电热化学炮膛压测试系统的电磁兼容设计

黄 慧,胡向南,马铁华*,文治国

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)



电热化学炮膛压测试系统的电磁兼容设计

黄 慧1,胡向南1,马铁华1*,文治国2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

由于电热化学炮发射时存在强电磁干扰和地电位浮动,膛压测试系统的测试准确性和仪器的安全性均受到了严重的影响。针对这一问题,根据恶劣条件下的动态测试理论,利用PCB的电磁兼容技术,不同材料多层组合的屏蔽技术,接地技术,滤波技术以及光电隔离技术,完成了基于电热化学炮膛压测试系统的电磁兼容设计。并通过试验验证了这种设计能有效解决电磁干扰问题,确保获得可靠的膛压数据,对分析电热化学炮结构的合理性,炮架的强度和刚度设计等有重要意义。

电热化学炮;动态测试;膛压;电磁兼容

为了更好的完成火炮的作战任务,未来的火炮必须大幅度提高性能,但传统的方法已接近极限。各军事大国对新的火炮发射源进行了广泛的研究和探索,其中以电热化学炮为代表的电能武器发展最为迅速。电热化学炮是一个混合系统,它通过脉冲电源的电弧放电产生等离子体,并与化学工质相互作用使其燃烧或分解释放出化学能作为共同驱动弹丸的能量,由电源、脉冲形成网络、炮身、炮架等部分组成,炮弹由等离子体喷管、化学推进剂和弹丸组成,弹丸的初速度大,最高可达3 km/s～4 km/s,射程远,其炮口动能比传统火炮提高约25%～55%[1-3]。准确可靠的电热化学炮膛压参数对于研究等离子体点火、增强作用和装药结构的合理性,炮弹外弹道初速的预测,以及炮架的强度和刚度设计等都是十分重要的依据。但由于电热化学炮发射时存在高压脉冲、大电流放电产生的多种强电磁干扰,这些干扰信号以电场、磁场、电磁场形式通过耦合的方式进入测试系统的测压回路[4-5],使获取的高瞬态膛压数据的准确性产生严重影响。同时,炮体存在地电位浮动的问题,可能危害测试设备和实验人员的安全[6]。根据恶劣条件下的动态测试理论[7],提出了基于电热化学炮膛压测试系统的电磁兼容技术,解决了电热化学炮发射的强电磁环境下,膛压测试系统的安全性、可靠性和精确度。

1 电热化学炮膛压测试系统

电热化学炮膛压测试系统由现场存储子系统和远程在线子系统构成。其原理图如图1所示。

图1 电热化学炮膛压测试系统

压力传感器固定在电热化学炮炮管内测试点上,通过低噪声电缆与现场存储子系统连接,并将测得的压力信号转换为电荷量,经信号调理、A/D转换后以12 bit并行数字信号的形式在CPLD控制下存入存储器,同时由编码/译码模块进行并/串转换,根据异步串行传输协议,经光模块调制形成光脉冲后耦合进入光纤长距离传输;远程在线子系统对光脉冲信号进行光电转换,由编码/译码电路根据传输协议进行解码、串并转换后,由D/A恢复出测试信号波形,进入采集系统或由瞬态波形记录仪实时显示。如果测到的数据符合要求,则可通过远程在线子系统对现场存储子系统发出复位信号,循环采样,并可继续试验。如果测到的数据波形不理想,则可将现场存储子系统的存储数据读出,以作比较。

图2 PCB叠层设计

2 电磁兼容设计

对于任何系统,进行电磁兼容设计时都应围绕电磁干扰的3个要素:骚扰源、耦合途径和敏感设备来进行,即消除或减弱骚扰源的影响;切断耦合途径;降低敏感设备的敏感度。最常用的方法就是合理的PCB设计、屏蔽、滤波以及接地。

2.1 印制电路板的电磁兼容设计

由于电路板上无源器件的接收或耦合,使得自由空间变成了回流路径,就会发生电磁干扰,从而影响信号。因此,PCB电磁兼容技术的使用成为电子设备及系统正常工作的关键因素。

①多层PCB设计

多层PCB可减小电磁辐射强度、改善辐射特性,从而增加抗干扰能力。因而本测试系统的电路设计采用了六层PCB板。其叠层设计如图2所示。

对于电路板的布线,电源平面应靠近并安排在地平面之下,且布线层应尽量安排与整块金属板平面相邻;数字电路和模拟电路分开,数字地和模拟地分开;单独布置时钟电路和高频电路并远离敏感电路;中间层的印制线条形成带状线,在表面层的印制线条形成微带线。

