Design of Thermal-Baric Explosive Explosion Temperature Measuring System Based on Wireless and Memory Test Technology

LIU Fan，FAN Jinbiao*，DU Hongmian，JIAO Yaohan，LIU Shilong，LIANG Yongye，MIAO Songzhen

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Design of Thermal-Baric Explosive Explosion Temperature Measuring System Based on Wireless and Memory Test Technology

LIU Fan1，FAN Jinbiao1*，DU Hongmian1，JIAO Yaohan1，LIU Shilong2，LIANG Yongye1，MIAO Songzhen3

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Detonating time of thermal-baric explosive is long，the explosion temperature is high and the accompanying explosion damage is serious.These properties make the explosion temperature test difficult.To effectively evaluate thermal damage effect of temperature pressure ammunition，storage technology is applied in the explosive transient high temperature test.Wireless sensor network technology is combined with it to remote monitor status of test equipment as intelligent test.We can be 500 meters outside the remote monitoring test instrument，this can ensure the safety of the experimenters.System uses E12 type thermocouple，has short response time and the maximum temperature of 2 300℃.To ensure the accuracy，dynamic calibration experiment of the test system was made.The test system device is successfully applied in real field test of small equivalent thermal-baric explosive.Experimental results showed that the designed system is simple in operation，safe in use，and the application prospect is perfect.

thermal-baric explosive;storage test;wireless sensor network;dynamic calibratione;field experiment

温压炸药可被视为混合炸药，兼具高能炸药和燃料空气炸药的特点，是一种富燃料的高能炸药。有别于传统弹药以破片或金属射流等作为主要杀伤手段，温压炸药特别适合毁伤洞穴、地下工事、建筑物等封闭空间内的有生力量，已成为当前混合炸药发展的热点［1］。温压炸药主要是利用温度和压力效应产生杀伤效果，引爆后会发生剧烈燃烧，大量向四周辐射热量，同时产生冲击波［2］。因此温压炸药爆炸温度的精确测量对于炸药能量释放规律和热毁伤效应的研究具有重要意义［3］。目前主要使用非接触法来测量炸药的爆炸温度。非接触法主要有辐射测温法和原子光谱测温法，其优点是能获得火球表面温度、尺寸以及火球持续时间等特征参量，缺点是野外试验需提供电力支持机动性差、不能有效获取火球内部温度［4］。存储测试技术［5］，作为测试计量技术的一个特色分支，广泛应用于高温、高压、高冲击、强电磁干扰、不易引线等特殊、恶劣环境下的信息获取。本文介绍了一种基于存储测试技术和无线传感网络技术温压炸药爆温测试系统，测试装置布设与爆炸场中，人员远程监控系统工作状态，现场完成温度参量的采集与存储，事后回收记录仪，由计算机处理和再现被测信息。

1 温压炸药的爆炸特性及测试难点

温压炸药的爆炸过程主要由以下3个“事件”组成:(1)最初的无氧爆炸反应，无需从周围空气中吸取氧气，持续时间续时间小于1 μs。此阶段仅释放一部分能量，并产生大量富含燃料的产物。(2)爆炸后的无氧燃烧反应，也无需从周围空气中吸取氧气，持续时间为数十到几百微秒，主要是燃料粒子的燃烧。(3)爆炸后的有氧燃烧反应，需从空气中吸取氧气，持续时间可达数百毫秒级，主要是富含燃料的产物与周围空气混合燃烧。此阶段释放大量能量，延长了冲击波的持续时间，并使火球越来越大。

这3个“事件”确定了温压炸药的基本性能以及温压炸药爆炸温度场现场测试的难点:(1)温压弹爆炸作用时间短，爆温具有瞬变特性，测试系统需进行动态校准来确保其测量精度(2)温压弹爆炸火球毁伤面积大且伴随强冲击波，传统引线式接触式测温方法和非接触式辐射式测温方法在爆炸近场温度测试均表现出不足，测试装置能放置于爆炸火球中测量，耐高温高压冲击;(3)温压炸药爆炸时产生大量有毒气体和烟雾，导致局部空气缺氧，为保证参试人员的人身安全，在安全距离外相关操作人员能远程监控设备工作状态。

