沖擊波超壓測試在工程領(lǐng)域特別是軍工領(lǐng)域有著重要的作用[1]。沖擊波超壓測試系統(tǒng)主要用于以燃料空氣炸彈以及激光制導(dǎo)炸彈為代表的各種火箭彈、航空炸彈等大裝藥量彈藥的現(xiàn)場靜爆空氣沖擊波測試，同時它也可以應(yīng)用于常規(guī)兵器毀傷效能的技術(shù)指標(biāo)測試[2-5]。

1 總體方案設(shè)計
    沖擊波超壓測試時沖擊波場中存在電磁場干擾和超高壓，環(huán)境溫度最高時達(dá)2 600℃左右[6]。在這樣惡劣的環(huán)境下要想保證測量系統(tǒng)可靠工作，必須將電路、觸發(fā)控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在耐高溫高強度的保護(hù)的鋼殼內(nèi)，鋼殼內(nèi)灌封上蠟，將傳感器的敏感面露在外面感受被測量壓力；然后將整個測試裝置放入測試環(huán)境中，信號被記錄下來并存儲在存儲器內(nèi)，記錄完畢后回收測試裝置。
    本測試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器與存儲電路、中心控制電路、通信設(shè)備和計算機(jī)等。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 存儲測試方法
    單獨的單片機(jī)控制難以實現(xiàn)高速運行，而單獨采用CPLD控制功耗較大且邏輯復(fù)雜。
    本文設(shè)計的存儲測試方法采用單片機(jī)與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器，滿足了沖擊波測試高采樣頻率和大容量記錄的要求。單片機(jī)控制測試系統(tǒng)向閃存發(fā)出寫入、讀取、擦除操作的命令并進(jìn)行工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。這樣的設(shè)計充分利用了單片機(jī)功耗低、邏輯簡單、CPLD速度高的優(yōu)點，提高了測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。使用CPLD對外部晶振分頻后的信號作為A/D轉(zhuǎn)換的時鐘，這樣得到的信號穩(wěn)定且占用芯片資源少。
    被測物理量經(jīng)過傳感器后轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后CPLD以1 MHz的采樣頻率采集并將數(shù)據(jù)交替存入兩片F(xiàn)lash中。
2.1 觸發(fā)電路
    超壓場對人體殺傷判據(jù)的依據(jù)是操作人員控制處的沖擊波超壓應(yīng)小于0.03 MPa，距爆炸中心的距離一般為幾百米[7]。若使用引線電測試法，需要布設(shè)長距離的電纜。由于測試環(huán)境的惡劣、沖擊波破壞性大，現(xiàn)場固定和保護(hù)要求高，造成布線非常不方便。
    本測試系統(tǒng)觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種觸發(fā)同時進(jìn)行。
    外觸發(fā)采用光觸發(fā)技術(shù)，炸彈爆炸時的閃光信號通過光電轉(zhuǎn)換電路觸發(fā)系統(tǒng)。光電轉(zhuǎn)換電路的光電器件選擇2DU型硅功率光敏二極管，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，結(jié)合外圍電路組成光電轉(zhuǎn)換電路。光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

    內(nèi)觸發(fā)通過無線模塊手動控制無線控制平臺以廣播的方式發(fā)出觸發(fā)信號。
    無線模塊選用SZ-05系列ZigBee無線數(shù)據(jù)通信模塊。ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低速率傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，主要具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好等特點[8]。
　    ZigBee無線系統(tǒng)可組成星型、網(wǎng)狀以及簇狀結(jié)構(gòu)[9]。為保證觸發(fā)信號的同步性，本系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)，即一個中心節(jié)點與多個無線傳感器從節(jié)點相互通信的組網(wǎng)方式。引爆前計算機(jī)通過中斷方式給出觸發(fā)信號，無線主機(jī)接收到中斷信號后以廣播方式發(fā)送。無線從機(jī)接收到信號后輸出相應(yīng)指令，進(jìn)行判斷、執(zhí)行和參數(shù)設(shè)置，完成對存儲測試裝置的觸發(fā)控制。
