微型高效冲击片雷管起爆系统设计研究*

王 朋,马铁华*,崔春生

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,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)

微型高效冲击片雷管起爆系统设计研究*

王 朋1,2,马铁华1,2*,崔春生1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,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)

针对现有冲击片雷管起爆系统体积大、效率低的问题,通过分析冲击片雷管起爆机理,选用微体积元件,对PCB板进行精密规划布局,设计了高效率电压转换电路和起爆控制电路,完成了微型高效冲击片雷管起爆系统的设计,该系统主要由电源、控制模块、升压模块、储能模块、起爆电路、放电电路和反馈模块构成。经过对多种不同起爆阈值的冲击片雷管进行重复试验,和现有起爆系统相比,该起爆系统体积大幅度减小,起爆速度得到提高,并且起爆可灵活控制,不会出现误起爆的情况,该系统完成雷管起爆后自动消耗剩余能量,使其更加安全和可靠,对冲击片雷管应用于武器系统有很大的实践意义。

冲击片雷管;起爆系统;体积;效率;起爆速度;安全

TJ冲击片雷管高安全性、高可靠性、抗干扰能力强的优点很好的满足了大型战斗部的起爆要求,被广泛应用于火箭、导弹等武器系统中[1],开展对冲击片雷管起爆系统的研究对应对未来复杂的作战环境和提高武器的作战能力有非常大的实践意义。在实际战斗中,雷管的起爆速度直接影响武器的作战能力和效果,而起爆装置的体积关系着其可携带性,而且武器系统中的零部件越来越朝微型化方向发展[2]。由于冲击片雷管起爆所需电压高达几千伏,瞬间起爆电流也非常大,起爆所需能量较大,目前已有的起爆装置为储能电容充电效率较低,导致从决定起爆到到达起爆点所需时间较长,起爆雷管后,内部电容储存的能量并不会完全消耗掉,内部缺乏自动放电电路,容易引起危险。并且装置整体体积较大,不易携带,这些缺点一直限制着冲击片雷管在武器系统中的应用[3]。针对以上问题,本文设计了微型高效冲击片雷管起爆系统。

1 总体设计方案

冲击片雷管起爆系统由电源、控制模块、升压模块、储能模块、起爆电路、反馈模块和放电电路构成,总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

系统起爆前,直流大功率电源只为控制模块和反馈模块供电,若控制模块检测到起爆按钮按下,则通过光耦接通升压模块和直流电源,升压模块首先将直流电压迅速转化为高频交流电,而后通过升压电路将电压高倍提升,提升后的电压为储能模块快速充电,当储能模块的能量达到冲击片雷管起爆所需能量时,通过起爆电路自动起爆冲击片雷管,反馈模块检测到起爆电路的大电流后,发送信号给控制模块,

控制模块通过光耦1断开升压模块的电源,并且通过光耦2将自动放电回路接通,把剩余能量完全消耗,断开自动放电电路,等待下一次起爆。

2 升压模块设计

升压模块主要由变频电路、变压器和倍压电路三部分构成,三级电路共同完成电压的高倍提升。

升压电路工作原理如图2所示,通过UC3842芯片产生方波,此芯片是高性能固定频率电流模式控制器,是驱动功率型MOSFET的理想器件,只需最少外部元件,便能将直流电压转变为高频方波,方波频率设定为1.1/R1×C1=67 kHz。通过方波控制MOS管高速通断,从而在变压器的初级线圈中产生不断变化的电流,并且在次级线圈和反馈线圈感应出能量。功率型MOSFET选用47N60C3型号,最大耐压值800V,最大电流47 A,导通电阻0.07 Ω,耐大电流和低导通电阻的特性为后级大功率充电提供了保证。

图2 升压电路

图3 变压器缠绕原理

变压器共绕3组,一组输入级,一组输出级,另一组反馈级,如图3所示,由于MOS管的高频通断,初级线圈流入不断变化的电流,由于电磁耦合,输出级和反馈级产生感应电动势,电动势的大小由线圈匝数比确定,输出级感应电动势输入倍压电路进行二次升压,反馈级输出的感应电动势为前级方波发生电路供电,提高方波发生电路的供电稳定性和输出方波频率以及驱动力的稳定性。变压器制造过程中,采用MEMS技术,应用纳米晶合金带材平面磁芯螺旋缠绕磁芯,外部应用磁场隔离材料隔离包装,相比传统变压器,这种工艺制作的变压器电压转化效率得到较大提高,体积得到大幅减小。

