低功耗沖擊波超壓測試系統(tǒng)設計*

劉 亮，馬鐵華* ，尤文斌

(1.電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，中北大學，太原030051)

沖擊波超壓測試在工程領域中有著重要的作用。傳統(tǒng)的沖擊波超壓測試法廣泛采用有線式，即將壓力傳感器置于爆炸測試現場，信號記錄儀及計算機等設備置于遠場的掩體內，測試信號通過電纜傳輸［1］。其缺點是現場布線麻煩，電起爆引起的電磁干擾容易引起誤觸發(fā)以及給有效信號疊加噪聲。近些年隨著動態(tài)存儲測試技術［2］在低功耗、微體積方向的不斷發(fā)展，利用存儲測試技術獲取沖擊波信號的方法得到了廣泛運用。存儲測試法是將由傳感器、A/D 轉換器、模擬適配電路、存儲器、核心控制電路、接口以及電源模塊等組成為一個微型化測試裝置置于爆炸現場，測試完畢后回收測試裝置，進行事后數據讀取，判讀。本系統(tǒng)應用存儲測試技術，將傳感器和測量裝置采用一體化設計，傳感器和測量裝置間只有很短的引線，在測試現場易于布置和防護;相對于有線式，該測試方法在數據錄取率、人員和設備安全性方面具有明顯的優(yōu)勢［3-4］。在實際的靶場進行爆炸沖擊波壓力測試，可以獲得理想的測試結果。

1 沖擊波特點及測試要求

炸藥爆炸時沖擊波的超壓值是評估爆炸對周圍事物的損傷程度、考核爆炸威力的一個關鍵指標［5］。沖擊波具有初值高，衰減快，持續(xù)時間短的特點，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確測試超壓的必要保證。根據奈奎斯特定理和測試經驗采用500 kHz 的采樣頻率滿足測試要求。針對爆炸場高溫高壓的惡劣測試環(huán)境，測量裝置需要置于抗沖擊的保護殼體內;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、采集存儲部分、中央控制單元以及抗沖擊機械殼體結構五部分組成。測試電路封裝于以18Ni 時效鋼的高強度保護殼體內。炸藥爆炸產生巨大的沖擊波時，傳感器感知被測量，在CPLD 和單片機的控制下，適配電路將傳感器輸出的微弱信號放大處理后，由A/D 模塊采樣。當電路滿足觸發(fā)條件后，CPLD 和單片機按照控制的邏輯時序將有效數據寫入雙Flash 存儲器。為降低系統(tǒng)功耗，數據存儲完畢后，測試系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。測試完成，回收記錄器，通過USB 接口由計算機對裝置進行數據的讀取，并將記錄的數據進行判讀處理。沖擊波超壓存儲測試原理框圖如圖1 所示。

圖1 沖擊波超壓存儲測試原理框圖

3 傳感器的選擇

傳感器是測試技術的核心［7］。本設計選用PCB 公司的113B-28 信號壓力傳感器，該傳感器具有體積小，高靈敏度，高精度等優(yōu)點。傳感器的技術指標見表1。

表1 壓力傳感器主要性能指標

4 關鍵技術

4.1 低功耗設計

由于測試系統(tǒng)需要在惡劣的條件下工作，所需能量是靠電池來供應，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，采用優(yōu)化的電源管理技術控制系統(tǒng)功耗。選用CD4060、MAX667、LP2985 分別為模擬電路、數字電路按需上電，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

當按下電路開關后，CD4060 檢測到CC_ON 信號后，通過RC 振蕩電路延時1 s 輸出START 信號，控制芯片CPLD 檢測到后，發(fā)出/ONB、ONA 使能MAX667、LP2985 有效，分別為模擬電路和數字電路供電。存儲數據完畢后，CPLD 發(fā)出TC 信號，負責模擬電路的下電。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)轉換圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉換

4.2 控制模塊與存儲電路

系統(tǒng)采樣位數過低會影響到測試結果的精度，過高則可能對其帶來冗余的數據量，因此系統(tǒng)采用A/D 轉換的分辨率為12 bit。為防止掉電后存儲數據的丟失，選用非易失性的NAND 存儲器作為存儲介質。圖4 為CPLD 的時序流程圖。系統(tǒng)選用時鐘為16 M，經過分頻后得到的A/D 采樣信號/CONVEST 的頻率為500 kHz。在/CONVEST 的一個周期里，/BUSY 維持高的時間為880 ns，低維持時間為ns。/WE 為寫信號，當/BUSY 下降沿來臨時，CPLD 開始向Flash 寫數據，先寫高8 bit，再寫低8 bit。寫一次數據結束中斷信號INT0 產生一個上升沿，寫Flash 滿一頁時，給單片機發(fā)中斷，通知單片機寫第2 片。CEA0 為選通信號，低為選通第1 片，高位選通第2 片。

