基于無(wú)線控制的爆炸場(chǎng)多參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

許其容，尤文斌，馬鐵華，李婉蓉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

基于無(wú)線控制的爆炸場(chǎng)多參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

許其容，尤文斌，馬鐵華*，李婉蓉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

針對(duì)大威力武器、彈藥等研制與試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)毀傷程度進(jìn)行評(píng)估的需求，介紹了一種基于無(wú)線控制的通用型多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，可分別對(duì)彈藥爆炸時(shí)的壓力、溫度、爆炸時(shí)刻以及加速度的測(cè)量。它由傳感器與模擬適配模塊、電源管理模塊、采集編碼與存儲(chǔ)以及無(wú)線通訊模塊組成。通過(guò)靶場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效捕獲多種參量，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制與數(shù)據(jù)傳輸。

沖擊波;存儲(chǔ)測(cè)試;無(wú)線控制;爆炸場(chǎng);多參數(shù)多測(cè)點(diǎn)

爆炸是大量的能量突發(fā)性釋放，除壓力(沖擊波)急劇上升外，通常伴隨發(fā)光、發(fā)熱、破片等現(xiàn)象［1］。爆炸場(chǎng)中的測(cè)試裝置在爆炸發(fā)生時(shí)要受到瞬態(tài)強(qiáng)光、瞬態(tài)高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)、破片引起的強(qiáng)沖擊、地震波引起的振動(dòng)等的影響，因此，對(duì)爆炸場(chǎng)的瞬態(tài)高溫、高壓、加速度等多參數(shù)的測(cè)試是作為評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)殺傷力的有效手段［2］。當(dāng)前，廣泛應(yīng)用的爆炸場(chǎng)多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)有引線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法。引線電測(cè)法是在諸如戰(zhàn)斗部靜爆、炮彈、火箭彈或?qū)椀葎?dòng)爆特殊測(cè)試環(huán)境下，通過(guò)測(cè)點(diǎn)布置傳感器，通過(guò)電纜將信號(hào)統(tǒng)一接入采集系統(tǒng)［3］。這種測(cè)試方法存在的不足是:①干擾噪聲大。②現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)不方便。存儲(chǔ)測(cè)試法是將傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、控制電路、接口電路以及電源等集合在一起，組成一個(gè)微型化測(cè)試系統(tǒng)［4］。該方法依然存在的不足是:①無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。單存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)外接電纜又存在無(wú)法準(zhǔn)確掌握各個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，存儲(chǔ)電路觸發(fā)量程不易設(shè)置，多個(gè)裝置無(wú)法具有統(tǒng)一測(cè)試信號(hào)的作用時(shí)間零點(diǎn)信息。②不能第1時(shí)間獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)結(jié)束后需要回收記錄裝置讀取數(shù)據(jù)?；厥者^(guò)程可能存在耗時(shí)長(zhǎng)的不足。

為提高測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估炸藥的毀傷效能的存活性、可靠性、便捷性，研制了一種基于無(wú)線控制的爆炸場(chǎng)多參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［5-8］與存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)融合，在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)電路同步觸發(fā)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋▓?chǎng)遠(yuǎn)距離多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。準(zhǔn)確測(cè)量爆炸產(chǎn)生的各種沖擊波超壓、振動(dòng)加速度信號(hào)、爆炸溫度、時(shí)間等參量［9-11］，彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的不足，實(shí)現(xiàn)了具有無(wú)線控制功能和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臎_擊波場(chǎng)多參數(shù)多測(cè)點(diǎn)測(cè)試新方法。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本測(cè)試系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試探測(cè)頭和遠(yuǎn)端主控臺(tái)組成，兩者之間通過(guò)無(wú)線模式進(jìn)行通信。探測(cè)頭具有抗高壓、抗高沖擊、抗高溫特性，用于測(cè)量溫度、振動(dòng)、壓力、爆炸時(shí)刻的探測(cè)頭分別布設(shè)于爆炸場(chǎng)內(nèi)，在試驗(yàn)作用前主機(jī)通過(guò)無(wú)線設(shè)置各智能探測(cè)頭的采樣參數(shù)掌握探頭的狀態(tài);在爆炸過(guò)程中屏蔽無(wú)線信道，在爆炸過(guò)程結(jié)束后，多參數(shù)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊信道，控制接收各個(gè)智能探測(cè)頭壓縮和加密后的測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行解壓、解密及相應(yīng)的顯示和存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

