火工品电参数测试技术研究

张莉莉 吴永红 张月魁 马 琛 戴宜霖

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

火工品是装有火药或炸药，受外界刺激后产生燃烧或爆炸，以引爆炸药或做机械功能的一次性使用的元器件[1]。常用于引燃火药，引爆炸药，还可作为小型驱动装置，用以快速打开活门、解除保险及火箭级间分离等。随着对火箭(导弹)各项性能的要求越来越高，装载于箭(弹)上的火工品数量也在不断增加，通常包括发动机点火、级间分离、弹翼展开、尾翼展开等，火工品正常工作与否直接影响到火箭发射任务、导弹飞行情况及靶标的命中率。

火工品电参数对火工品来说是最重要的参数，它是决定火工品的特性和功能的重要指标，它的测试是一项重要测试内容。目前，火工品电参数的测试主要有阻值、电流的静态测试，对其熔断时间、回路电流及阻值瞬态变化特性尚无相应的测试规范及测试标准设备，因而现有测试不能满足对火工品性能指标的测试需求。

针对以上问题，本文根据火工品电参数特性，研制了火工品电参数测试系统，从火工品点火输出方法、火工品点火控制电路、点火回路电流测试、点火回路阻值测试、火工品桥丝熔断时间测试等方面对火工品电参数测试技术进行了论述。

2 系统组成

火工品电参数测试装置采用分体式设计结构，系统结构如图1所示。设备分为近端驱动设备与远端控制设备两部分，控制设备与驱动设备之间通过150m控制电缆连接，驱动设备与火工品之间通过点火电缆连接。测试系统框图如图1所示。

图1 测试系统框图Fig.1 Test system block diagram

用于火工品测试的仪器必须确保测试安全，除限制测试电流的大小外，系统还采取了各种措施来保证测试安全，防止意外引起的异常电流施加到被测对象上。开机时有自检功能；在电流接入端，器件电源端、电路板引出测试线缆端加限流电阻；机壳采用金属机壳，引出的测试线缆采用屏蔽线缆；电路板绝缘处理；控制电缆长达150米，实际操作中，线缆长度对测试没有影响，因此，采用较长电缆以实现远距离测量，确保测试操作的安全。

2.1 控制设备

控制设备由自检按钮、点火按钮、解锁旋钮、“自检好”指示灯、“充电好”指示灯组成，通过按键与旋钮开关实现点火电流输出功能操作。控制设备能通过自检按钮、点火按钮、解锁旋钮对电参数测试系统进行自检和点火的控制；控制设备能够对自检情况、近端驱动设备的充电情况进行检测，能够给出当前的充电情况，并且在控制设备通过充电好、自检好指示灯进行状态指示。

2.2 驱动设备

驱动设备主要完成负责火工品电参数测试系统的自检、点火、具备测试点火回路阻值功能，具备记录点火回路电流值功能，记录点火回路电流持续时间功能以及数据采集存储等功能。驱动设备测试原理框图如图2所示。

图2 驱动设备测试原理框图Fig.2 Driving device test schematic diagram

CPU板在PC104总线基础上通过FPGA控制时序及I/O口的输入输出，自检命令、点火命令的发送、驱动设备采集、存储数据的发送。驱动板输出10V、准确度0.5%的控制电压，控制点火电流输出， A/D采集卡将点火电流输出的电流转化为电压值，采样后传输到CPU，进行数据存储。

3 系统功能及实现

3.1 点火电流输出

火工品需要较大的点火电流和瞬间功率才能实现正常起爆。传统的火工品点火电路采用大容量供电电池直接放电的方法实现对电爆管的激活，由于大容量供电电池的质量和体积较大，在对质量和体积有苛刻要求的应用场合难于满足。因此，本文采用电容放电式火工品点火电路，体积小，重量轻。先给电容器进行充电，将火工品点火用的能量储存在电容器中，并利用电容的瞬间放电能力实现电起爆器的激活，可以达到减小点火电路重量和体积的目的。

储能电容的充电电压和放电电流是由时间常数控制并按指数规律变化的[2]。

电容的放电过程是电流和电压按指数规律衰减的零输入响应过程。其电压值按公式(1)计算

(1)

式中：Vt——t时刻电容上的电压值，V；V1——电容最终可充到或放到的电压值，V；t——电容的放电时间，s；R——电容放电回路的电阻值，Ω；C——电容的电容值，F。

