冲击波测试系统统一时基的断线触发方式

刘嘉慧，崔春生，刘双峰，刘 丁

(中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

0 引言

分布式冲击波超压测试仪是战斗部静爆毁伤威力测试的重要测试装置，采用存储测试技术，测试仪均可单独工作，使用灵活，抗干扰能力强得到广泛应用,成为当前国内外冲击波测试的主要手段[1-2]。由于静爆实验中，需要多台测试仪配合工作，布设数量多，位置分散，不同测点冲击波到达时刻差异大，测试时间基准不统一，导致测试工作不协调，无法获取同时基下的时间参数，且测试结果随机性大，一致性差，缺乏可比性[3]。而多测点时基能否同步是由测试系统的触发方式决定的，针对上述问题，结合存储测试技术，提出了冲击波测试系统统一时基的断线触发方式。

1 触发方式选择

目前，分布式冲击波超压测试仪常用的触发方式主要有内触发、无线触发、光学触发、断线触发四种触发方式。

内触发方式利用冲击波脉冲幅值达到设定阈值而产生触发信号，因各测点布设方位、距离不同，冲击波幅值与冲击波到达时间差别大，无法做到统一触发和时基同步[4]。采用无线触发方式的测试系统通过接收无线传输的触发命令进入触发状态，装置无需引线，但需预触发，因此无法准确获取炸点时刻及冲击波传播时间，且对于封闭的测试环境，触发可靠性不强。采用光学触发方式的测试系统以战斗部爆炸产生的强光信号经光电转换及信号调理为电信号触发，抗电磁干扰能力强，但易受非爆炸光、破片、烟雾等因素干扰导致误触发，且光敏元件、光电转换器件极易受损，适用性不强[5]。

对比以上三种触发方式，断线触发通过控制触发线通断为测试系统提供触发信号，方式简单有效，触发同步，时基统一，实用性强，适用于多测点冲击波静爆毁伤实验。

2 冲击波测试系统统一时基的断线触发方式

2.1 触发原理

稳定可靠统一的时间参考量对多套测试装置迅速、精准、一致地进行数据采集和数据存储有着决定性作用。

断线触发原理在于多台测试仪共用一条触发线，且由触发线接口等长度接至各测试仪，试验前将触发线一端缠绕在战斗部表面或置于战斗部附近[6]，战斗部爆炸瞬间触发线被断开，产生触发信号，作为测试仪捕获数据的作用时间零点，示意图如图1。

图1 断线触发示意图Fig.1 Schematic diagram of breaking trigger mode

2.2 硬件设计

实爆过程常伴随高强度电磁脉冲，电磁噪声作用于外接线缆及测试电路，影响其信号调理、数据采集和存储，甚至导致误触发、短暂性工作中断或信号错乱，最终影响测试结果和测试精度[7]。

为防止电磁噪声随触发线进入测试系统干扰测试过程，采用双层屏蔽双绞线缆为触发线，为测试仪配置光电隔离及电源电压隔离元件，并在设计测试电路PCB图时优化电路元器件布置，利用布线技术改善电磁干扰，最后将传感器、放大调理电路、存储模块集成，整体组装并灌封在封闭的高强度钢壳体内[8-9]。文中选用HCPL_2631光耦元件，该光耦内置超高速集成光电检测器逻辑门，响应速度为10 MBit/s，提供CMR(Common Mode Rejection，共模抑制)为10 kV/μs，硬件电路图如图2所示。战斗部瞬间炸断触发线，从而使光耦引脚7的输出电平由低变高，产生一个近似的阶跃信号，作为系统断线触发信号。

2.3 断线响应时间

系统断线触发响应时间，从触发线断裂时刻起，由电信号传播时间、光耦模块响应时间和系统中断响应时间三部分组成[9]，即

T=Tt+To+Tb

(1)

