基于PCB压电传感器的小型冲击波存储测试系统*

梁 頔，马铁华*，刘一江，梁志剑，秦珍珍

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

基于PCB压电传感器的小型冲击波存储测试系统*

梁 頔1，2，马铁华1，2*，刘一江1，2，梁志剑1，2，秦珍珍1，2

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

针对冲击波超压测试存在的问题，设计了一套小型冲击波存储测试系统。系统选取了美国PCB公司的压电传感器，并针对此传感器设计了相应的电荷放大器，放大器和滤波器。系统以FPGA为核心驱动外围AD和FIFO完成数据采集。对关键时序采用Modelsim软件进行了仿真。使用该系统对某爆炸20 m处的冲击波超压信号进行了检测，并给出了波形。

存储测试;冲击波;FPGA;modelsim

冲击波超压峰值是衡量各类弹药毁伤威力的重要技术指标，所以对于冲击波超压峰值的准确检测显得尤为重要。在爆炸环境之中，环境比较恶劣，对于此情况下冲击波压力信息的获取十分不易。冲击波超压数值模拟方法经常采用。［1-6］引线电测法是目前冲击波超压的主要测量方法，它精确性高，也能够计算冲量，但是它布线繁杂，测试前必须有所准备，而且成本也相对较高。［7-10］为了解决此问题本文设计了一套微型化的冲击波存储测试系统，系统以FPGA为主控芯片，以自适应的采样频率对冲击波压力信号进行获取。

1 系统设计

为了测量冲击波压力信号，测试系统需要埋于地下。测试系统的工作示意图如图1所示。

整个系统都被金属外壳包裹，测试系统埋于地下，传感器和触发二极管露出金属外壳。测试系统工作时，爆炸前测试系统以最高采样频率，将数据都实时存入FIFO并在FIFO中空转，但并不往FLASH存储器中写入。爆炸时爆炸的强光使光电二极管感受强光，触发测试系统并将FIFO中的数据以同样高的采样频率存入FLASH。采用这样的设计方案可以使存储测试系统能够采集并存储触发之前的一部分信息，因此这部分的设计被称为负延迟系统。存储完毕之后，整个系统自动处于低功耗状态，等待外部接口读取信息。

图1 测试系统工作示意图

系统的总体设计框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

1.1 压力传感器选型

测试系统的压力传感器采用美国PCB公司的压电传感器PCB113A22型压电传感器。此种传感器的动态响应范围为6.9 kPa～34 500 kPa，线性度%FS≤1，谐振频率≥500 kHz，上升时间≤1μs。冲击波的上升时间为微秒(μs)量级，文献［11］又对此种传感器的动态特性进行了研究，此种传感器可以满足对于冲击波信号检测的要求。

1.2 电荷放大器设计

由于传感器是压电传感器输出成容性，因此需要对此种传感器设计电荷放大器来使传感器输出的微小的电荷量转化为电压变化，为后续的信号处理和记录创造条件。电荷放大器的设计如图3所示。

图3 电荷放大器原理图

1.3 二级放大电路的设计

二级放大电路用仪表放大器INA128，INA128的输入阻抗很大，对前级的影响很小。放大倍数满足，具体设计如图4所示。

图4所示的电路图中Rg为51 K，因此二级放大电路的放大倍数接近于2。

图4 二级放大电路

1.4 低通滤波器的设计

因为被测冲击波信号有一定的带宽，为了提高仪器的信噪比仪器中需要设计一个低通滤波器。设计如图5所示。

图5 二阶低通滤波器

集成运放采用OP4340集成运放，引入“虚短”和“虚断”以后运放的正端的电平

在Uz点处的电流满足

上式中R是5.1 kΩ的电阻，C是1 nF的电容。

式(1)～式(3)联立可以得出

由上式的传递函数可以得出二阶低通滤波器的幅频和相频特性如图6所示。

幅频特性的半功率点的频率为23 kHz，滤波器的截止频率为23 kHz。

1.5 模数转换电路设计

经过模拟调理电路后的信号需要进行模数转换而后对其进行存储。采样频率原则上满足采样定理即可，即采样频率大于等于原信号不失真最大高频分量频率的两倍。本文的AD转换器选取为AD7492，编程设置采样频率为100 kHz。

