;TJ3

A

1004－1699(2014)05－0591－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.004

項(xiàng)目來源:重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(04011007)

2014-02-20

2014-04-15