式(1)中，T为系统断线触发响应时间，ns；Tt为电信号传播时间，ns；To为光耦模块响应时间，ns；Tb为系统响应时间，ns。

2.3.1电信号传播时间

理论上，电信号在触发线中的传播速度近似光在真空中的传播速度，约为3×108m/s。以大当量战斗部静爆冲击波超压测试实验为参考，测点布设距爆心的最大距离一般不超过20 m，以20 m布线距离计算，电信号在线缆中的传播时间Tt约为67 ns。

2.3.2光耦模块响应时间

查阅HCPL_2631光耦元件使用手册可知，该元件响应时间最大值为75 ns，最小值20 ns，典型值为45 ns。

2.3.3系统中断响应时间

接收中断信号后，程序需要一定的响应时间，响应时间长短取决于进入程序循环的语句位置及语句条数。为缩短系统响应时间，提高响应速率，将指令语句精简至6条。根据公式：

(2)

式(2)中，Tb为系统中断响应时间，ns；fMCLK为主时钟频率，MHz，文中所用频率为8 MHz；m为执行语句条数；n为执行语句的机械周期数，文中测试系统每条语句的执行周期为2个机械周期，计算系统响应时间Tb为0.25～1.5 μs。

因此，理论上，测试仪断线触发响应时间T为0.362～1.612 μs。查阅文献及相关测试数据可知，冲击波传播时间为毫秒级，远大于该测试系统断线触发响应时间，断线触发方式可行。

2.4 时间参数

炸点时刻、冲击波传播时间是冲击波物理学和爆炸物理学的重要研究内容，也是脱靶参量计算、引战配合性能评价的主要时间参考依据[10]。

其中，炸点时刻为战斗部爆炸瞬间在冲击波测试仪的记录时刻，是系统触发时刻与系统断线响应时间差，即

Ts=Tr-T

(3)

式(3)中，Ts为炸点时刻，μs；Tr为触发时刻，是系统检测到置高触发标志位所在时刻，μs；T为系统中断响应时间，μs。

冲击波传播时间为战斗部自爆炸至冲击波传播到该测点的传播时间，是冲击波到达某测点传感器敏感面时刻与炸点时刻的时间差，即

Tt=Ta-Ts

(4)

式(4)中，Tt为冲击波传播时间，μs；Ta为冲击波到达传感器敏感面时间，μs；Ts为炸点时刻，μs。

因此，在触发时刻这一时间作用零点统一这一前提下，才能保证各套测试仪到达时刻的可参考性，才能保证冲击波传播时间数据的有效性。

在此基础上，在冲击波传播方向上，辅助测试仪前后安装两个传感器，即可根据冲击波传播时间得出冲击波在该测点的平均传播速度，进一步，可利用兰金-雨贡纽方程推算出该点理论超压峰值[11-12]，这不仅能够验证该条数据准确性，而且能够通过计算实测值与理论值误差来不断修正和改进实验方法，提升测试精度[13]。

3 实验验证

3.1 光耦响应时间测试

对五个光耦元件进行响应时间测试实验，采用同一接线方式并在同一时刻断开信号线，其输出响应曲线如图3，测试结果如表1所示。

图3 光耦输出响应曲线Fig.3 Output response curve of optocoupler

序号响应时间/ns145247346446546

由表1可知，实测光耦响应时间最大值47 ns，最小值45 ns，典型值46 ns，均值46 ns，To取值46 ns，与理论值偏差1 ns，在误差允许范围内。

3.2 时基同一性验证

为验证测试系统触发时刻的时基同步性，本文以引燃鞭炮模拟战斗部引爆现象，炸断触发线，为测试系统提供触发信号；以信号发生器发出幅值为1.5 V，频率为1 kHz，占空比为50%的方波信号作为输入信号进行时基统一性验证实验。

