激波傳播速度測量用光探針信號處理電路設(shè)計

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(1.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.黑龍江北方工具有限責(zé)任公司，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引言

彈丸底火在膛內(nèi)擊發(fā)時，引燃發(fā)射藥開始燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動彈頭在槍膛內(nèi)進(jìn)行加速運(yùn)動，為了有效評判發(fā)射藥的性能，需要測試膛內(nèi)壓力[1-3]。目前常用的測壓方法主要有銅柱測壓法和電壓力傳感器測壓法，其中銅柱測壓法只能測量膛內(nèi)最大壓力，操作復(fù)雜；壓力傳感器可測量膛內(nèi)壓力在一段時間內(nèi)的變化規(guī)律，為分析發(fā)射藥的燃燒特性提供技術(shù)支撐。由于壓力傳感器具有一定的參數(shù)分散性，為了保證測壓數(shù)據(jù)的一致性，需在使用前對傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定[4]。常見動態(tài)標(biāo)定參數(shù)有頻率響應(yīng)參數(shù)和瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)[5]，激波管可在瞬時產(chǎn)生高壓氣體作用于傳感器，模擬火炸藥爆炸時產(chǎn)生的壓力，是目前瞬態(tài)響應(yīng)標(biāo)定壓力傳感器的常用裝置。激波的壓力與其在管內(nèi)的傳播速度存在一定的對應(yīng)關(guān)系，因此需要在標(biāo)定時準(zhǔn)確測量激波的傳播速度[6-7]。管內(nèi)激波以平面波的形式高速傳播，對測速方式和測量儀器有較高的要求。光電探測技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)快、靈敏度高等特征，因而可用于測量激波在管內(nèi)的傳播速度。在此，采用點(diǎn)狀激光器配合點(diǎn)狀光電探測器形成線狀探測光幕，在沿激波傳播方向上等間隔的放置若干個光探針，根據(jù)定距測時原理，實現(xiàn)激波測速。

1 激波管光探針測速

1.1 激波管工作原理

激波管主要由高壓室和低壓室組成，其中間用膜片隔開。在對激波的傳輸速度測量時，根據(jù)實驗要求分別對高壓室和低壓室充以不同壓力的氣體。當(dāng)2個壓室內(nèi)的氣體差值達(dá)到一定程度時，位于2個壓室之間膜片在壓差的作用下破裂，使高壓室內(nèi)的氣體立刻沖入低壓室，在低壓室內(nèi)形成激波，而激光管的結(jié)構(gòu)設(shè)計可控制激波傳播方向。

1.2 光探針構(gòu)建

如圖1所示，光探針主由發(fā)射裝置(點(diǎn)狀激光光源、耦合光纖1和激光準(zhǔn)直鏡1)、接收裝置(激光準(zhǔn)直鏡2、耦合光纖2和光電探測器件)、信號處理電路，以及輔助調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成。發(fā)射裝置發(fā)出的激光在光學(xué)系統(tǒng)作用下可準(zhǔn)直地照射到光電探測器件上，因此把發(fā)射裝置與接收裝置之間的準(zhǔn)直光束定義為光探針。如圖2所示，多路光探針依次排列在管壁上所形成的探測光幕與傳統(tǒng)光幕[8]相比，其形狀為線狀光幕。當(dāng)激波穿過光探針視場時，因氣體密度差異引起光電探測器件所接收的光能量變化，經(jīng)信號處理電路處理輸出激波過幕信號。信號采集裝置同步采集每路光探針輸出的信號，利用相關(guān)測時法計算出激波穿過每路光探針的時間，結(jié)合光探針的間距計算出激波傳播速度。

圖1 光探針組成

圖2 光探針測速裝置總體設(shè)計

2 光探針信號處理電路設(shè)計

為保證光探針工作性能的可靠性，在設(shè)計電路時必須考慮信號處理電路的頻率響應(yīng)、放大增益和信噪比等特性。為滿足這一要求，前級放大電路采用高速響應(yīng)的OP27運(yùn)算放大器，將光電探測器所接收的光電路信號進(jìn)行放大。但該信號在前級放大電路作用后仍比較微弱，因此后級放大電路使用具有高共模抑制比、高增益帶寬的儀表放大器INA128，將信號進(jìn)行再次放大?？紤]到信號采集裝置與激波管間有一定的距離，設(shè)計了模擬信號的驅(qū)動電路，確保信號在傳輸過程中不衰減。

