高精度多段智能爆速仪的设计及应用*

郭亚飞，王　高，梁海坚，张　伦

(1.中北大学 电子测试技术国防重点实验室，山西 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，山西 太原 030051)



高精度多段智能爆速仪的设计及应用*

郭亚飞1，2，王高1，2，梁海坚1，2，张伦1

(1.中北大学 电子测试技术国防重点实验室，山西 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，山西 太原 030051)

摘要：为解决传统测时仪、爆速仪精度低的问题，提高国防测试技术领域弹药爆速测试的准确度，设计了一种基于嵌入式系统的高精度智能爆速仪。该仪器可用光纤传感器测量炸药、导爆索、传爆管等爆轰波传播时间和速度，使用通-断靶测量弹丸、破片等速度。仪器包括三大模块：以光纤传感器或通-断靶和光电探测器为前端的信号采集模块；利用CPLD完成计数器、自动检测电路、数据选通及缓存的计时模块；以嵌入式系统为基础的数据输入输出、计算和LCD显示的处理模块。仪器采用200 MHz晶振，通过提高采样频率来提高计时精度。通过导爆索爆速实验，分析得出系统精度优于1%。结果表明：该系统极大的提高了火工品爆速测量的精度。

关键词：爆速；高精度；嵌入式系统；光纤传感器；CPLD

爆速、爆压、爆温是衡量炸药性能的三个重要参数。其中，爆速是最容易测量的，其准确度直接关系到炸药成分配比的改进和性能的评估。常用的测量爆速的方法主要有高速摄影法、电探针法，另外还有光纤光栅法、连续示波法等[1-4]。高速摄影法仪器昂贵，测试时离爆炸场较近，仪器容易被爆炸物损坏。电探针法多配合单片机进行信号的采集与处理，进行多段爆速测试时需要连接大量的采集电路[5]，但测量过程中电探针容易受强电磁场的影响[6]，导致无法精确确定测量位置，计算结果误差变大。光纤光栅法原理复杂，测试时所需连接的测试仪器体积庞大，不便于携带，光纤光栅不容易固定，对环境要求比较高。连续示波法则主要用来研究不稳定爆轰。

对于以上受电磁干扰导致测量精度不高、仪器复杂携带不便等问题，本文设计了一种基于嵌入式系统的八通道智能爆速仪。该爆速仪可以光纤探针作为传感器采集信号，也可接入通-断靶对弹丸、破片速度进行测量。光纤探针属于无源器件，不受电磁干扰、耐腐蚀，响应特性优良[7，8]。经查阅文献得知，与电探针相比，光纤与炸药接触的针刺感度小[9]，使得光纤在易燃易爆、强电磁干扰环境下的使用更加安全。

1测试原理

爆炸时伴随着体积膨胀、发出大量的光和热[10]，利用光纤探针采集光信号，通过光电转换电路将光信号转换为电信号，传送至采样电路；当弹丸、破片将导通的金属丝切断时，会产生电信号，同样传送至采样电路。当有电信号传送至采样电路，经过处理发出脉冲信号，利用计数器计算脉冲之间的时间间隔，进而计算出此段信号传播所用时间。将计算出的时间进行保存，等待爆速计算的调用。测试原理如图1所示。

图1　测试原理图

通过操控界面设置对应的靶距，用靶距除以此段对应的时间即可计算出爆速。对应计算公式如式(1)：

(1)

式中：Si为第i段靶距，ti为对应段时间，Ni为内部计数器记得的晶振时钟脉冲个数，T为时钟周期。

假设3号通道未采集到信号，则自动将此通道省略，S2、S3两段靶距自动合并为一段，对应时间为两段靶距信号传输所用时间，如式(2)所示：

(2)

若1号通道或8号通道未采集到信号，自动放弃第1段或第7段爆速的计算。这样的计算方式，解决了因一个通道未采集到信号，导致此通道后所有通道采集的信号无法计算爆速的问题。