2.2 負(fù)延時與低功耗
　由于測試時間較長,為了滿足測試要求并降低功耗，測試過程中設(shè)計了負(fù)延遲和低功耗兩種狀態(tài)。
　負(fù)延時實現(xiàn)原理：將兩片閃存存儲總?cè)萘糠譃閮蓚€部分，測試系統(tǒng)未觸發(fā)時，數(shù)據(jù)被循環(huán)記錄在第一個部分，舊的數(shù)據(jù)不斷被新的數(shù)據(jù)替換；當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)后，負(fù)延時計數(shù)器開始計數(shù)，數(shù)據(jù)被存儲在第二部分。第一部分記錄的是系統(tǒng)觸發(fā)之前的數(shù)據(jù)，第二部分記錄的是系統(tǒng)觸發(fā)之后的數(shù)據(jù)。記錄完畢后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待讀數(shù)和擦除。負(fù)延時功能可以將觸發(fā)前的一段信息保存，從而得到完整的超壓測試曲線，以保證數(shù)據(jù)的完整性。記錄完畢且數(shù)據(jù)擦除后測試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，低功耗狀態(tài)下單片機(jī)控制關(guān)掉模擬電路電源，數(shù)字電路處于休眠狀態(tài)，有效降低了功耗。
2.3  Flsah存儲電路
      存儲芯片采用兩片三星公司生產(chǎn)的NAND型閃存存儲器K9F4G08OM，單片容量為512 MB。NADA結(jié)構(gòu)閃存的特點是：以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，以塊為單位進(jìn)行擦除操作[10]。
　由于閃存存在較長的頁編程時間，編程時無法對其進(jìn)行操作，為了在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換情況下不丟失數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步提高存儲容量，采用兩片閃存芯片交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器，總存儲容量擴(kuò)大為1 GB。
    采用寫滿一頁數(shù)據(jù)后，判斷此頁是否為該塊的最后一頁，如果是則擦除下一塊的數(shù)據(jù)。采編頻率為320 kHz，編碼為16 bit，存儲器為byte模式，寫滿一頁的2 048個單元需要時間3.2 ms。一塊地址單元的擦除時間最大需要2 ms，加上系統(tǒng)命令最大耗時0.5 ms，對一頁數(shù)據(jù)編程需要0.7 ms，總的時間不會超過3 ms，能滿足循環(huán)寫的要求。
　　A/D輸出為12 bit，閃存的數(shù)據(jù)線為8 bit，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)先進(jìn)入CPLD轉(zhuǎn)化為2組8 bit數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)位數(shù)匹配。對A片發(fā)出命令后，A片進(jìn)行編程時對B片寫入數(shù)據(jù)，反之相同，這樣提高了測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，滿足了測試要求。數(shù)據(jù)存儲如圖3所示。

3 傳感器選擇
    傳感器是測試系統(tǒng)的一個重要組成部分[11]。爆炸沖擊波的壓力信號變化一般在微秒量級，因此對傳感器的動態(tài)性能要求較高[12]，對某典型爆炸信號進(jìn)行的頻譜分析如圖4所示，爆炸信號在62 460 Hz以后幅度幾乎可以忽略。
    目前，可以考慮用來進(jìn)行沖擊波壓力檢測的傳感器主要壓電式和壓阻式傳感器。壓電式傳感器的諧振頻率比較低，輸出阻抗比較高，需要經(jīng)過電荷放大器進(jìn)而變換為阻抗較低的電壓信號。由于周圍的環(huán)境因子可能會降低絕緣阻抗，使信號產(chǎn)生漂移。連接傳感器和電荷放大器的電纜、接頭需要很高的絕緣性。壓阻式傳感器具有較高的諧振頻率。但是，壓阻式壓力傳感器的光效應(yīng)太強，爆炸產(chǎn)生的強火光會嚴(yán)重干擾壓力測試信號[11]。
    經(jīng)綜合考慮,傳感器選擇型號為CA-YD-205T的壓電式壓力傳感器，這種傳感器的特點是：大沖擊加速度傳感器，底部安裝螺紋M5，重量輕，溫度特性好。傳感器主要性能指標(biāo)：
　壓力范圍：5×106 Pa
   過載能力：120%
   參考靈敏度：0.000 090 8 pC/Pa