对于元器件的布局,按照信号的流程安排各个功能电路的位置;围绕各个功能电路的核心元器件进行布局,尽量减少各元器件间的引线和连接;对于高频电路,应考虑到元器件间的分布参数。

同时利用20-H原则和3-W原则控制PCB电源层与边沿距离以及印制线条间距离。

②时钟电路的设计

时钟电路对实现数字电路功能至关重要,但其也是PCB电磁辐射的主要来源。时钟电路设计中的主要问题包括阻抗控制、时钟线长度控制。

数字电路的时钟频率很高,时钟前沿很陡,时钟信号对时延很敏感。当印制线条造成的延迟达到一定数值时,如印制线条终端阻抗与印制线条特性阻抗不匹配,时钟信号就会发生严重的反射并叠加到原信号上而引发误码。阻抗匹配方法有串联电阻、并联电阻、戴维南网络、RC网络、二极管阵列等。

时钟线条的实际长度通常应小于计算的最大印制线长。任何时候时钟线都应当遵从越短越好的原则,时钟线越长,线条的互感就越大,辐射能量就越大。较短的时钟线不需要进行端部阻抗匹配。本PCB设计中时钟源靠近目标器件,时钟线长分别为7 mm和3 mm,因此不需要进行端部阻抗匹配。

③地线和电源线的抗干扰设计

地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常,而且会产生较强的电磁辐射。为减少这些干扰,应减小地线和电源线的阻抗。对于数字电路,当频率超过1 kHz时,导线的阻抗主要由导线的电感决定,其阻抗随着电感的增加而增加。因此,对于数字电路,重要任务就是减小电感。

两根带互感的、载有同方向电流的平行导线,并联后的电感为L=(L1+M)/2,M为互感。因而本设计中通过多条导线并联来减小电感。

两根带互感的、载有反方向电流的平行导线,串联后的电感L=L1+L2-2M,M越大,L越小。本设计中信号线与回流线、电源线与地线反向平行,保证了回路面积为零,减小了电感。

④数字电路电容的设计

设计印制电路板时要在电路上加电容以达到数字电路工作时要求的电源平稳和洁净度。当高速元件的边沿速率较高时,就会产生射频电流。基于电容的旁路和退耦可防止电磁能量从一个回路传导到另一个回路。通常采用并联退耦电容来消除电源噪声,其典型值为0.1 pF与0.001 pF并联。对50 MHz及更高的时钟频率,采用0.01 pF与100 pF并联。

2.2 不同材料多层组合电磁屏蔽技术

电磁屏蔽的作用是使电磁波从屏蔽体的一侧经屏蔽体内部进入另一侧后被部分或全部衰减,从而减少外部骚扰源产生的电磁场对屏蔽体内部的影响,或者阻止屏蔽体内部骚扰源产生的电磁场传播到外部空间。

2.2.1 屏蔽结构设计

电热化学炮发射时会产生强电磁干扰,其主要干扰源是高压脉冲发生器、等离子体发生器电爆炸、等离子体发生器熄弧和负载电流。针对上述干扰源,设计了不同材料多层组合的屏蔽结构,如图3所示。

图3 不同材料多层组合的屏蔽结构图

膛压测试现场子系统的所有电路及电池被密封在多层屏蔽结构内,外层屏蔽材料是磁导率较高的30#钢.不仅对电场有良好的屏蔽,也对磁场有一定的屏蔽作用,同时它具有的强度可以对测试系统起到支撑和保护作用。中间屏蔽层材料是电导率大的退火紫铜,确保电路模块不同部位的压差较小。内层屏蔽材料是磁导率很高的坡莫合金,利用磁力线的旁路原理对低频磁场进行屏蔽。各屏蔽材料的相关参数见表1。为不影响屏蔽效果,在各屏蔽层间利用绝缘漆或硅橡胶垫确保绝缘,同时在必须开孔的地方做相应处理,如在光纤引出孔处另外增加了保护端盖,把开孔后对屏蔽的影响降低。

表1 各屏蔽材料的有关参数

2.2.2 电磁屏蔽效能分析

理论分析得出,在屏蔽体两侧媒质相同时,总的磁场传输系数TH与总的电场传输系数TE相等,即

TH=TE=T=t(1-re-2kl)-1e(k0-k)l

(1)

则电磁屏蔽效能为,

(2)

