冲击波超压测试系统的研究

冲击波超压测试系统的研究　冲击波超压测试系统的研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｅｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｂｌａｓｔ　Ｗａｖｅ　Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ　陈　萌　杨建宏　闰　磊　郝　俸　（中国航天科技集团公司四院四Ｏ一所，陕西西安７１００２５）　摘要：针对爆炸场测试现场的恶劣环境，详细阐述了冲击波超压测试系统组成、工作原理、技术指标、主要功能及传感　器选择，并成功应用于某试验产品殉爆试验，取得了可靠的数据。试验表明：该测试系统具有抗干扰性强、工作可靠、构建简　单、操作方便等优点，适用于恶劣环境下的爆炸现场冲击波超压测试。　关键词：冲击波，测试系统，超压测试　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｓｅｖｅｒｅ．Ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｗａｖｅ　ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｍｐａｔｈｅｔｉｃ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ，ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　Ｃｌａｔａ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｂｌａｓｔ　ｗａｖｅ　ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｅｓｔ　ｕｎｄｅｒ　ｓｅｖｅｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｔｒｏｎｇ　ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｌａｓｔ　ｗａｖｅ，ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｅｓｔ　导弹、火箭弹、爆破弹、云爆弹、战斗部冲击波测试试验，大多　记录冲击波的传播过程。　１　系统组成及工作原理　处于野外等恶劣环境中。试验仪器要在爆炸场爆炸瞬间产生的强　烈震动、强电磁干扰、高温、高压等试验环境中完成测试任务。目　前常用的冲击波超压测试方法主要有引线电测法和存储测试法。　冲击波超压测试系统从硬件上主要由压力传感器、冲击波　超压测试装置、同步时钟盒、千兆交换机、便携式计算机以及各　类线缆组成，系统组成如图１所示。　１．１系统工作原理　存储测试法是将传感器、电源、信号调理电路、存储器、核心　控制电路等模块封装在一个高强度壳体内，组成一个微型化测　试装盘，然后将测试装置按一定的方式布设在爆炸现场，在爆炸　之前将测试装置设置为上电工作状态，待爆炸完毕后回收测试　冲击波超压测试系统工作原理：系统开始工作时对自身各　个功能模块状态进行自检，确保系统的各个模块工作正常。自检　结束并且每个模块工作状态正常后，根据需要设置采样模式为　装置，进行事后数据读取、判读。