　自振頻率：≥100 kHz
　非線性：≤1 %FS
　絕緣電阻：≥1013 Ω
　工作溫度：-40~250 ℃
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1 信號調(diào)理電路
    信號調(diào)理電路由三部分組成：電荷放大器、儀表放大器和低通濾波器。   
    由前文可知壓電傳感器輸出的信號為電荷信號,不便于進(jìn)行處理和存儲，所以需要使用電荷放大器把電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，放大倍數(shù)根據(jù)公式計算得出。在時間域，放大倍數(shù)可以近似為1/C2。如圖5所示。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換器
    根據(jù)圖4對典型被測信號的頻譜分析研究得出結(jié)論：被測信號的頻率在60 kHz以下。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，原則上使用120 kHz的采樣頻率即可實現(xiàn)對被測信號的采集。系統(tǒng)為了更好地對被測信號進(jìn)行采集，留出了一部分余量，編程設(shè)置將采樣頻率設(shè)定為500 kHz。因此本系統(tǒng)選用了高速、低功耗、逐次逼近的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD7492，它可在2.7 V~5.25 V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過率高達(dá)1 MSPS。它內(nèi)含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器,它可以處理高達(dá)10 MHz的寬頻信號。
5 實驗結(jié)果
     該系統(tǒng)對某TNT藥柱的爆炸沖擊波進(jìn)行了多點測試，分別測量距爆心14 m和19 m的沖擊波超壓值，捕獲數(shù)據(jù)完整可靠。圖8為距爆心14 m沖擊波超壓值， 圖9為距爆心19 m沖擊波超壓值。

    與傳統(tǒng)的引線測試系統(tǒng)相比，沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾性強的優(yōu)點,可嵌入爆炸現(xiàn)場實時完成沖擊波超高壓測試，特別適宜于惡劣環(huán)境下大范圍多測點的沖擊波測試試驗場合。本測試系統(tǒng)為武器系統(tǒng)的爆炸威力評價提供了可靠有效的測試手段。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(4):134-136.
[2] 胡寶奎.一種沖擊波超壓無線式存儲測試系統(tǒng)的研究[D].太原：中北大學(xué)，2010.
[3] 杜紅棉，祖靜.常用沖擊波壓力傳感器動態(tài)特性實驗研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2012,32(2):214-216.
[4] 黃正平，爆炸與沖擊電測技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.
[5] 張志杰,王代華,王文廉,等.具有無線數(shù)據(jù)傳輸與控制功能的沖擊波超壓測試系統(tǒng)[J].計測技術(shù),2010,30(1):22-25.
[6] 李亞娟，尤文斌，楊卓靜,等.無線控制的負(fù)延時存儲測試方法[J].探測與控制學(xué)報,2011,33(4):15-18.
[7] GJB 5212-2004,云爆彈定型試驗規(guī)程[M]. 北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2004．
[8] 潘偉,黃東.基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,18(9):244-247.
[9] 董冰玉，杜紅棉，祖靜.基于無線控制的沖擊波超壓測試系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報, 2010,23(2):279-281.
[10] 謝銳，馬鐵華，裴東興.基于閃存的引信電池大容量存儲測試方法[J].探測與控制學(xué)報,2010,32(4):34-37.
[11] 孟立凡.傳感器原理及技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.
[12] 王代華，宋林麗，張志杰.基于ICP傳感器的存儲式?jīng)_擊波超壓測試系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2012,25(4):478-482.