2系统设计

测试系统主要由光纤传感器、光电探测器、光电转换电路、CPLD处理电路和LCD显示电路组成。

2.1光电探测器

由于信号调理电路会将采集的电信号进行放大滤波以及电平转换，光电转换后输出的电压信号往往存在一定的噪声，为避免误触发，应对噪声进行抑制。

选择光电探测器时，一般根据测量要求比较探测器的主要特性参数，最后再选定最合适的器件，在选择器件时应注意：

1) 依据待测光信号的强弱，决定探测器响应度的大小；

2) 探测器光谱响应的范围要与待测的光信号的相对光谱波长范围一致；

3) 在测量与调制脉冲光信号时，选用的探测器输出的电信号应正确反映出测量的光信号的波形，也称探测器的响应时间；

4) 当测量的光信号发生幅度的变化时，选用的探测器输出的电信号幅度要能够线性的响应。

根据以上要求，选择了某公司的960 um Silicon PIN光电探测器，

2.2光电转换电路的设计

在光电转换电路中，其基本原理是：当光照射到PIN光电探测器导致其光电导产生变化，进而探测器的电流产生变化，通过采样电阻后输出电压信号。电容C则起瞬时放电、提高输出回路电流的作用。采样电阻R的选取需根据待测对象的特性来定，选取的阻值过大会影响到测试的精度，过小则导致输出电压不足，影响后续电路的处理。如图2所示。

图2　光电转换电路原理图

3结果及分析

在某靶场通过测量导爆索爆速，对仪器性能进行了测试，并且对某型传爆管传爆性能进行了研究。导爆索爆速测量实验中所使用的是85RPX型油井用导爆索，引爆装置为W180A型磁电雷管，实验装置如图3中a所示。传爆管为间接传递爆轰波的装置，传爆性能的好坏直接影响到战斗部的工作，对其性能的测试为改进传爆管的结构设计提供了参考。性能测试实验中使用的是某所自制传爆管，传爆装置两端由85RPX型导爆索连接，使用W180A型磁电雷管进行引爆，实验装置如图3中b所示。由于传爆部分为机械装置，推测此段速度比爆轰波速度小。

图3　实验装置示意图

导爆索爆速实验中设定了不同的靶距，起爆前已设置好各种参数，准备完成后，导爆索由电子雷管进行引爆。爆炸完成后，测得具体结果如表1、2。

表1　第一、二发爆速测量结果

表2　第三、四发爆速测量结果

此型号导爆索爆速在6 800 m/s～7 500 m/s的范围内，在爆速测试实验中，从表1、2可看出，测得各段爆速绝大部分在7 000 m/s以上，说明爆速仪测试结果是准确的。测得的各段爆速均分布在该段平均爆速附近，没有差别很大的点，表明仪器在多段测试中性能是稳定的，测试结果是可信的。

出现速度低于7 000 m/s这种情况，初步分析认为靶距过小，对光纤探针插入精确度的要求越高。假设靶距50 mm，从测得的数据估算爆轰波在50 mm靶距中传播时间为7 μs，则实际爆速为7 142.86 m/s，当有1 mm靶距误差时即靶距为49 mm，测得爆速为7 000.00 m/s，误差为2%。通常在工业测试上靶距多为500 mm或1 000 mm，当光纤探针插入位置有1 mm误差时，测试结果误差为0.2%或0.1%。计时误差方面则小的多，由于采用的是200 MHz的晶振，计时的绝对误差为±0.005 μs，在50 mm靶距时，爆轰波在靶距间传播时间为7 μs，测时的相对误差为±0.07%，传统的基于单片机的爆速仪使用的晶振频率为10 MHz，计时误差为±0.1 μs，计时相对误差为±1.2%，与基于单片机的爆速仪相比，基于嵌入式的爆速仪精度有很大提高。结合系统误差与计时误差得出，该系统测试精度优于1%。

传爆管传爆结构为导爆索连接，且导爆索与爆速实验中使用的完全相同。同样由电子雷管引爆，传爆结束后，测得具体结果如表3。第二段测得的是传爆装置的传爆速度，由于是机械装置，所以速度没有导爆索中爆轰波传播速度快，与推测的结果相吻合。

