智能化冲击波超压测试系统

闫宏彪，丁永红*，王俊峰

（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.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051）

智能化冲击波超压测试系统

闫宏彪1，2，丁永红1，2*，王俊峰1，2

（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.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051）

冲击波超压测试是衡量武器弹药毁伤性能的重要参数。设计了一种由探测单元、控制单元、触发单元构成的地面场智能化冲击波超压测试系统。该系统具有体积小、微功耗、抗冲击、抗电磁干扰等特点，通过激波管动态校准后应用于自由场实爆试验，并能成功记录关键信号，将实测数据与经验公式所得数据对比分析，证明了该系统的设计合理性。

冲击波超压测试；激波管；智能化；无线

爆炸场中，弹药与空气接触发生强烈的物理、化学反应，致使爆炸中心高温高压区内的空气猛烈压缩，以相当快的速度向外膨胀并强烈作用于周围其他介质，导致这种由介质状态突跃变化的高压气团被称为爆炸冲击波［1］。正向超压峰值、持续时间和比冲量是衡量冲击波毁伤效应的关键参数［2］，因此，对爆炸场冲击波超压信号的准确测量对弹药、武器系统以及加强重要设备防护提供的理论参考依据［3］。

压电式传感器具有较高的频率响应和灵敏度以及较宽频率范围等特点，能够恰当运用于峰值高、持续时间短、脉冲宽度窄（约1 ms）的冲击波信号测量中［4］。

1 系统组成及工作原理

本系统由探测单元、控制单元和触发单元［5-7］组成。探测单元主要完成信号测量、调理、存储工作［8］，其中，传感器采用PCB公司生产的113B型ICP压电式压力传感器。控制单元主要功能：①上位机通过USB数据线连接无线主控节点，通过无线［9］从节点向主控芯片实施上、下电，参数配置等操作；②由主控芯片单片机和CPLD共同控制FLASH擦除、读写以及模拟开关和A/D转换工作。触发单元主要通过手动触发和无线触发两种模式，确保系统具备可靠性触发功能，具体系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成图

工作原理：将压电式传感器测得的被测信号经模拟适配电路进行信号调理后输出给A/D，经A/D转换后的数据由CPLD芯片结合FIFO缓存芯片完成数据位匹配后存入FLASH，最后利用读数盒与计算机USB口连接，并通过相应VB读数软件完成数据读取、显示操作，进而分析利用。

2 系统性能指标

根据测试技术指标要求，在系统设计过程中主要针对多路信号测量而设计了智能化多采样多通道测试系统，具体系统性能指标如表1所示。

表1 系统性能指标

3 系统硬件电路设计

本设计中硬件电路设计主要针对探测单元中传感器的连接，控制单元中模拟开关MAX4634、A/D转换芯片AD7492的控制作如下介绍。

①传感器接法

根据爆炸冲击波具有速度快，持续时间短的特点。本设计中传感器采用113B28型ICP传感器［10］，具体连接电路如图2所示。

②模拟开关MAX4634的接法

模拟开关MAX4634主要用来完成4路信号的切换选择，当每路信号设置采样频率小于等于250 kHz时，模拟开关可对4路信号快速实现切换选择功能；当对单路信号采样频率达1 M时，系统只能用来测量单路信号。以采样频率为250 kHz为例，然后经图3.8中模拟开关MAX4634对其多通道选择，具体电路如图3所示。

图2 传感器链接电路图

图3 MAX4634连接电路

③AD7492接法

对模拟开关选出的一路信号进行放大、滤波后直接接到输出给A/D，A/D转换后得到的数字信号经CPLD结合FIFO对其数据位匹配后，由单片机MSP430F4618控制并存入FLASH中，其中AD7492的连接电路如图4所示。

图4 AD7492连接电路图

4 系统软件设计

系统软件设计中主要针对模拟开关MAX4634和FLASH存储控制流程做出介绍。

①MAX4634控制逻辑实现

通过选定CPLD芯片的2个I/O作为模拟开关的地址端MA0、MA1，实现多路不同信号的选择。首先，利用分频程序对已选定的2个I/O口输出的时钟信号，进行2分频、4分频；然后，将2个I/O分别与MAX4634的两个地址端连接，实现的时序逻辑如图5所示。

②FLASH写数流程

根据闪存K9F1G08U0B芯片资料可知，闪存写入时，首先将输入命令以及数据地址写入，接着再将整页(2k+64) Byte的数据写入，最后经tPROG最小300 μs的编辑时间后将测试数据保存于K9F1G08U0B内。具体数据写入流程如图6所示。