根据公式(1)，本文选用容量为2.46×105μF，耐压值为50V的铝电解电容。当放电时间为140ms，由公式(1)得出电容放电后的压降为：Vt=13.6V。由主控板产生控制电压，工作零点时刻开始计时，驱动点火电流输出开启，且开始计时，CPU利用内部计时器，当达到所需时间时，程序产生中断，切断控制电压输出，点火电流输出关闭。CPU计时器精度为0.04μs，控制通断时间为0.4μs，完全满足点火电流时序要求。反馈控制电路时间常数约为1μs；运算放大器等模拟电路延时小于1μs；5m点火电缆的电流输出延时小于1μs,整个系统的传输延时小于10μs,即电流输出信号上升沿小于1ms。实现持续时间40ms，60ms，80ms，100ms，120ms，140ms：采用电容作为储能元件，其放电曲线如图3所示。

图3 电容放电曲线图Fig.3 Capacitor discharging curve

控制设备能够对近端驱动设备的充电情况进行检测，能够给出当前的充电情况，并且在远端控制设备进行状态指示。充电功能(充电状态、关闭状态)可控，充满后可切断充电电源。要求充电功能在控制设备上电初始状态为切断状态。

电容的充电过程是一个零状态响应过程，其充电电压按公式(2)计算。

(2)

式中：V0——电容上的初始电压值，V。

设计电容充电电路如图4所示，由公式(3)得出充电时间为

(3)

系统选用容量为2.46×105μF，耐压值为50V的铝电解电容作为点火电流输出的供电电源。状态检测由A/D采样卡采样电容电压，将结果上传至控制设备上位机控制器，显示出电容充满所需要的时间，并由CPU负责切断充电电路。

图4 电容充电电路Fig.4 Capacitor charging circuit

实际测试完全放电状态下，充电完成不超过3min。

点火电流输出设计由电压控制电流源输出点火电流，点火电流输出电路输出直流电流，在供电电压为24V时每路电流不小于10A，最大电流小于30A。点火输出电路由控制输入、反馈控制、电流信号放大和功率输出组成。点火输出电路图如图5所示。

图5 点火输出电路原理框图Fig.5 Ignition output circuit schematic block diagram

点火电流输出实测曲线图如图6所示。

图6 点火电流实测曲线图Fig.6 Ignition current test curve

3.2 点火回路阻值测试

电火工品的电阻检测必须在安全的条件下进行，一般要求其测量电流不大于10mA[3]。电阻的微小变化，其信号波动幅度只有微伏级，难以被精度不高的仪表检测。同时，传统测试方法受测量线缆以及测量中接触电阻影响，不能正确识别这种毫欧级的电阻变化。因此，要实现这种电火工品电阻的精密安全测试，首先要保证测试电流不大于规定值，同时还要采取更多的安全措施，保证测量安全性；再采取合适的方法来排除测量过程的影响，最后要实现高精度稳定测量。点火回路电阻值采集原理框图如图7所示。

图7 点火回路阻值测试原理框图Fig.7 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由于火工品的实际内阻通常很小，通常为1Ω左右，因而点火回路阻值测试采用四线接法(两个电流端、两个电压端)[4]。采用该方法可以抵消导线电阻和接触电阻引入的影响，实现高精度测量，提高阻值测量的准确度。图8为点火回路阻值测试四线接法。

图8 点火回路阻值测试四线接法Fig.8 Ignition circuit resistance four-line test

采用恒流模块输出1mA直流电流，用于点火回路电阻值测试。测试电路原理图如图9所示。

图9 点火回路阻值测试原理图Fig.9 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由图9可得被测回路压降VRx与测试电流I、回路电阻Rx之间的关系为

(4)

则被测回路的实际电阻值为

(5)

3.3 桥丝熔断时间测试

火工品桥丝熔断时间的测试通过系统自动采集点火回路取样电阻两端的电压值来判断熔断时间。点火时刻记为t0，当取样电阻两端的电压值为零时，即可判断为桥丝熔断，该时刻为t1，则该火工品的实际熔断时间即为t1-t0。 桥丝熔断时间测试原理框图如图10所示。

图10 桥丝熔断时间测试原理框图Fig.10 Bridge line fuse out time test schematic block diagram

火工品桥丝熔断时间测试U-t曲线图如图11所示。

图11 桥丝熔断时间测试U-t曲线图Fig.11 Bridge line fuse out time test U-t curve

4 结束语

火工品电参数测试是一项重要测试内容，它是决定火工品的特性和功能的重要指标。本文介绍了火工品电参数测试方法，搭建了火工品电参数测试系统，对火工品电参数测试技术进行了研究，完成了使用大电容实现点火电流的输出、用“四线”制测试方法对电火工品进行电阻测试、火工品桥丝熔断时间测试等功能，具有精度高、稳定性好、操作简单、质量轻、体积小、易于携带等诸多优点，可对各型号火工品进行点火回路电阻、点火回路电流、熔断时间等的测试。