2 系统总体设计

测试系统主要由多个相同的智能温度测点(子系统)和主控制台组成，每个子系统又包括传感器模块、电源管理模块、时钟模块、信号调理电路、A/D转换器、FPGA控制器、闪存FLASH等模块。信号调理电路完成传感器模块输出信号的放大、滤波等; A/D转换器完成调理后的模拟信号的数字化;然后数字量按照控制模块的写入命令写入闪存存储模块，完成了信号的采集和存储;主控制台通过无线的方式控制智能温度测点的工作状态，根据现场情况进行采样频率、放大倍数和触发方式等参数的设定。测试系统原理框图如图1所示。表1所示为系统的主要技术指标。

图1 测试系统原理框图

表1 测试系统主要技术指标

3 传感器的选型及校准方法介绍

温压炸药在爆炸过程中爆轰时间为ms级，冲击波压力小于10 MPa［6］，为了准确记录下爆炸时温度变化曲线，本测试系统最终选用NANMAC公司的E12型侵蚀热电偶。其主要技术指标如表2所示。

表2 E12型侵蚀热电偶技术指标

由表2可知，该传感器从上升时间、测量温度范围以及耐压性能等方面，均能满足测试系统性能的要求。

由于爆温的瞬变性，采用瞬态表面温度传感器可溯源动态校准技术［7］对测试系统进行动态校准，确保测试系统精度。如图2所示，系统中采用大功率高频调制CO2激光器作为加热热源来实现对E12型侵蚀热电偶的现场动态校准。CO2激光器的能量通过全反射镜和聚光镜组成的光学系统得以汇聚，被校传感器和辐射温度计同时对热源进行测量。校准过程如图3所示。

为此，在研发创新方面，华岳每年投入大量资金，不断提升产品质量和智能化程度，同时也收获了宝贵的自主知识产权。截至目前，公司共获得48项专利，其中发明专利7项，实用新型38项，有力支撑了产品更新升级和向高端化发展。

同时利用校准系统对E12型热电偶的上升时间进行测试。CO2激光器激励脉宽为300 μs时，E12型热电偶的输出信号如图4所示。激励热电偶从零值到最大值所需时间为334 μs，由于激光消失时前热能达到最大，也就是说300 μs后达最大，所以E12型热电偶的响应时间应该小于51 μs。

图2 动态校准系统光路图

图3 可溯源动态校准过程框图

图4 脉宽为300 μs时热电偶输出信号

4 系统关键技术

4.1 冷端补偿技术

为了实现瞬态温度的精确测试，使用E12型侵蚀热电偶必须做好冷端补偿措施［8］。直接使用分度表显然会引进误差，必须设计合适冷端补偿电路来解决这个问题。如图5所示即是利用AD590作为热电偶冷端补偿的电路原理图，AD590作为热电偶冷端的温度敏感原件，对冷端的温度进行实时测量，测量温度后输出的电流随冷端温度改变而改变。经过R1和R2的电阻分压作用，VIN－的输入是一个2.5 V的恒压值，为输入放大提供一个共模量。电流I通过电阻R3时，所形成的的电压为VIN+，即是冷端补偿电压。即:

由上式可知，当环境温度为零度时，INA128放大器的输入端压差(VIN+和VIN－的差值)为零。当环境温度每变化1℃时，其输入电压就变化9.1 mV。

图5 冷端补偿原理图

4.2 无线传感网络工况设计

无线传感网络技术［9］的应用，使得测试仪器可以放置爆炸火球中进行温度测量，同时各温度测点相互关联，具有统一的工作时基。无线传感网络的工况合理设计，确保测试系统的可靠高效完成测试任务。

系统从断电态进入到供电态后，无线传感网络的主、从节点均进行初始化，完成星型网络组建成功。组网成功后系统分为命令给出及测试数据传输两个阶段。命令给出阶段，根据不同距离测点处温度大小和变化快慢不同，主控制台完成对各测点触发方式、采样频率、增益等参数的配置。此时系统处于循环采样状态，参试人员可以离场。在起爆前1 s～2 s，各测点装置接受无线触发命令，系统进入测试数据传输阶段。在该阶段，系统接收到同步触发信号后给MCU一个反馈信号，使无线模块下电，防止爆炸时爆轰区的电磁场对测试系统的干扰。1 min后打开无线模块电源，重新初始化无线模块并重新组网，然后再进行数据传输。

图6 无线传感网络工况状态图

4.3 数据存储

图7 数据存储流程图

5 现场试验及数据分析

为了评估温压弹药无线存储测试系统的可靠性，该系统对1.5 kg相同药剂的温压炸药进行了实爆测试。测点布设参照相关国军标［10］要求，采用距爆心径向分布，距爆心分别为0.6 m、1.5 m和2 m。温压炸药引爆前，主控制台通过无线给各测点进行增益、采样频率、触发方式等参数的配置;爆炸结束后回收装置读取数据。测试现场如图8所示。