2.1 前級放大電路設(shè)計

基于探測器件設(shè)計需求，前級放大電路采用運(yùn)算放大器OP27，其輸入失調(diào)電壓為10μV，輸入失調(diào)電流約為2 nA，CMRR大于120 dB。如圖3所示，為了使得探測器件與放大器阻抗相匹配，在前級放大電路中加入了12 V偏置電壓，C1和C2形成高通濾波。則可得下限截止頻率為：

(1)

當(dāng)設(shè)定fL=3 kHz時，C1=0.001μF，R2=51 kΩ，無源濾波電路將電路中的低頻噪聲濾除。探測器件輸出電壓經(jīng)R3輸入到OP27的同相端。當(dāng)通過調(diào)節(jié)比例電阻的阻值，使得放大倍數(shù)為6，即可保證信號的有效通頻帶寬。

圖3 前級放大電路

2.2 后級放大電路設(shè)計

因前級放大電路輸出的信號微弱，為提高信噪比，設(shè)計了相應(yīng)的后級放大電路，如圖4所示。經(jīng)前級放大電路輸出的信號，在C4和R6形成的阻容濾波作用下，最終輸出信號OUT1連入到INA128的同相輸入端。在該電路中可依據(jù)式(2)來改變外接電阻的阻值，以實現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。

(2)

為確保放大電路在實現(xiàn)放大功能的同時不產(chǎn)生自激現(xiàn)象，R7為10 kΩ，可滿足有效通頻帶寬要求。儀表放大器輸出信號通過耦合電容C5，進(jìn)入OP27的同相端再次被放大3倍。為能有效提取信號的特征時刻，需要保證激波信號的幅值在5 V左右。

圖4 后級放大電路

2.3 驅(qū)動電路設(shè)計

在實際測量過程中，光探針與信號采集設(shè)備有一定距離，因此需要設(shè)計相應(yīng)的信號驅(qū)動電路，以確保長線傳輸過程中信號不發(fā)生失真現(xiàn)象。依據(jù)光探針激波信號的特征，后續(xù)驅(qū)動電路應(yīng)具有高還原率、低失真、頻率寬和輸出電流幅值大的性能，同時還需有模擬緩沖器。為了達(dá)到以上要求，使用BUF634芯片設(shè)計相應(yīng)的模擬驅(qū)動電路，其輸出信號經(jīng)C16隔直處理后傳輸給信號采集裝置，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路

3 試驗結(jié)果分析

通過示波器采集信號波形，以驗證信號處理電路的穩(wěn)定性。按照設(shè)計要求，設(shè)置激光光源的電壓值為3 V、輸出光功率值>10 mW，根據(jù)光能大小調(diào)節(jié)發(fā)射端與接收端之間的距離為30 cm。當(dāng)激波從探測光幕穿過時，各級信號處理電路輸出的信號波形如圖6所示。其中，CH1為探測器輸出信號，CH2為放大電路輸出信號，放大后的信號幅值和探測器輸出信號的比例與設(shè)定的比例相同。

由圖6可知，輸入信號幅值為50 mV，經(jīng)過前級放大電路后輸出信號幅值為300 mV，經(jīng)過儀表放大器INA128后輸出信號幅值為1.8 V，后級放大電路后輸出信號幅值為5.1 V，與設(shè)定的放大倍數(shù)基本吻合，表明在光探針裝置下，激波信號經(jīng)過信號處理電路可以被檢測。

圖6 各級電路輸出信號波形

4 結(jié)束語

基于區(qū)截測速原理構(gòu)建了光探針探測裝置，用于測量激波在激波管內(nèi)的傳播速度。依據(jù)所選探測器件的特性與信號調(diào)理電路要求，設(shè)計了激波探測前級放大電路、后級放大電路和驅(qū)動電路；通過實驗驗證了所設(shè)計電路滿足激波穿過光探針要求，信號處理電路性能可靠。