其中,A=20lge(k-k0)l是电磁波在屏蔽体中的吸收损耗;R=-20lgt是电磁波在屏蔽体的表面产生的反射损耗;B=20lg(1-re-2kl)是电磁波在屏蔽体内多次反射的损耗。对于大多数的电子产品的屏蔽材料,其屏蔽效能达到30 dB以上,方认为是有效屏蔽[8]。

由于电热化学炮实际发射时电磁波各频率分量难以确定,因而把实际发射环境电磁波分为高频和低频两部分来分析[9]。低频干扰来自负载电流、等离子体电爆炸和熄弧,通过连接线路耦合到信号系统中,其频率一般为kHz量级;高频干扰主要来来自高压脉冲发生器和传输线,其频率一般大于100 kHz,可通过空间辐射耦合到信号系统中[10]。

当电磁波频率较高时,吸收损耗大于反射损耗,是屏蔽效能中的主要因素。吸收损耗是电磁波通过屏蔽体所产生的热损耗引起的。

电磁波在屏蔽体内的传播常数:

(3)

由于k0≪α,因而吸收损耗可忽略e-k0l因子,则吸收损耗表达式为:

(4)

其中l为壁厚(cm),f为电磁波频率(Hz),μr、σr为屏蔽体的相对磁导率、相对电导率。

当频率为200 kHz时,由式计算可得,A钢为907.6 dB,A紫铜为287.0 dB,A坡莫合金为143.5 dB,总的电磁屏蔽效能为1092.6 dB,因而其干扰可忽略不计。

当电磁波频率减小,吸收损耗随之减小,而反射损耗则越来越大,越来越成为屏蔽效能的主要因素。

反射损耗是由屏蔽体表面处阻抗不连续性引起的,计算为:

(5)

Zw为干扰场的特征阻抗,即自由空间波阻抗。η为屏蔽材料的特征阻抗。

测试系统与干扰源的距离(设为3 m)远小于λ/2π,所以测试系统处于近场区。主要考虑在近场中电磁波的反射损耗。

在低阻抗磁场源的近场

(6)

在高阻抗电场源的近场

(7)

式中,r为电场源至屏蔽体的距离(m),f为频率(Hz),把式(6)、式(7)代入式(5),可得到2种情况下的反射损耗。

高阻抗电场源:

(8)

低阻抗磁场源:

(9)

假设干扰源的频率为10 Hz。则得出RE钢为237 dB,RE紫铜为281 dB,故低频电场的干扰可忽略不计。但RH钢为0 dB,RH紫铜为34 dB,因而低频磁场的干扰不能忽略。

由上述分析计算可知.低频磁场是最难屏蔽的磁场,不能通过无限的增加屏蔽材料的厚度来屏蔽,通常选用高导磁材料作屏蔽,不仅可以吸收损耗,同时高导磁材料构成的屏蔽体为磁场提供低磁阻通路.利用高导磁材料的旁路原理屏蔽低频磁场。

将实际参数代入上述两式,可计算出由第1层屏蔽材料30#钢和第3层屏蔽材料坡莫合金可达到的屏蔽效能约为80 dB。可见利用高导磁材料构成的的屏蔽体起到了屏蔽的作用。

2.3 接地技术

接地就是为电路或系统提供一个基准地,或为电流回流提供一条低阻抗路径。接地是解决电磁兼容问题最有效和最廉价的方法,良好的接地设计可以提高抗扰度并减小电磁发射。本设计中整个测试系统与电热化学炮系统采用多点接地,其中输入信号通过传感器连接孔以机械壳体为参考点,30#钢内壁和退火紫铜金属壳体外层搭接,退火紫铜内壁镀以坡莫合金。内部电路通过传感器连接孔与机械壳体相连,整个机械壳体以大地为参考点。

2.4 滤波技术

实践表明,即使测试系统具有良好电磁屏蔽效能和接地措施,仍然会有传导干扰进入。因此,恰当地设计和正确使用滤波器对抑制传导干扰是极为重要的。

本设计中采用前置滤波电路以削弱噪声。在膛压测试中,电热化学炮膛压频谱在0～5 kHz,而主要干扰源的频谱在10 kHz以上,因此需要设计低通滤波器,抑制高频噪声,避免在一定的采样频率下造成信号频谱的混叠。当激励信号的频率太高时,传感器将出现共振现象,信号转换失真。因此,为了正确测试膛压信号,滤波器的低频带要有较好的平直性,对高频噪声有一定的衰减作用即可,故选用压控电压源二阶低通滤波器。