图5 MAX4634时序逻辑图

图6 Flash写数据流程图

5 系统激波管校准

由于激波管［11］产生的高压气体激波与爆炸冲击波相似，因此，激波管是冲击波测试系统动态校准的理想工具，其激波管校准示实物图如图7所示。

激波管校准常用的计算公式有：

其中，v为激波速度，单位为m/s；s为两传感器之间的中心距离，单位为m；Δt为两传感器上升沿时间差，单位为ms，c为低压室气体的声速且，T为低压室气体温度，单位为K，P2为高压室气体压力值，单位为MPa；Ma为马赫数，P1为低压室气体初始压力值，单位为MPa。

本系统在校准过程中所用激波管低压室管长为6.5 m，内壁直径为100 mm，两传感器安装距离为300 mm，反射压最大值10 MPa，其校准装置示意图如图8所示。

图8 校准装置示意图

本系统校准过程中，以激波管产生马赫数为1.2～1.3之间的激波作为激励源，共进行了3次试验，试验所得校准参数如表2所示，表中P2为激波管高压室的压力值，p′为被校准系统实测压力值。

表2 校准参数表

由表2可以看出系统校准试验中系统误差均小于5%，证明了该测试系统具有一定可靠性，可以应用于实际冲击波超压测试试验。

6 实验与结果分析

本装置经激波管对其动态标定后，应用于TNT当量为3 kg，爆心距地面1.5 m，场内温度为10℃的自由场静爆试验中，并能成功记录数据，试验装置布置［12］示意图和实物图分别如图9、图10所示。

图9 装置布置示意图

自由场冲击波超压峰值经验公式：

试验中共采用十套装置完成冲击波测量，其中1#、3#、6#装置的测试曲线如图11～图13所示。

图10 装置布置实物图

图11 1#装置实测曲线图

图12 2#装置实测曲线图

图13 6#装置实测曲线图

根据经验公式（5）得出1#装置超压峰值ΔP= 584.63KPa，2#装置超压峰值ΔP=320.75 KPa，6#装置超压峰值ΔP=254.6KPa，由图11可得1#装置超压峰值实测曲值ΔP′=588.2KPa，由图12可得2#装置超压峰值实测曲值ΔP′=323.6KPa由图13可得6#装置超压峰值实测曲值ΔP′=260.2KPa，可得出装置1#、2#、6#系统相对误差分别为0.61%、0.89%、2.19%，证明该测试系统的设计合理性，能够较好的运用于爆炸场冲击波超压测试领域。

7 结论

通过在自由场静爆实验中对智能化冲击波超压测试系统的实验，证明了该系统能够运用于爆炸场冲击波超压测试领域来进行冲击波超压的测试。

［1］祖静，张志杰，裴东兴，等.新概念动态测试［J］.测试技术学报，2010（z6）.

［2］杜红棉，祖静.无线冲击波超压测试系统研究［J］.火力与指挥控制，2012，37（1）：198-20.

［3］董冰玉，杜红棉，祖静.基于无线控制的冲击波超压测试系统［J］.传感技术学报，2010，23（2）：279-281.

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［7］汪玉，华宏星.舰船现代冲击理论及应用［M］.北京：科学出版社，2005.

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闫宏彪（1989-），男，山西吕梁人，中北大学计算机与控制工程研究生。主要研究方向测试计量技术及仪器，yanhon⁃gbao1989@126.com；

丁永红（1981-），女，主要研究方向为恶略环境的动态参数测试，无线信标和智能仪器等，在国内外核心期刊和学术会议上发表论文十余篇；

王俊峰（1989-），男，山西太原人，中北大学计算机与控制工程研究生。主要研究方向动态测试与智能仪器，448039823@qq.com。

Intelligent Shock Wave Overpressure Test System

YAN Hongbiao1，2，DING Yonghong1，2*，WANG Junfeng1，2
（1.Science and technology on Electric Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Impact wave overpressure test is an important parameter to measure the damage performance of weapon and ammunition.A new intelligent shock wave pressure measurement system is designed，which is composed of a detection unit，a control unit and a trigger unit.The system has the characteristics of small size，low power consump⁃tion，anti impact，anti electromagnetic interference，After the shock tube dynamic calibration，the free field experi⁃ment is applied，and it can record the key signal successfully，and the comparison between the measured data and the empirical formula is proved to be reasonable.

the shock wave overpressure test；shock tube；intelligent；wireless

TN98

A

1004-1699(2015)10-1570-05

��7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.026

2015-05-19 修改日期：2015-08-05