点火具光电测时仪的设计与应用

石 佳，王 高，焦 宁

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 ，030051）

火工品的作用时间对火工品而言是一个极其重要的参数，它是决定火工品的特性和功能的重要指标之一[1-2]。目前常用的电点火具作用时间测试方法是靶线法[3]。靶线法存在操作烦琐、耗时长、劳动强度大、测试精度低的问题。光电测试方法因其具有抗电磁干扰强、响应速度快、性能可靠、测试设备质量轻等优点，已受到越来越多的关注。英国2002年颁布的爆速测试标准中就提出了用光电法进行爆速的测试[4]。

鉴于光纤能在高压、强电磁干扰、高温、易燃易爆等环境下安全可靠地使用[5]，而且光纤与炸药接触的针刺感度要比传统探针小，光纤探针测量技术应运而生[6]，经过近几年的发展技术已逐步成熟。在国内外光纤探针已被用于测量飞片速度、飞片平整性、样品中冲击波速度和声速以及测量炸药爆速和爆轰波阵面等，取得了许多有价值的成果。此外，现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）具有高的运行速度[7]，可以实现对时间的高精度测量。本文即以光纤为传感器，运用光电转换原理和FPGA的计时原理，设计一种测试精度高、操作简单的点火具时间测试系统。

1 测试原理

测试原理如图1所示，在点火具的点火头与恒流源之间串联一个光电耦合器，在点火具待测的两个测试孔A、B处分别安装光纤传感器。

图1 系统原理简图Fig.1 Diagram of system principle

当闭合启动开关时，电点火具与恒流源构成闭合回路，引燃点火具，与此同时光电耦合器获得一个脉冲信号。在点火具燃烧过程中，待测的两个测试孔A、B依次产生光信号，并通过光纤将光信号送出给对应的光电转换器Ⅰ和光电转换器Ⅱ，形成两路脉冲信号。FPGA数据处理电路通过捕捉到光电耦合器送出的脉冲信号来实现计数器的开始与停止，计数器的所得值和时基脉冲周期的乘积便是电启动信号与两个光信号的间隔时间，也就是所要测量的通电到两个测试孔A、B的时间，即可确定点火具的作用时间。经过FPGA运算处理，将时间值直观地显示在LCD液晶屏上。

2 系统设计

测试系统主要由光纤传感器、光电耦合器、光电转换电路、FPGA处理电路及LCD液晶显示器构成，系统结构如图2所示。

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

2.1 光电耦合器

光电耦合器件[8]采用的是线性光耦元件PC817。光电耦合器用来获取稳定的电启动信号，避免通电瞬间产生的抖动而对测试结果产生影响。

2.2 光电探测器

光电探测器是本系统的重要元件之一，它的作用主要就是实现光电变换。信号调理电路对采集的电信号进行放大滤波及电平转换，经过光电转换后的输出电压信号往往会存在一定的噪声，为了防止误触发，需要对噪声进行抑制。

在选取光电探测器时，首先要根据测量的要求对各种探测器的主要特性参数进行比较，然后选定最佳的器件。因此，在选定器件时应注意：（1）根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的响应度大小；（2）探测器的光谱响应范围是否与待测光信号的相对光谱功率分布一致；（3）当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出的电信号是否能够正确反映测量光信号的波形，即探测器的响应时间；（4）当测量的光信号幅度发生变化时，探测器输出的电信号幅度是否能够线性地响应。根据要求，最终选取了某公司的1 000μmSilicon PIN 光电探测器，

2.3 光电转换电路设计

光电转换电路采用高速PIN二极管，将产生的光信号转换为电信号，以便后续电路处理。待测物产生的光信号经过光纤传输后首先进入光电转换电路，因此，该部分电路的设计是前端信号处理的核心部分。光电转换电路的基本原理为：光照射PIN光电探测器时会引起探测器的光电导变化，从而使探测器的电流发生变化，经过采样电阻后输出电压信号。原理如图3 所示，其中U为供电电压，R1为限流电阻，R为采样电阻。

图3 光电转换电路原理图Fig.3 Photoelectric conversion circuit diagram

图3中电容C主要起到瞬间放电作用，提高输出回路中电流作用。采样电阻R的选取需要依据待测对象的性质及传输光纤的长度而定，选取的阻值过大会影响测试精度，过小会导致输出电压不足，影响后续电路的采集处理。

2.4 电平转换电路

光电耦合器与光电转换电路输出的电压为0～5V，而FPGA的I/O电压为3.3V，两者电平不兼容，故需要对其进行电平转换。本系统中采用LM311构成同相电压比较，实现噪声的抑制及电平的转换。设计中，选用美国国家半导体公司的高性能电压比较器LM311构成同相电压比较电路，来实现信号的整形变换，输出端通过上拉电阻和1N4148二极管实现电平转换。电路原理如图4所示。电路采用单电源5V供电，由于LM311输出端采用集电极开路门设计，因此，使用时需要外接上拉电阻。