图9所示为典型温度测试曲线，部分试验数据统计情况如表3所示。

由试验结果分析可知:(1)1.5 m处爆温峰值比0.6 m处大，比2 m处小，温压炸药爆温并非离爆心越远温度越低，而是有一个先升后降的变化趋势，这符合前文提到的温压炸药爆炸的“三个事件”。(2)在距爆心相同距离的毁伤效应具有良好的一致性，而随着距爆心的距离的不同，热剂量的值存在着显著的变化。

图8 测试现场

图9 典型温度测试曲线

表3 试验数据统计

试验数据较好的反映了温压炸药爆炸温度场的传播特性，对温压炸药的热毁伤效果有一定的参考价值。

6 结论与展望

本文提出了一种基于存储测试技术和无线传感网络技术相结合的温压炸药爆温测试方法，可远程监控测试装置工作状态，减小了试验操作的工作量，

提高了测试效率;解决了传统爆炸场温度测量中布线难、噪声大及无法实时监控等问题。试验证明了该系统具有良好的实用性和可靠性，在测试领域具有很好的发展前景和推广价值。

［1］王晓峰，冯晓军，肖奇.温压炸药爆炸能量的测试方法［J］.火炸药学报，2013，36(2):9－12.

［2］Wildegger-Gaissmaier Dr A E.Aspects of Themobarie Weaponry［J］.ADF Heahh，2003，4(1):3－6.

［3］李秀丽，惠君明.温压炸药的爆炸温度［J］.爆炸与冲击，2008，28(5):471－475.

［4］邓金榜，王伯良.温压炸药爆炸温度测量［C］//第十五届全国激波与激波管学术会议论文(上册).2012，7，176－180.

［5］张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2002:1－7.

［6］李幸.基于热电偶的爆炸温度场存储测试技术研究［D］.南京:南京理工大学，2009.

［7］郝晓剑.瞬态表面高温测量与动态校准技术研究［D］.太原:中北大学，2005.

［8］王代华，宋林丽，张志杰.基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法［J］.探测与控制学报，2012，34(3):23－28.

［9］王健，裴东兴，王薇.XXX爆炸威力场远距离多参数数据采集系统［J］.传感技术学报，2013，26(4):516－517.

［10］GJB5412—2005燃料空气炸药(FAE)类弹种爆炸参数测试及爆炸威力评估方法［S］.中华人民共和国国家军用标准，2005.

刘帆(1988－)，男，湖北省孝感市人，中北大学硕士研究生，主要研究方向为动态测试与智能仪器，liufan1988 @163.com;

范锦彪(1974－)，男，中北大学副教授，研究方向为高g值加速度计校准及高冲击测试技术，fanjinbiao@nuc.edu.cn;

杜红棉(1977－)，女，辽宁省锦州市人，中北大学副教授，主要从事爆炸冲击波测试技术等方面的研究，duhongmian@nuc.edu.cn;

焦耀晗(1988－)，男，中北大学硕士研究生，研究方向为动态测试与FPGA嵌入式开发，617446667@qq.com。

温压炸药爆温无线存储测试系统设计

刘帆1，范锦彪1*，杜红棉1，焦耀晗1，刘世龙2，梁永烨1，苗松珍3
(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.神华宁夏煤业集团煤化工分公司烯烃公司，宁夏银川750000; 3.中国人民解放军第四三二八工厂，山西长治046000)

温压炸药爆轰时间长、爆炸温度高且伴随爆炸破坏作用，使其爆炸温度测试较困难。为有效评估温压弹药的热毁伤效应，将存储测试技术应用到爆炸瞬态高温测试中，并结合无线传感网络技术，在确保参试人员的安全前提下，可在500 m外远程监控测试仪器状态进行智能化测试。系统采用E12型热电偶，响应时间短，最大测温为2 300℃，并对其进行可溯源性动态校准，确保测试精度。测试装置成功应用于小当量温压弹药的实爆现场测试，试验结果表明所设计的系统操作简单、使用安全，具有良好的应用前景。

温压炸药;存储测试;无线传感网络;动态校准;现场测试

TQ564

A

1004－1699(2014)04－0467－05

2014－03－02修改日期:2014－04－03

C:7221

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.009