存储测试技术具有体积小、低功　耗、抗干扰、不易破坏、不需要引线等特点，但实际应用中存在以　下不足：①无法实时监控系统状态，测试系统置于爆炸现场后，　瞬态采样，设置负延时时间和系统采样时间，系统进入自动循环　采样模式，等待外部触发信号。测试系统收到外部触发指令后，　进入瞬态采样模式，直至数据采集完毕。　１－２系统主要技术指标　输入方式：ＧＮＤ、ＤＣ（单端、差分）、ＡＣ；　Ａ／Ｄ转换器：１６位逐次比较Ａ／Ｄ转换器；　供桥电压：２Ｖ、５Ｖ、１０Ｖ、２４Ｖ分档切换；　连续采样速率：所有通道同时工作，最高采样率２５６ｋＨｚ／每　通道；　就无法确定系统状态；②冲击波超压信号时基不统一，即没有一　个作为冲击波到来的参照时间点；③部分将无线通讯技术运用　到存储测试中，无线控制平台距爆心的距离一般仅为几百米，因　此无线式测试系统存在误下电、意外掉电或误触发风险。　本系统采用引线电测法，即将压力传感器布置于爆炸测试　现场，信号记录仪及计算机设备置于远场的掩体内，测试信号通　过长电缆传输，采用断线同步触发、负延时技术和抗干扰设计，　解决了试验系统时基不统一、长电缆抗干扰能力差以及受电磁　干扰引发系统误触发的问题。虽然试验现场布线工作复杂，但试　验系统构建简单易行，可以快速完成测试任务并读取数据，可通　过测试结果来分析冲击波超压的大小和分布情况，而且能完整　同步时钟盒　瞬态采样速率：所有通道同时工作，最高采样率２０ＭＨｚ／每　通道；　共模抑制（ＣＭＲ）：不小于１ＯＯｄＢ；　　‘低通滤波器截至频率：１０Ｏ、１ｋ、１Ｏｋ、１００ｋ、ＰＡＳＳ分档切换；　触发方式：手动触发、外触发、信号触发（上升延、下降延、绝　对值触发）、定时触发。　１．３系统主要功能　里塑堡　＿＿］Ｉ冲击ｌｌ　～一ｆ【　冲击【恒厂一里　堡壁璺　　而蕊　｛置｛　｛置｛Ｌ．ｒ　千兆交换机　ｊ　。。。。。。。。。。。。。。　’—　—————　。。。。一　１）测压功能。利用压力传感器将冲击波超压信号转变成电　信号，并完成信号的放大、滤波及Ａ／Ｄ转换过程，将数据通过千　兆网直接存储到计算机硬盘中。　２）同步计时、同步触发功能。在爆炸试验现场布置多路测　点，每台测试装置测量通道有限，根据实际使用需求实现多台测　试装置级联工作，要想得到波阵面到达各测点的准确时间，就必　须为所有的测点建立统一的时标，因此采用时钟同步盒进行同　步数据采集，同步触发信号作为统一的启动信号。　３）试验前检测、参数设置和试验后的数据处理功能。试验前，　计算机对冲击波超压测试装置的工作状态进行检查，并设置采样　ｊ　千兆明线　便携式计算机　圈１　冲击波超压测试系统组成框图　频率、量程、信号输入方式、上限频率、桥压、灵敏度、物理量单位、　《工业控制计算机｝２０１５年第２８卷第１０期　触发方式以及负延时时间等参数。每次试验完成后，读取冲击波　超压测试装置的试验数据，并应用相应软件进行数据处理。　２传感器选择　２１　数据采集记录状态。断线触发只接受一次触发信号，有效防止了　爆炸区域电磁场对测试系统的干扰，增强了系统的可靠性。　３．３抗干扰设计　火药或炸药在爆炸、燃烧过程中伴有较强的电磁场、强闪光，　传感器是冲击波超压测试的核心部件，当前所用的传感器　主要有３种类型：应变式压力传感器、压电式压力传感器和压阻　式压力传感器。应变式压力传感器的工作频响较低，很难满足冲　击波超压信号的测试要求。　压电式压力传感器有高达１Ｏ０￣４００ｋＨｚ的固有频率，可使用　频率为其值的１／５￣１／１０。除了在某些超高频响的要求中尚有不足　给试验参数测试的传感器、电缆、测试设备等造成不同程度的干　扰，干扰信号叠加在冲击波超压信号上，使冲击波超压值不能准　确判读，为了有效防止各类干扰的影响，采取以下抗干扰措施。　