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。引爆前計算機通過中斷方式給出觸發(fā)信號，無線主機接收到中斷信號后以廣播方式發(fā)送。無線從機接收到信號后輸出相應(yīng)指令，進行判斷、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)計了負延遲和低功耗兩種狀態(tài)。
　負延時實現(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)進入休眠狀態(tài)，等待讀數(shù)和擦除。負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：以頁為單位進行讀和編程操作，以塊為單位進行擦除操作[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：
　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
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