AD转换电路原理图如图7所示。

图6 二阶低通滤波器幅频特性

图7 AD转换器原理图

FPGA只需按100 kHz的时序给CONVST管脚控制AD转换频率。当系统触发后，数据存储完毕，FPGA控制TC管脚拉高，使AD转换器停止工作，系统进入低功耗状态。AD转换器的控制逻辑图如图8所示。

图8 AD转换器控制逻辑图

图8中和D触发器相连接的模块为分频时钟产生模块，采样频率的实现由D触发器实现，CONVST为启动A/D转换器的信号。采样频率给定电路的时序如图9所示。图9中第一行信号为8 M的系统时钟。

图9 A/D转换器采样时序图

1.6 FIFO的控制逻辑及时序

在A/D转换完成后系统要将数据实时存入高速FIFO中等待抽取，逻辑实现如图10所示。

图10 FIFO控制逻辑图

图10中rst为复位信号，noten为控制FIFO读写的信号允许位，ADCRD为FIFO的写信号线，busy为A/D转换器转换完成后的信号线。A/D转换完成以后，busy信号由低变高，电路产生125 ns的FIFO写信号。图9的FIFO控制逻辑用Modelsim仿真后如图11所示。

图11 实时存入FIFO时序图

图11中第1行的clk是FPGA系统的8 M时钟。第2行的busy信号为AD7492转换完成的输入信号。第3行的m2信号为FPGA内部分频产生的2 M的时钟。第5行的adcrd为FIFO的写信号。第7行的noten信号为FIFO的片选信号。AD转换器转换完成后，FIFO的片选使能，然后产生125 ns的写信号。

2 实验及结论

使用设计好的测试系统对某爆炸冲击波信号进行检测后，对一个单独的测试系统测得的数据进行分析，20 m处冲击波超压信号如图12所示。

如图12所示系统可以捕获触发前的完整数据，证明系统的负延迟电路运行完好。对于爆炸过程中冲击波信号的变化趋势，系统的采集也趋于完美。得出在13.02 ms处，冲击波信号的超压峰值为0.434 MPa。

图12 某爆炸20m处的超压曲线

与引线测试系统相比，存储测试系统可以更加方便、高效地嵌入与被测信号相同的恶劣环境中工作。它功耗低、可靠性高、经多次实验证明:它的数据捕获成功率可以达到95%以上，可以为多种弹药的研制和实验提供可靠的评估依据。

［1］屈康康，闫石聚，刘洋，等.爆炸冲击波在长直坑道和复杂坑道内传播规律的对比研究［J］.应用力学学报，2011，28(4):434 -438.

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A Small Stored Measurement System for Shock Wave Based on PCB Sensor*

LIANGDi1，2，MA Tiehua1，2*，LIU Yijiang1，2，LIANG Zhijian1，2，QIN Zhenzhen
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Considering the deficiency ofmeasuring method for shock wave，a small stored measurement system for shock wave is designed.A PCB piezoelectric sensor is used in the system.The charge amplifier，amplifiers and filters is designed for the PCB piezoelectric sensor.The peripheral AD and FIFO are driven by FPGA to accomplish the data acquisition.The critical timing simulation is done on the Modelsim software.The system is selected tomeasure a shock wave signal at20 m，and the waveform is drawn.

storagemeasurement;shock wave;FPGA;modelsim

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.028

TP212.42 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0119-04

项目来源:国家自然科学基金项目(50730009)

2013-04-14修改日期:2013-05-06

EEACC:7230

梁 頔(1989-)，女，北京人，硕士研究生，主要从事动态测试与仪器方面的研究，lyqc.2008@163.com;

刘一江(1987-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事智能控制、动态信号获取与实时处理等方面的研究，yi9jiang@163.com。

马铁华(1964-)，男，教授，1996年于哈尔滨工业大学精密仪器与机械学科获博士学位，2001年被评为博士生导师，现任信息与通信工程学院副院长、民盟中北大学主委，是电子测试技术国防科技重点实验室动态测试研究方向负责人、山西省委联系的高级专家。主要研究方向是动态测试与传感技术。近年来取得省部级科技进步二等奖2项、获国家发明专利1项，发表学术论文68篇，其中被SCI、EI和ISTP收录19篇;