实验前为各测试装置安装传感器，进行触发线、信号线连接等准备工作。为保证触发信号统一，所有测试仪共用一条触发线。为保证输入信号一致，将各测试仪信号输入端连接同一个信号发生器信号输出端，以幅值为1.5 V，频率为1 kHz，占空比为50%的方波信号作为模拟实验的“冲击波信号”。测试仪装配完毕后，引燃鞭炮，测试仪被触发，打开信号发生器的信号输出开关，给出方波信号，待测试仪数据存储结束，读取测试数据并统计各数据的触发时刻、到达时刻，计算传播时间。

选定1#测试仪作为参考装置，计算N#测试仪与参考测试仪传播时间差值，即触发时刻时间误差，根据该误差判断触发时刻统一性。试验原理如图4，测试结果如表2所示，其中，Tr-N为N# 装置的触发时刻，T1-N为N#装置信号到达时刻，即信号由低电平置位高电平时刻，T2-N为N#装置触发时刻至信号到达时刻的时间长度，T2-N=T1-N-Tr-N。ΔTN为该测试装置与参考测试仪传播时间差的绝对值，ΔTN=|T2-N-T2-1|。

图4 触发时刻时基同步性验证原理图Fig.4 Time-base synchronization verification diagra-m at trigger time

Tab.2 Experimental data μs

由表2可知，信号到达时刻误差小于3 μs，可视为同时到达，分析该误差来源为各元器件电气结构存在微小差异造成。由ΔTN可知，实际测试时，各测试仪与示波器测得触发时刻时间差在2 μs以内，且误差小于1 μs，与理论值相符，视为多套测试仪触发同步。

3.3 实爆实验

测试系统经标定及多次模拟试验联调，在现场对2 kg药柱进行冲击波超压测试。根据《静爆试验方案》，设置爆心高度为50 cm，在距爆心地面投影点2 m、3 m、4 m处分别布置5个地面反射压测点，具体测点布设如图5所示。

图5 测点布设示意图Fig.5 Layout of measuring points

系统上电后，通过无线通信对测试仪进行参数配置，保证触发前各测试系统统一时基。战斗部爆炸后，待数据采集完毕且排除场地危险，回收测试仪，并用上位机软件读取测试数据。如图6为距爆心2 m处2#测试仪测取到的原始数据曲线。实验装置均成功捕获有效数据，测试结果如表3、表4所示。

图6 原始数据曲线Fig.6 The original data curve

装置号距爆心距离/m到达时刻/μs2#21 5284#32 7905#44 449

表4 相同测距测点的测试数据

由表3可知，随到爆心距离的增加，测点的信号到达时刻时间延长，原因在于随着冲击波的传播，其能量逐步降低，传播速度有所减慢，该变化符合传播规律。由表4可知，触发时刻作为装置数据采集零点，距爆心相同距离的测点冲击波到达时刻基本一致，误差在1～3 μs。结合实际分析误差原因，测点受位置布设误差、外部物理环境如温度、风向风力、压强等因素影响，导致响应时间存在微小区别。

为描述测试结果分散性及测试结果质量，引入不确定度，用两类方法评定，即依据被测数据统计分析的A类评定方法和依据经验及先验信息的B类评估方法。结合实验数据分析统一距离下测点到达时刻的时间不确定度，采用标准不确定度的A类方法评定，用算数平均值的标准差表征，计算结果为1.53 μs，误差在测试允许范围内，测试结果可靠有效，证明系统时基统一性良好。

4 结论

本文提出了冲击波测试系统统一时基的断线触发方式，该方式利用战斗部爆炸毁伤作用炸断触发线为多台冲击波测试仪提供同一外触发信号，实现了测试仪时间基准的统一，解决了同一时基下炸点时刻和冲击波传播时间不易测取问题。实验表明，采用断线触发方式的测试系统具有快速响应特性，响应时间小于2 μs；测试仪断线触发统一性高，多台测试仪触发时刻误差小于1 μs，时基统一，测试精度及可靠性均满足工程要求，且实现了同一时基下炸点时刻和冲击波传播时间的测取和计算，在静爆毁伤试验中有着良好的应用前景。