１）爆炸过程中伴随着强闪光，对于远场测试，光强度有限，不　足以产生足够强的干扰，对近场测试，强闪光是一个很强的干扰。　之外，多数情况下，上限响应频率足够。压电式压力传感器缺点如　、　下：　输出阻抗高造成上升时间偏大，在　数量级，满足不了高　因此，选用最新研制的压阻式压力传感器，它采取两个措施　解决了高频动态压力传感器光干扰问题：①在双面抛光硅片背面　速上升脉冲前沿精确测量的要求。②低频响应较差，得不到较好负　压曲线，也不利于静态校准，有文献表明，冲击波负压也能造成伤　害，因此负压测试也很重要。③信号转换处理较复杂，成本高，极易　引入难以克服的噪声，对连接传感器和电荷放大器的电缆、接头的　绝缘性要求较高，试验过程中出现信号异常的机率较高。　近年来，随着微纳米技术的ＭＥＭＳ设计与工艺技术的极大　进步，压阻式压力传感器的固有频率高达５００－９００ｋＨｚ，量程范　围可覆盖从０～６ＭＰａ至Ｏ一１００ＭＰａ的宽量程，上升时间小至　０．１—０．５　ｓ，信噪比波形好，不扰动流场尺寸小至４￣３ｍｍ或薄至　２ｍｍ的微型外观，耐１Ｏ００￣Ｃ以上瞬态超高温可达１Ｏ０－２００ｍｓ。　传感器的静态标定精度指标一般为Ｏ｜２％－０．５％ＦＳ。而且西方先　进国家在动态测量军标中建议优选压阻式压力传感器，有文献比　对了压电式和压阻式动态压力传感器的激波管试验波形，从试验　波形可以看出，一只一般优良的压阻式压力传感器的动态波形可　以达到作为标准的优良压电式压力传感器的动态波形。　经综合考虑，传感器选择型号为ＣＹＧ４１０Ｏ０ＺＹＣ的压阻式　动态压力传感器，该传感器的特点是：采用国际标准信号Ｏ～５Ｖ　或４￣２０ｍＡ输出，体积小、重量轻、长期稳定性好。传感器主要　技术指标见表１：　表１　传感器主要技术指标　量程　０～４０　输出信号范围　Ｏ￣５ＶＤＣ　固有频率ｋＨｚ　≥ｌＯＯＯ　补偿温度范围　一ｌＯ℃～６０℃　使用频率ｋＨｚ　≥２００　使用温度范围　一２０℃～８Ｏ℃　供电方式　±１２～１５ＶＤＣ　灵敏度及零位温度系数　≤ｌ　０Ｘｌ０＿４／℃・Ｆ・Ｓ　３关键技术　３．１负延时设计　试验现场测试准备时间较长，为了保证爆炸时刻冲击波超　压数据的完整性，试验系统在测试过程中采用了负延时设计。　负延时实现原理：将两片闪存存储总容量分为两个部分，测　试系统未触发时，数据被循环记录在第一个部分，旧的数据不断　被新的数据替换；当测试系统触发后，负延时计数器开始计数，　数据转向第二部分开始进行顺序记录。第一部分记录的是系统　触发之前的数据，第二部分记录的是系统触发之后的数据。负延　时时间根据设计要求确定。记录完毕后系统进入休眠状态，等　待读数和擦除。负延时功能可以将触发前的一段信息保存，从而　得到完整的超压测试曲线。　３．２触发设计　冲击波超压测试环境复杂多变，爆炸时刻噪声、干扰信号可　能引起测试系统的误触发。为了能够可靠引爆试验产品、确保触　发精度，防止误触发，测试系统采用断线外触发模式。断线外触　发是在试验产品上绑触发导线，当试验产品引爆时，连接于试验　产品的触发线断开，测试系统收到触发线断开信号后，进入瞬态　溅射光亮薄膜减小光透过率；②在硅片中心加金扩散办法，增加　硅片中的复合中心，加快光生载流子的复合速度以减小其寿命。　２）在爆炸过程中，急剧的氧化燃烧反应迫使氧等离子化，产　生大量的负离子。负离子在参加氧化燃烧反应的同时，也随空气　的急剧膨胀高速喷射出去，从而形成一定频谱的电磁场，该电磁　场随着距离迅速衰减，传感器远场测试时，超压值很小可以忽　略。