2.5 光电隔离技术

电热化学炮等离子体发生器内两极间电压可达数千伏特,峰值电流可达上百千安,此时等离子体发生器的等效阻抗变小(约为几十毫欧),在高电压大电流的情况下,连接等离子体发生器阴极的电缆上将产生电压变化,导致等离子体发生器地电位浮动。压电传感器直接与等离子体发生器阴极相连,如果测试信号与数据记录设备间没有隔离措施,则浮动的地电位将通过电缆的屏蔽层与测量地构成通流回路,产生较大的瞬时电流,对测试人员和测试设备严重的产生危害[11]。因此,在信号传输端,需采用一定的隔离措施。

在传输通道端,可以采用线性光耦,隔离运放和光纤传输,但线性光耦和隔离运放电压隔离度不高,而外皮没有金属的光纤是最有效的高压隔离方式[12]。光纤传输因其传输数字信号,在信号处理及传输过程中有更强的抑制干扰的能力;同时,由于光纤具有带宽宽、损耗小、光载频频率高等优点,特别适合于高速数字信号传输,传输误码率小;尤其是光纤的基本材料二氧化硅,绝缘性能好,电磁波很难耦合入光纤[13],普通电磁干扰波长比光传输所用波长低几个数量级,不可能引起光敏接收器件的响应。同时,一般电磁骚扰的频率在1 GHz以下,对于红外光和可见光不产生影响,故可将电信号转换为光信号,利用光纤通信以防止电磁干扰[14]。

图4 电热炮膛压测试系统的应用示意图

3 试验与结果分析

电热化学炮膛压测试系统测试示意图如图4所示。压电传感器固定在各个测试点上,通过低噪声屏蔽电缆与现场存储子系统相连,再用金属屏蔽体把压力传感器、低噪声电缆和现场存储子系统一起屏蔽,数字信号经光纤传输至远程在线子系统,恢复为原始压力信号传输至数据采集系统。

试验分别采用传统膛压测试系统和经过电磁兼容设计的膛压测试系统测某炮膛内700 mm处的膛压信号进行对比,如图5、图6。两图中纵轴均为膛压测试系统所测膛压值,单位为MPa,横轴为时间,单位为ms。图5为传统膛压测试系统测得的膛压曲线,可见其干扰信号较多,且干扰信号对信号完整性的影响较大。图6为经过电磁兼容设计的膛压测试系统测得的膛压曲线,与图5压力曲线轮廓和变化趋势一致,波形幅值大致相当,且与图5对比可知其膛压信号几乎没有受到电磁干扰,信号上升时间约为2 ms,并可见信号初始阶段有尖峰,其为等离子发生器毛细管中的电爆炸丝“常压爆炸”[15]形成的激波。

图5 传统膛压测试系统测得的膛压曲线

图6 经过电磁兼容设计的膛压测试系统测得的膛压曲线

4 结论

电热化学炮膛压测试系统的电磁兼容设计结合了不同材料多层组合的屏蔽技术,接地技术,滤波技术以及光电隔离技术,在电热化学炮发射时的强电磁环境下,利用电磁兼容技术可以有效的抑制各种电磁干扰,获得准确完整的膛压信号曲线。同时该技术可以拓展应用到各种强电磁场干扰环境下的参数测试场合。

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黄慧(1989-),女,湖南益阳人,中北大学硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器研究,451172745@qq.com;

胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大学硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器研究,hxn_1989@126.com;

马铁华(1964-),男,山西交城人,中北大学教授、博士生导师。主要研究方向为新型传感技术及动态测试技术,matiehua@nuc.edu.cn。

TheElectromagneticCompatibilityDesignofElectro-ThermalChemicalGunChamberPressureMeasureSystem

HUANGHui1,HUXiangnan1,MATiehua1*,WENZhiguo2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;(2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Because of the serious electromagnetic interference and the voltage fluctuation when the Electro-Thermal Chemical Gun(ETCG)launched,the accurateness of measurement and the security of apparatus of chamber pressure measure system are seriously affected. Aiming at these problems,the electromagnetic compatibility design of ETCG chamber pressure measure system was accomplished by using PCB EMC techniques,shielding techniques based on multi-layer combinations of different materials,grounding and filtering techniques and optical isolation technology. The design is based on the theory of dynamic measurement in mal-condition. The design is verified by test that it can effectively solve the problem of electromagnetic interference and obtain valid data. It plays an important role in charging structure reasonability and the strength and stiffness design of ETCG.

electro-thermal chemical gun;dynamic measurement;chamber pressure;electromagnetic compatibility

2014-06-10修改日期:2014-08-01

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.014

TJ306

:A

:1004-1699(2014)09-1226-06