图4 倍压电路

倍压电路主要完成交流电压向直流电压的转化和电压幅值的二次提升,倍压电路设计过程中,采用小容值贴片电容,体积小,响应快,耐压值高,二极管选用快速恢复高耐压值二贴片二极管TO1,倍压电路如图4所示。交流电从AC1、AC2引脚输入,经过倍压电路转换,高压从图中箭头间输出,为后级储能模块充电。

3 储能模块与反馈模块设计

储能模块主要由高功率密度大电容组成,本系统选用金属化聚酯膜电容器,体积小,容量大,耐压值高,使用温度范围宽,绝缘电阻极高,功率密度大。这些优点完全符合冲击片雷管起爆系统的设计要求。如图5为薄膜电容器的照片。反馈模块采用霍尔传感器进行起爆电流检测,霍尔传感器原理如图6所示。

图5 薄膜电容器

图6 霍尔传感器原理

在储能模块达到起爆阈值后,通过起爆电路迅速向冲击片雷管放电,与起爆电路串联的霍尔线圈会流过几十安培的大电流,当大电流切割霍尔传感器中的磁感线圈时,会在线圈两端产生感应电动势,传感器输出电压通过信号处理电路后被送入电压比较器与预设阈值进行比较,当比较器输出发生翻转时,证明已经达到冲击片雷管起爆电压并且已经起爆,控制电路通过光藕断开升压电路的电源,停止为储能模块充电,同是接通自动放电电路,将剩余能量消耗完。

4 控制模块

控制模块采用ATTINY13A-SU单片机,SOP8封装,通过LM1117稳压芯片稳压后为单片机供电,上电后,单片机不断检测开关是否按下,若检测到开关按下,则控制光藕1导通,接通升压模块的电源,接通之后,不断检测霍尔传感器的输出,当起爆冲击片雷管时,会在起爆回路产生大电流,霍尔传感器感受到大电流输出高电平,单片机检测到霍尔传感器的上升沿后,控制光藕1关闭,停止为升压模块供电,终止为储能模块充电,同时控制光藕2导通,接通自动放电电路,以500 Ω的大功率电阻快速放电,放电1 min后,关闭光藕2,等待下次起爆。控制模块电路原理图如图7所示。

图7 控制模块原理图

5 实验结果

针对本系统,分别进行了模拟测试和真实冲击片雷管起爆实验,首先出于安全考虑,对起爆系统进行模拟测试,起爆回路选用阈值为1 000 V的气体放电管,用5 Ω的电热丝代替爆炸箔,通过罗氏线圈测得了放电电路的曲线图,如图8所示。可见在起爆瞬间电流迅速上升到200 A,并且在2 μs内迅速下降到0,模拟测试成功后,应用本系统对不同起爆阈值的冲击片雷管进行多次试验测试,通过秒表计时,实测数据如表1所示。通过对某公司现有起爆器起爆时间(如表2)进行对比可知,起爆速度有了较大的提高。

图8 放点管放电曲线

表1 新型冲击片雷管起爆系统起爆时间测量 单位:s

表2 某公司冲击片雷管起爆系统起爆时间测量 单位:s

6 结束语

本文设计的冲击片雷管起爆系统相比现有的起爆系统体积有了较大的缩小,起爆速率有了较大的提高,并且在起爆系统中加入了控制部分,起爆操作可通过开关灵活控制,能够在起爆结束后将剩余能量自动消耗,避免了操作人员忘记放电而对人身安全造成威胁的事故发生,确保了起爆人员的安全性,对冲击片雷管应用于武器系统有较大的现实意义。

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The Design on Slapper Detonator Initiating System of Miniature and High Efficiency*

WANGPeng1,2,MATiehua1,2*,CUIChunsheng1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory North University of China,Taiyuan 030051,China)

Existing slapper detonator initiating system has large volume and low efficiency,Aiming at these problems,through the analysing of slapper detonator initiation mechanism,selecting micro volume element and planning layout of the PCB board precisely,designed the high-efficiency voltage conversion circuit and ignition control circuit,completed the design of miniature slapper detonator initiating system,the system is mainly composed of power supply module,control module,boost module,storage module,priming circuit,discharge circuit and feedback module. Tested with a variety of different slapper detonator,and compared with the existing ignition system,the initiation system volume is greatly reduced,detonation velocity is improved,and the initiation is flexibly controlled,It does not appear error initiation,the system completed detonator explosion automatic consumption residual energy and make it more safe and reliable,It has great practical significance for slapper detonator to be used in weapon system.

slapper detonator;initiating system;volume;efficiency;initiation rate;safe

项目来源:山西省回国留学人员重点科研项目(2008003)

2016-06-07 修改日期:2016-07-19

C:8380

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.044

TP29

A

1005-9490(2017)02-0486-04