基于PCB壓電傳感器的小型沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)*

梁 頔，馬鐵華*，劉一江，梁志劍，秦珍珍

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)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PCB壓電傳感器的小型沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)*

梁 頔1，2，馬鐵華1，2*，劉一江1，2，梁志劍1，2，秦珍珍1，2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)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)沖擊波超壓測(cè)試存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套小型沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)選取了美國(guó)PCB公司的壓電傳感器，并針對(duì)此傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電荷放大器，放大器和濾波器。系統(tǒng)以FPGA為核心驅(qū)動(dòng)外圍AD和FIFO完成數(shù)據(jù)采集。對(duì)關(guān)鍵時(shí)序采用Modelsim軟件進(jìn)行了仿真。使用該系統(tǒng)對(duì)某爆炸20 m處的沖擊波超壓信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，并給出了波形。

存儲(chǔ)測(cè)試;沖擊波;FPGA;modelsim

沖擊波超壓峰值是衡量各類彈藥毀傷威力的重要技術(shù)指標(biāo)，所以對(duì)于沖擊波超壓峰值的準(zhǔn)確檢測(cè)顯得尤為重要。在爆炸環(huán)境之中，環(huán)境比較惡劣，對(duì)于此情況下沖擊波壓力信息的獲取十分不易。沖擊波超壓數(shù)值模擬方法經(jīng)常采用。［1-6］引線電測(cè)法是目前沖擊波超壓的主要測(cè)量方法，它精確性高，也能夠計(jì)算沖量，但是它布線繁雜，測(cè)試前必須有所準(zhǔn)備，而且成本也相對(duì)較高。［7-10］為了解決此問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一套微型化的沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)以FPGA為主控芯片，以自適應(yīng)的采樣頻率對(duì)沖擊波壓力信號(hào)進(jìn)行獲取。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測(cè)量沖擊波壓力信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)需要埋于地下。測(cè)試系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)都被金屬外殼包裹，測(cè)試系統(tǒng)埋于地下，傳感器和觸發(fā)二極管露出金屬外殼。測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，爆炸前測(cè)試系統(tǒng)以最高采樣頻率，將數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)存入FIFO并在FIFO中空轉(zhuǎn)，但并不往FLASH存儲(chǔ)器中寫(xiě)入。爆炸時(shí)爆炸的強(qiáng)光使光電二極管感受強(qiáng)光，觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)并將FIFO中的數(shù)據(jù)以同樣高的采樣頻率存入FLASH。采用這樣的設(shè)計(jì)方案可以使存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)能夠采集并存儲(chǔ)觸發(fā)之前的一部分信息，因此這部分的設(shè)計(jì)被稱為負(fù)延遲系統(tǒng)。存儲(chǔ)完畢之后，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)處于低功耗狀態(tài)，等待外部接口讀取信息。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)工作示意圖

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 壓力傳感器選型

測(cè)試系統(tǒng)的壓力傳感器采用美國(guó)PCB公司的壓電傳感器PCB113A22型壓電傳感器。此種傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為6.9 kPa～34 500 kPa，線性度%FS≤1，諧振頻率≥500 kHz，上升時(shí)間≤1μs。沖擊波的上升時(shí)間為微秒(μs)量級(jí)，文獻(xiàn)［11］又對(duì)此種傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，此種傳感器可以滿足對(duì)于沖擊波信號(hào)檢測(cè)的要求。

1.2 電荷放大器設(shè)計(jì)

由于傳感器是壓電傳感器輸出成容性，因此需要對(duì)此種傳感器設(shè)計(jì)電荷放大器來(lái)使傳感器輸出的微小的電荷量轉(zhuǎn)化為電壓變化，為后續(xù)的信號(hào)處理和記錄創(chuàng)造條件。電荷放大器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電荷放大器原理圖

1.3 二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

二級(jí)放大電路用儀表放大器INA128，INA128的輸入阻抗很大，對(duì)前級(jí)的影響很小。放大倍數(shù)滿足，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4所示的電路圖中Rg為51 K，因此二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)接近于2。

圖4 二級(jí)放大電路

1.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)

因?yàn)楸粶y(cè)沖擊波信號(hào)有一定的帶寬，為了提高儀器的信噪比儀器中需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 二階低通濾波器

集成運(yùn)放采用OP4340集成運(yùn)放，引入“虛短”和“虛斷”以后運(yùn)放的正端的電平

在Uz點(diǎn)處的電流滿足

上式中R是5.1 kΩ的電阻，C是1 nF的電容。

式(1)～式(3)聯(lián)立可以得出

由上式的傳遞函數(shù)可以得出二階低通濾波器的幅頻和相頻特性如圖6所示。

幅頻特性的半功率點(diǎn)的頻率為23 kHz，濾波器的截止頻率為23 kHz。

1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)模擬調(diào)理電路后的信號(hào)需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而后對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。采樣頻率原則上滿足采樣定理即可，即采樣頻率大于等于原信號(hào)不失真最大高頻分量頻率的兩倍。本文的AD轉(zhuǎn)換器選取為AD7492，編程設(shè)置采樣頻率為100 kHz。