由于电磁波传播速度远远快于冲击波波阵面传播速度，因此　电磁波几乎在起爆的同时就到达了传感器安装位置，电磁波的　干扰信号会通过传输线缆叠加在冲击波超压信号上，影响超压　值的准确判读。采取的措施是将近场的测试线缆进行地埋处理。　将测试设备置于地下掩体，对传感器、测试设备及其线缆进行屏　蔽处理，有效抑制了电磁波和负脉冲干扰。　３）爆炸过程中冲击波除了作用到传感器敏感面上，也会作　用到传感器结构上，引起传感器及其安装支座的振动，该信号也　叠加于传感器冲击波超压信号上，对测试结果产生影响。采取的　措施是将压阻式压力传感器通过螺纹安装在钢板上，钢板四周　通过地脚螺栓进行固定，钢板周围用土填实，该隔振、减振措施　有效抑制了振动干扰。　４）冲击波超压测量时，爆炸产生的杂物也会影响冲击波流　场，导致冲击波超压信号发生畸变，因此，试验场地尽可能平坦、　坚硬，尤其是安装的钢板及其传感器、传感器表面及其周围环境　一定要清理干净，以防现场沙石或其它物体的干扰。　４试验布局及结果分析　４．１试验场地布局　将试验产品置于距离地面１ｍ的弧形支架上，以试验产品的　重心在地面上的垂直投影点为爆心，在爆心相对垂直的两条射线　上布置地面压力传感器，传感器分别布置在距离爆心１Ｏ、２Ｏ、３０、　４０、５０、６０、８０、１００、１２Ｏ、１４０、１７０、２０ｏ、２５０、３００ｍ处，每个测点　布置两个相同量程传感器，传感器敏感面向上，与地面平齐。　＿　Ｖ：　图２某距离处冲击波超压测试曲线　（下转第２３页）　《工业控制计算机）２０１５年第２８卷第１Ｏ期　４５Ｈｚ，此阶段Ｂ补偿量＋Ｃ补偿量控制要求是水位下降，不容许　模糊集合。总的规则对应的模糊关系Ｒ就是ｎ条规则对应的模　水位上升，但是输出频率不会超过５０Ｈｚ。　糊关系。在评价阶段，对推理段计Ａ，Ｂ和Ｃ算出的｛ｎｂ，ＦＩＳ，ＺＯ，　２模糊控制程序的设计　ｐｓ，ｐｂ｝进行累加，得到如下：输出频率＝Ａ预设定＋Ｂ补偿量＋Ｃ　２．１模糊控制程序输入输出的评估　补偿量。得到最终补偿评估后的输出。以Ａ＝Ｏ，Ｂ＝０．３。Ｃ＝０．１为　由于要实现安全水位下与Ｑｏｕｔ约等于Ｑｉｎ理想排水组合，　例，则可通过模糊控制器得到最终输出精确值：Ｆ＝３７Ｈｚ。至此。　泵站进水池的水位应稳定在一个的区域内，同时扬程也基本稳定，　当模糊控制器的输人变量／ｋｈ＝０．５，ｈ＝０．３时，输出的控制结果　并评估出最佳节能值。因此，选择水位安全区域偏差Ａ、水位偏差　为：变频器输出３９Ｈｚ。当模糊控制器的输人变量／ｋｈ＝一０．３，ｈ＝一　变化Ｂ和水位变化率Ｃ作为模糊控制器的输人。在输出变量的选　０＿２时，输出的控制结果为：变频器输出３２Ｈｚ。　择上，选择变频器的输出频率Ｆ作为模糊控制程序的输出。　２．４测试结果分析　２．２模糊化和规则库的建立　将所设计的模糊控制变频柜应用到排水泵站中，并进行测　要进行模糊化，首先需选择输人变量的隶属度函数，选择三　试记录，得到泵站进水池水位长期稳定在３０Ｈｚ范围左右，水位　角形隶属度函数和梯形隶属度函数。输人变量Ａ、Ｂ和Ｃ的隶属　在２—４范围内，４５ｋＷ排水泵输出功率为１２．５ｋＷ，节能率　度函数如图。以所要达到的控制目标为依据，产生了模糊控制策　７２％，根据流量计测出排水量计算出排放单位水量节能比率为　略如图１［１］：　４３．２％，而且泵运行噪音小，排污量稳定。泵站水位安全范围为　面函习　２．５ｍ＜ｈ＜５ｍ，水位变化率允许范围为一０．２＜Ｂ＜０．２（ｍ／ｓ）。在泵　连接曲夏管谬话　分盎　恬的内容　箍毫越剜袁　连续醣箍出盏　站进水量不为零的有干扰情况下，调节相应时间为２０ｓ采样评　Ｉ　ｌ　ＩＦ（＾蚺Ｐ）　ＴＨＤＥ　ＮｃＢ估，系统快速响应污水流量波动，不会出现污水溢出，稳态误差　ａ－Ｂｆ・睁）８　＾岫（Ｃ－∞）　为Ｏ＿５ｍ左右，其调节速度完全满足排水系统要求。