圖4 CPLD 時序流程圖

當寫第1 片閃存滿一頁數據后，單片機接收CPLD 發(fā)送的中斷信號INT0，判讀電路是否觸發(fā)，若觸發(fā)則根據選通信號決定寫第1 片或是第2 片閃存。當單片機接收的是讀數中斷INT2 時，單片機先編程寫命令、爾后編程寫地址，同時檢測到閃存的READY 信號有效，就開始向閃存寫數據。圖5 為單片機的工作流程。

圖5 單片機工作流程圖

4.3 系統(tǒng)觸發(fā)方式設計

沖擊波超壓測試環(huán)境復雜多變，爆炸時刻噪聲、干擾信號可能引起測試系統(tǒng)的誤觸發(fā)。為確保觸發(fā)精度，防止誤觸發(fā)。本系統(tǒng)設計采用多次比較內觸發(fā)和斷線外觸發(fā)相結合的觸發(fā)模型。多次信號比較內觸發(fā)是由ICP113 壓力傳感器采樣數據不斷與控制芯片CPLD 編程設置的閾值進行比較判斷，當采樣數據大于此閾值三次以上，比較計數器產生觸發(fā)信號，系統(tǒng)由循環(huán)采樣態(tài)進入順序采樣態(tài)。斷線外觸發(fā)是當發(fā)生爆炸破壞連接時，固定狀態(tài)信號改變從而發(fā)出觸發(fā)信號。觸發(fā)去除干擾能力強，對高采樣值敏感;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)方式的設計，增強了系統(tǒng)的可靠性。

5 試驗驗證

利用本系統(tǒng)對某彈體等效于TNT 裝藥當量為3 kg 爆炸時進行沖擊波超壓測試，4 套裝置布設在以爆心為原點的同一法線上。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。

根據式(1)和式(2)薩道夫斯基公式［9］所反推的TNT 當量，計算得到各個測點數據見表2。

根據文獻［9］中異常數據的判別方法值，測得的數據中無異常數據。由此，反推得到的TNT 當量均值為3.013 6 kg，標準方差為3.34。

表2 超壓測量統(tǒng)計表

6 結論

本文提出的測試系統(tǒng)是針對沖擊波超壓惡劣的測試環(huán)境提出的，選用低功耗器件，結合存儲測試理論和負延時存儲方法，經過試驗驗證，在可靠可信、低功耗的基礎上能夠得到較好的實驗數據，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試工作。因此，本測試系統(tǒng)具有一定的工程應用價值。

［1］ 馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究［J］.儀器儀表學報，2004，25(增刊):134-135.

［2］ 張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用［M］. 北京:高等教育出版社，2002.

［3］ 祖靜，申湘南，張文棟.存儲測試技術［J］.兵工學報，1994(4):30-34.

［4］ 張愛萍，祖靜.存儲測試技術在沖擊波測試中的應用［J］.測試技術學報，1998，12(2):267-270.

［5］ 王芳，馮順山.FAE 戰(zhàn)斗部毀傷威力評價的試驗研究［J］.爆炸與沖擊，26(2):179-182.

［6］ 尤文斌，祖靜，范錦彪. 沖擊波存儲測試技術［J］. 儀器儀表學報，2006(6):1228-1229.

［7］ 許輝，文豐，翟成瑞. 水下爆炸沖擊波數據記錄儀的設計與實現［J］.微計算機信息，2007，23(1):143-145.

［8］ 崔洋，姜宇，鐘麗鴻，等.數字遠傳燃氣表的低功耗設計與實現［J］.傳感技術學報，2010，23(2):209-214.

［9］ 中國工程物理研究院，第二炮兵駐中國工程物理研究院型號辦，第二炮兵裝備研究院，等. GJB 6390.3—2008 面殺傷導彈戰(zhàn)斗部靜爆威力試驗方法［S］.北京:總裝備部軍標出版社.