2 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

2.1 電源管理電路

由于沖擊波測(cè)試環(huán)境比較惡劣，系統(tǒng)體積和功耗受到限制，并且各模塊之間上電需遵循一定的順序，否則會(huì)因上下電不合理導(dǎo)致誤觸發(fā)，空采等現(xiàn)象。因此本系統(tǒng)采用Xilinx公司的CoolrunnerXPLA3系列芯片XCR3064設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗、低噪聲、高效率的可編程電源管理模塊，使電路上電順序?yàn)槟M適配電路、晶振、光模塊、數(shù)字板、通信模塊。這樣就能保證模擬適配電路完全上電以后數(shù)字電路才上電，避免上電瞬間模擬信號(hào)過(guò)大而引起電路的誤觸發(fā)。為防止在測(cè)試過(guò)程中意外關(guān)閉電源，實(shí)行延時(shí)下電控制，利用CPLD編程實(shí)現(xiàn)延時(shí)6 s下電，沖擊波信號(hào)從爆炸起始測(cè)點(diǎn)的用時(shí)均在1 s以內(nèi)，保真在爆炸前5 s發(fā)生誤關(guān)電操作存儲(chǔ)電路也能采集到完整的參數(shù)。

2.2 存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

本裝置是集傳感器、模擬適配電路、電源管理電路、采集存儲(chǔ)電路、USB接口電路和無(wú)線模塊為一體的測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)各個(gè)探測(cè)頭而言，數(shù)據(jù)采編存儲(chǔ)模塊是相同的，不同探測(cè)頭僅傳感器和模擬適配模塊不同。通過(guò)更換傳感器及適配模塊完成不同信號(hào)的測(cè)試，測(cè)試電路具有通用型。通過(guò)更換傳感器及適配模塊完成不同信號(hào)的測(cè)試，測(cè)試電路具有通用型。數(shù)據(jù)采編存儲(chǔ)模塊由單片機(jī)結(jié)合CPLD共同協(xié)作完成。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采編模塊框圖

3 無(wú)線通信的設(shè)計(jì)

本文采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)形式，即一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)無(wú)線傳感器從節(jié)點(diǎn)相互通信的組網(wǎng)方式。在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，無(wú)線模塊的作用主要是完成主機(jī)與探測(cè)頭之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，從而對(duì)探測(cè)頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)。這些功能用無(wú)線模塊進(jìn)行操作，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、使測(cè)試系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單、控制方便、增加了系統(tǒng)可靠性、減少了外界干擾等。

由于無(wú)線模塊和測(cè)試系統(tǒng)之間需要完成數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)，并且都是模擬量的電信號(hào)，這種信號(hào)在測(cè)試環(huán)境惡劣的爆炸場(chǎng)是極端容易受干擾的，若此信號(hào)受到干擾，將會(huì)造成系統(tǒng)誤觸發(fā)、測(cè)試信號(hào)受噪聲干擾大等使測(cè)試失敗。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于短光纖傳輸信號(hào)的通信模塊電路。光纖傳輸包括損耗小，速率高，成本低，保密性好，價(jià)格低廉，傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線模塊與測(cè)試電路之間采用光纖通信，極大地提高了數(shù)據(jù)的精度，避免電信號(hào)被干擾。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，測(cè)試裝置與無(wú)線模塊之間傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，因此我們選用武漢元?jiǎng)?chuàng)光電科技有限公司OCB6343/OCB2343型收發(fā)合一光模塊。該模塊為SC插拔式光接口，多模單纖雙向光收發(fā)一體，單+3.3 V供電，接口電平兼容標(biāo)準(zhǔn) TTL電平和CMOS電平，極低功耗設(shè)計(jì)，傳輸速率低至直流，上限速率可選，最高可達(dá)10 Mbit/s，可以有效地防止外界噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)誤觸發(fā)以及外界噪聲疊加在信號(hào)中進(jìn)入A/D采集電路中。其通信電路連接框圖如圖3無(wú)線通信探測(cè)頭狀態(tài)圖如圖4所示。