由ＰＬＣ实验　：　仿真结果可知，在水位突变的情况下，控制系统能快速调节泵站　——————］　－　　ＩＦ　・＾Ｐ）　Ｄ佃－日ｐ】＾＿Ｄ札－　）　　ｌＩＦ　“　＂ｒ＾Ｈ＿ＥＤＨ：　【口日　・ⅫＨ）Ｄ　＾岍啦　Ｆ］　进水池水位，实现保证耗能最小和污水水位安全的目标。　３结束语　ｒ　＿．ａ‘ＳｈＩ￣ＬＬ　应用表明，模糊控制技术具有响应速度快、节能率高、安全　—————］　，　稳定的优越性，此模糊控制系统变频装置成功运用于泵站水泵　｝峥　变频调速系统中。　图１模糊控制策略　参考文献　由于在模糊控制器的输人空的隶属度函数的隶属度函数问　［１］何中杰，汪昆，汪雄海．污水排放系统优化控制机理及策略［Ｊ］．电工　中，输人变量Ａ，Ｂ和Ｃ分别有５个，５个和３个语言变量值可取，　技术学报，２００６，２１（５）：１１７—１２１　应此，根据泵站水泵操作人员的经验，可以产生７５巧条控制规则。　［２］诸静．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：中国机械工业出版社，１９９５：　４０５－４２０　２．３模糊推理　［３］马训华．模糊控制、变频调速技术在发电厂凝结水系统中的应用［Ｊ］．　“ｌｆ　Ａ　Ａｎｄ　Ｂ　Ａｎｄ　Ｃ　ＴＨＥＮ　ｏｒ．”类型的推理规则是实际模　锅炉技术，２００７（２０）　糊控制器最常用的规则形式。设Ａ、Ｂ、Ｃ分别是论域Ｕ、Ｖ、Ｗ上　［收稿日期：２０１５．６．８］　的模糊集合。Ａ、Ｂ和Ｃ是模糊控制器的输人模糊集合，０Ｌ是输出　君　穹　名　－、　ｅ　ｅ　．、　＇、　－、　－、　＾ｒ　－、　ｅ　多　．、　＾ｌ吧　Ｎ’‘＼　’　（上接第２１页）　５结束语　４．２试验结果分析　冲击波超压测试系统应用于某试验产品的殉爆试验中，试　在某试验产品殉爆试验中，使用冲击波超压测试系统测试　验结果表明，该系统采取负延时、断线同步触发以及抗干扰设　了距离爆心不同距离处的冲击波超压值，测试过程中，系统可靠　计，有效解决了系统时基同步、可靠触发以及长电缆传输干扰问　运行，获得完整的冲击波超压测试数据，图２为某距离处的冲击　题，系统具有构建简单、操作方便、稳定可靠、抗干扰能力强等优　波超压测试曲线，由图２可以看出冲击波超压峰值符合冲击波　点。在爆炸环境恶劣的条件可较好地完成冲击波超压测试任务，　衰减规律。图３为冲击波超压实测值与理论值对比曲线，实测值　获得了准确完整冲击波超压曲线，与爆炸理论的压力曲线基本　与理论计算结果基本吻合，满足试验测试要求。　吻合，该系统在其它爆炸测试领域具有很好的应用前景。　参考文献　［１］皇家蓉，王幸，吴飚．冲击波超压测量影响因素探讨【Ｃ］∥第六届全　国工程结构安全防护学术会议论文集，２ｏｏ８：１５５－１５９　［２］郭宏，王冰，庄家局，等．压阻式高频动态高压传感器设计与冲击波超　压测量［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００８，９（５）　［３］樊莉，杨卫军，方秦．基于无线传感器网络的冲击波场测量系统设计　［Ｊ］．四川兵工学报，２０１４，３５（６）　［４］张海龙，马铁华，谢锐，等．基于双闪存的大容量冲击波超压测试系统　［Ｊ］电子技术应用，２０１３，３９（１　１）　［５］刘亮，马铁华，尤文斌．低功耗冲击波超压测试系统设计［Ｊ］．电子器　图３冲击波超压实测值与理论值对比曲线　件，２０１３，３６（２）　［收稿日期：２０１５，５．１９］