表3　传爆管测试结果

传爆管性能测试实验中，传爆装置两端是使用85RPX型导爆索连接的，测得爆速与导爆索爆速实验中结果差别很小。由表3看到，传爆管可以将爆轰波进行传递，爆轰波通过传爆装置后，速度并未下降，说明传爆管不能使爆速增加或减小，只能进行爆轰波的传递。

4结论

基于嵌入式的智能爆速仪与传统爆速仪相比，在精度上有很大的提高，可以在光纤探针测量模式和通-断靶测量模式之间进行转换。使用光纤探针克服了爆速测试中电磁干扰的缺点，可以测量多段爆速、操作简单、安全性高、测试成本低的特点，使得仪器用途更加广泛。在爆速实验中，证明设计方案可行，采用200 MHz的晶振，使得计时误差减小，系统测量精度提高，可达1%；传爆管性能实验中，得出了单段爆速仪无法测得的结果，为传爆管结构、性能改进提供了宝贵的数据。

参考文献

[1]Lebedev V B,Feldman G G,Karpov M A,et al.Application of K008 Camera in Diagnostics of Shock and Detonation Waves[J].Measurement Techniques，2007，50(5):524-528.

[2]姜爱华.基于FPGA的多通道光纤爆速仪的设计[D].中北大学,2014.

[3]Rodriguez G,Sandberg R L,McCulloch Q,et al.Chirped Fiber Bragg Grating Detonation Velocity Sensing[J].Review of Scientific Instruments，2013，84(1):015003-015012.

[4]姜爱华，焦宁，王高，等.新型高精度多段光纤爆速仪的设计[J].爆破器材,2013,6:29-31.

[5]顾泽慧，高见.CPLD在爆速仪技术中的应用[J].现代电子技术,2011,22:175-177.

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

[7]王荣波，何莉华，田建华，等.两种光纤探针在冲击波作用下的时间响应特性[J].高压物理学报,2005,3:284-288.

[8]王荣波，吴廷烈，王贵朝，等.冲击作用下快响应光纤探针研究[J].爆炸与冲击,2003,4:375-379.

[9]Wang Rongbo,Wang Guichao,He Lihua,et al.10GPa Detonation Pressure Measuring Explosive Detonation Wave-shaped Photovoltaic Technology[J].DETONATION AND SHOCK WAVES,2003,12:159-163.

[10]高志强.基于FPGA的新型单段光纤爆速仪设计[D].中北大学，2012.

收稿日期：2015-11-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61274089)；山西省国际合作项目(2014081029-2)

作者简介：郭亚飞(1990- )，男，硕士研究生，主要研究方向光纤通信、光电传感器。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0010- 03

中图分类号：TN253；TD235.2

文献标识码：A

An Intelligent High-precision Detonation Velocity Instrument Based on Embedded System

Guo Yafei1,2, Wang Gao1,2, Liang Haijian1,2, Zhang Lun1

(1.NationalKeyLabofElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChinaTaiyuanShanxi030051,China；2.KeyLabofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,MinistryofEducations,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:In order to improve the precision characteristic of detonation velocity instrument and enhance the accuracy property of ammunition speed test in defense field, a high-precision intelligent detonation velocity instrument based on embedded system and fiber optics is designed and tested. It consists of three modules that are fiber sensor, time module and the 200 MHz crystal. The fiber optic sensors and photo-detectors are designed for the signal acquisition. The timing module includes the counter, automatic detection circuit, data strobe and cache that based on CPLD. The function of the data input and output, the computing and the control of LCD display are performed by the embedded system. The sampling frequency is increased to enhance the timing accuracy with the adopting the 200 MHz crystal. It can be used to measure the time and speed of explosives, detonating cord, detonators and other detonation wave propagation. The velocity of projectile and fragment can also be measured by its pass-off target function. The detonation velocity property to detonating cord is measured experimentally. The experimental results show that its velocity measurement accuracy could be better than 1%, which is better than other types of explosive detonation velocity instruments.

Key words:detonation velocity measurement; high-precision; embedded system; fiber sensor; CPLD