圖3 通信電路設(shè)計(jì)框圖

圖4 無(wú)線通信探測(cè)頭狀態(tài)圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果

本測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和多次模擬試驗(yàn)后，在靶場(chǎng)進(jìn)行了TNT實(shí)爆試驗(yàn)，分別將探測(cè)頭分布在距爆心3 m和10 m的圓弧上，爆心離地面高度為1.5 m，主控臺(tái)置于離爆心300 m的掩體內(nèi)。打開(kāi)探測(cè)頭電源，無(wú)線開(kāi)關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)主控設(shè)備及筆記本電腦，通過(guò)無(wú)線通信對(duì)探測(cè)頭進(jìn)行自檢和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，炸藥爆炸后，主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)裝置分布及安裝如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖

本次試驗(yàn)分為1 kg TNT和3 kg TNT兩次試驗(yàn)，分別捕獲了有效數(shù)據(jù)，表1為3 kg TNT當(dāng)量作用下多種探測(cè)頭所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。圖6為3 m處10#壓力探測(cè)頭和14#振動(dòng)探測(cè)頭所測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸讀取到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)濾波等處理后的曲線。

表1 3 kg TNT試驗(yàn)多種探測(cè)頭數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖6 試驗(yàn)測(cè)試曲線

從表1可以看出不同測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度和加速度基本符合衰減規(guī)律，同時(shí)可以看出相同距離的測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)間基本一致，爆炸時(shí)的閃光信號(hào)作為所有探測(cè)頭接收信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)［12］，可根據(jù)爆炸時(shí)刻信號(hào)到達(dá)時(shí)間與壓力探測(cè)頭信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值估算超壓的傳播速度。由圖6可以看出該系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在測(cè)試中的可靠性和實(shí)用性。

5 結(jié)論

本文提出了基于無(wú)線控制的爆炸場(chǎng)多參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試方法，經(jīng)試驗(yàn)表明該測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，靈活多用，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境惡劣的爆炸場(chǎng)中能夠完整存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。多類型多測(cè)點(diǎn)的測(cè)試裝置，快速便捷的獲取爆炸場(chǎng)各類參數(shù)，能更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)爆炸場(chǎng)的毀傷效能。因此，該系統(tǒng)在爆炸測(cè)試系統(tǒng)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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許其容(1987- )，女，漢族，四川瀘州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器，xurong5250@126.com;

馬鐵華(1964- )，男，漢族，山西交城人，中北大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與傳感技術(shù)，matiehua@nuc.edu.cn。

Based on the Wireless Control Parameters of Shock Wave Storage Test System

XU Qirong，YOU Wenbin，MA Tiehua*，LI Wanrong
(Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory/Instrument science and dynamic test laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

To satisfy the demand for assessing the extent of damage in the research and testing process of big powerful weapons，ammunition etc，an universal shock wave test system based on wireless control was proposed.The system can measure ammunition explosion pressure，temperature，moment of explosion and acceleration respectively.It consists of sensors，analog adapter module，power management module，acquisition encoding，storage，and communication module.This design can be widely used in explosion field multi-parameter multi-point test.The experimental testing data in shooting range show that this testing system is stable and reliable can effectively capture a variety of parameters and realize the wireless control and wireless data transmission.

impulse wave;memory testing;wireless control;explosion field;multi-parameter measuring point

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.030

TJ410.6

A

1005－9490(2014)02－0307－04

2013-05-29修改日期:2013-07-16

EEACC:7210B