AD轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖7所示。

圖6 二階低通濾波器幅頻特性

圖7 AD轉(zhuǎn)換器原理圖

FPGA只需按100 kHz的時(shí)序給CONVST管腳控制AD轉(zhuǎn)換頻率。當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢，F(xiàn)PGA控制TC管腳拉高，使AD轉(zhuǎn)換器停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換器的控制邏輯圖如圖8所示。

圖8 AD轉(zhuǎn)換器控制邏輯圖

圖8中和D觸發(fā)器相連接的模塊為分頻時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，采樣頻率的實(shí)現(xiàn)由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，CONVST為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)。采樣頻率給定電路的時(shí)序如圖9所示。圖9中第一行信號(hào)為8 M的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖9 A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)序圖

1.6 FIFO的控制邏輯及時(shí)序

在A/D轉(zhuǎn)換完成后系統(tǒng)要將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入高速FIFO中等待抽取，邏輯實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

圖10 FIFO控制邏輯圖

圖10中rst為復(fù)位信號(hào)，noten為控制FIFO讀寫(xiě)的信號(hào)允許位，ADCRD為FIFO的寫(xiě)信號(hào)線，busy為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后的信號(hào)線。A/D轉(zhuǎn)換完成以后，busy信號(hào)由低變高，電路產(chǎn)生125 ns的FIFO寫(xiě)信號(hào)。圖9的FIFO控制邏輯用Modelsim仿真后如圖11所示。

圖11 實(shí)時(shí)存入FIFO時(shí)序圖

圖11中第1行的clk是FPGA系統(tǒng)的8 M時(shí)鐘。第2行的busy信號(hào)為AD7492轉(zhuǎn)換完成的輸入信號(hào)。第3行的m2信號(hào)為FPGA內(nèi)部分頻產(chǎn)生的2 M的時(shí)鐘。第5行的adcrd為FIFO的寫(xiě)信號(hào)。第7行的noten信號(hào)為FIFO的片選信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，F(xiàn)IFO的片選使能，然后產(chǎn)生125 ns的寫(xiě)信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

使用設(shè)計(jì)好的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某爆炸沖擊波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)后，對(duì)一個(gè)單獨(dú)的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，20 m處沖擊波超壓信號(hào)如圖12所示。

如圖12所示系統(tǒng)可以捕獲觸發(fā)前的完整數(shù)據(jù)，證明系統(tǒng)的負(fù)延遲電路運(yùn)行完好。對(duì)于爆炸過(guò)程中沖擊波信號(hào)的變化趨勢(shì)，系統(tǒng)的采集也趨于完美。得出在13.02 ms處，沖擊波信號(hào)的超壓峰值為0.434 MPa。

圖12 某爆炸20m處的超壓曲線

與引線測(cè)試系統(tǒng)相比，存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)可以更加方便、高效地嵌入與被測(cè)信號(hào)相同的惡劣環(huán)境中工作。它功耗低、可靠性高、經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明:它的數(shù)據(jù)捕獲成功率可以達(dá)到95%以上，可以為多種彈藥的研制和實(shí)驗(yàn)提供可靠的評(píng)估依據(jù)。

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A Small Stored Measurement System for Shock Wave Based on PCB Sensor*

LIANGDi1，2，MA Tiehua1，2*，LIU Yijiang1，2，LIANG Zhijian1，2，QIN Zhenzhen
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Considering the deficiency ofmeasuring method for shock wave，a small stored measurement system for shock wave is designed.A PCB piezoelectric sensor is used in the system.The charge amplifier，amplifiers and filters is designed for the PCB piezoelectric sensor.The peripheral AD and FIFO are driven by FPGA to accomplish the data acquisition.The critical timing simulation is done on the Modelsim software.The system is selected tomeasure a shock wave signal at20 m，and the waveform is drawn.

storagemeasurement;shock wave;FPGA;modelsim

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.028

TP212.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0119-04

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50730009)

2013-04-14修改日期:2013-05-06

EEACC:7230

梁 頔(1989-)，女，北京人，碩士研究生，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試與儀器方面的研究，lyqc.2008@163.com;

劉一江(1987-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事智能控制、動(dòng)態(tài)信號(hào)獲取與實(shí)時(shí)處理等方面的研究，yi9jiang@163.com。

馬鐵華(1964-)，男，教授，1996年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)科獲博士學(xué)位，2001年被評(píng)為博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任信息與通信工程學(xué)院副院長(zhǎng)、民盟中北大學(xué)主委，是電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)測(cè)試研究方向負(fù)責(zé)人、山西省委聯(lián)系的高級(jí)專家。主要研究方向是動(dòng)態(tài)測(cè)試與傳感技術(shù)。近年來(lái)取得省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、獲國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文68篇，其中被SCI、EI和ISTP收錄19篇;