图4 电平转换电路图Fig.4 Level conversion circuit diagram

其中，阈值电压可以通过改变式（1）中的电阻RW来设定。

式（1）中：RW为可调电阻阻值，R为可调电阻滑阻端与地之间的阻值，可根据实际情况调节RW来改变阈值电压Uref。当输入信号电压大于Uref时，输出为高电平3.3V；相反，当输入信号电压小于Uref时，输出为低电平0。

2.5 FPGA外部电路设计

FPGA数据采集处理模块[9]是本系统的核心部分，主要功能是实现点火时间的高精度测量。该模块主要由计数模块、乘法器模块、BCD码制转换模块及LCD驱动模块组成，工作流程如图5所示。

2.5.1 时钟电路

时钟是时序电路的核心，时序电路是在时钟信号的驱动下工作的，时钟信号的精确度和稳定性直接影响电路工作的性能。时钟信号一般可以通过晶体振荡器产生，也可以通过RC 振荡器获得。在测时仪中，采用了20MHz 的高精度外部晶体振荡器为仪器提供基准时钟信号，如图6所示，仪器所需要的各种频率的时钟信号均可由此基准时钟信号倍频或者分频得到。

图5 FPGA工作流程图Fig.5 FPGA work flow diagram

图6 时钟电路图Fig.6 Clock circuit diagram

2.5.2 配置电路

在测时仪中，选用的是Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C8Q208C8N。该芯片是基于SRAM 工艺的，掉电后信息丢失，因此每次上电后都需要对FPGA进行配置。配置数据存放于FPGA的配置RAM中，主要完成对FPGA内部多路器、逻辑、互连线结点和RAM初始化等信息的配置。根据FPGA在配置电路中作用的不同，将配置数据下载到目标器件中，有3种方式：主动方式（AS）、被动方式（PS）及JTAG方式。在测时仪的设计中了选择AS和JTAG两种配置方式。

3 测试结果与分析

本文采用某型号点火具（作用时间范围小于50ms）作为试验样品，在靶场进行现场测试，如图7所示。采用某测时仪（靶线法）与本文所设计的光纤探针测时仪进行对比试验。光纤法测量的作用时间是通电到第3孔时间与通电到末孔时间的平均值。试验时将光纤插入1mm钢管，光纤前段与钢管前端齐平，后段用特质夹子加以固定。将封装好的光纤探头沿点火具孔壁垂直伸入第3孔与末孔中，前端与待测物接触并加以固定。靶线法与光纤法分别置于点火具的两侧，准备就绪进行试验。测试时，将两种方法做平行试验进行对比，测试结果如表1所示。折线图如图8所示。

图7 试验装置示意图Fig.7 Schematic of experimental device

表1 点火具作用时间测试结果Tab.1 Function time test results of the igniter

图8 两种测试方法的比较Fig.8 Comparison of two test methods

由表1 可以看出，采用本文所设计的光纤测时仪与采用靶线法对同一点火具试验所测得作用时间均在要求范围内。在10次试验中，光纤法均测到数据，平均时间为27.648ms；靶线法有3次未测到数据，平均时间为28.91ms。两种方法获得的数据基本一致，且光纤法所测数据普遍小于靶线法所测数据。从图8的折线图可以观察到，采用光纤法测得时间在较小范围内波动，相对于靶线法所测数据离散程度小，说明光纤法所测得的结果更为准确、稳定可靠。

4 结论

利用光纤对点火具进行测试，得到了比靶线法更为精确的数据。同等条件下多次试验结果表明，光纤测试法所得的结果具有一定的稳定性和可信度。光纤作为一种新型的测试方法，在火工品的时间测试领域仍然具有很大的发展前景。

[1]冯西平.火工品作用时间与 SCB发火能量测试方法的研究[D].南京:南京理工大学,2004

[2]段进军.点火具燃烧特性的研究[D].南京:南京理工大学,2009.

[3]张立,编著.爆破器材性能与爆炸效应测试[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[4]LU S T, Chou C,Lee M C,et,al.Electro-optics target for position and speed measurement[J].IEE Proceedings-A,1993,140(4):252-256.

[5]李明明,李国新.光纤在燃速及爆速测试中的应用[J].火工品,2000(3):13-14.

[6]Lynn Veeser and John Stokes.Fiber optic diagnostics for high explosives[C]//DNA Conference on Instrumentation for Nuclear Weapons Effects Testing.Menlo Park,California: Los Alamos National Laboratory,1993.

[7]高志强,王高,魏林,赵辉.新型光纤爆速仪的设计与应用[J].火工品,2011(3):43-45.

[8]李丹荣,王新第,杜维.光电耦合器的实用技巧[J].自动化仪表,2003(6):58-61．

[9]马学林，严仲明,等.基于FPGA的高速运动目标单光幕测速系统设计[J].现代电子技术,2009(12):1-2.