應(yīng)用于炮口沖擊波的生物表面壓力測(cè)試系統(tǒng)

陳學(xué)文，賴富文，牛博懷,高 赫,王文廉

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室， 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 太原 030051；3.中國(guó)人民解放軍63853部隊(duì)， 吉林 白城 137000)

1 引言

火炮作為現(xiàn)代軍事的主要武器裝備之一，研究炮口沖擊波對(duì)人體的損害對(duì)操作人員的健康防護(hù)具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于炮口沖擊波生物效應(yīng)的研究還較少，一般是通過(guò)解剖試驗(yàn)動(dòng)物，從生理學(xué)角度分析沖擊波對(duì)各器官的損傷[1-2]。

為獲取生物效應(yīng)試驗(yàn)中靶標(biāo)動(dòng)物所受沖擊波壓力的數(shù)據(jù)，可將存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于生物效應(yīng)試驗(yàn)中。現(xiàn)有的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)一般只針對(duì)火炮連發(fā)測(cè)試的沖擊波信號(hào)采集[3-5]，而生物效應(yīng)試驗(yàn)中多個(gè)損傷部位壓力數(shù)據(jù)同步采集、試驗(yàn)裝置安裝不便的問(wèn)題未得到解決。經(jīng)調(diào)查，相關(guān)研究人員在沖擊波生物毀傷試驗(yàn)中基本沒(méi)有能夠在生物體表面對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行直接測(cè)量，而是近似地將附近測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力作為靶標(biāo)動(dòng)物所受壓力[6-8]，這種間接測(cè)量方式所得的數(shù)據(jù)不能夠準(zhǔn)確地評(píng)估沖擊波的毀傷效應(yīng)。本文針對(duì)沖擊波生物效應(yīng)試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)了一種可穿戴的多通道多重觸發(fā)式炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物體表面各部位所受沖擊波壓力的直接測(cè)量。

2 炮口沖擊波生物效應(yīng)特征

火炮類(lèi)武器通常處于連續(xù)射擊狀態(tài)，而人體在火炮連續(xù)射擊中所受沖擊波損害明顯具有疊加效應(yīng)，炮口沖擊波對(duì)人體的損傷閾值也會(huì)有所下降[9]。炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具有多重觸發(fā)功能，避免單次觸發(fā)的測(cè)試裝置在連續(xù)測(cè)試中需要不斷上下電導(dǎo)致的效率低下問(wèn)題。

炮口沖擊波對(duì)人體最普遍的傷害是聽(tīng)力損傷，此外有試驗(yàn)研究表明，炮手長(zhǎng)期經(jīng)受炮口沖擊波可能會(huì)造成上呼吸道、肺部和胃腸道損傷[10-11]。聽(tīng)器的損傷主要為鼓膜充血、出血，嚴(yán)重時(shí)造成鼓膜穿孔；肺是沖擊波致傷的重要靶器官，肺部損傷主要表現(xiàn)為肺出血；上呼吸道對(duì)沖擊波也較為敏感，上呼吸道損傷主要表現(xiàn)為喉頭與氣管的點(diǎn)狀出血[12]。為研究試驗(yàn)動(dòng)物各部位于炮口沖擊波作用下的受力情況，測(cè)試系統(tǒng)需具有多個(gè)傳感器通道，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)部位沖擊波壓力數(shù)據(jù)的同步采集。

3 可穿戴沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)

3.1 整體方案

針對(duì)炮口沖擊波生物效應(yīng)試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：具有多重觸發(fā)功能可滿足火炮連發(fā)測(cè)試；具有多個(gè)傳感器通道能同時(shí)采集多個(gè)部位的沖擊波壓力數(shù)據(jù)；系統(tǒng)小型化，可對(duì)生物體表面壓力進(jìn)行直接測(cè)量。

測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由多個(gè)微型壓力傳感器、多通道轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路、上位機(jī)組成。本測(cè)試系統(tǒng)以FPGA為控制核心，使用了多路模擬開(kāi)關(guān)與高速A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的分時(shí)復(fù)用的多路采集架構(gòu)，將試驗(yàn)動(dòng)物身上4個(gè)部位的沖擊波壓力信號(hào)采集到測(cè)試系統(tǒng)中，SDRAM在FPGA的控制下劃分出64個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間實(shí)現(xiàn)了4個(gè)通道16次觸發(fā)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。測(cè)試裝置與上位機(jī)之間通過(guò)433 M無(wú)線模塊進(jìn)行信息交互，在上位機(jī)軟件中可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

3.2 傳感器與調(diào)理電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體表面壓力的采集，首先要考慮壓力傳感器的類(lèi)型。一般的壓力傳感器如陶瓷壓電傳感器、壓阻式硅壓力傳感器大多都是體積較大的圓柱形，不適宜安裝在生物體表面。本測(cè)試系統(tǒng)選用了一種薄片型的壓阻式壓力傳感器，傳感器的安裝如圖2所示，微型壓力傳感器兩個(gè)一組粘貼在腰帶上以便固定在實(shí)驗(yàn)羊的頸部、腹部等部位。

圖2 微型壓力傳感器的安裝位置示意圖

該微型壓阻式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、靈敏度高的特點(diǎn)，測(cè)量范圍為0～344.8 kPa。該傳感器的厚度為0.76 mm，直徑為6.35 mm，具有高過(guò)載能力、高頻響應(yīng)的特點(diǎn)，適合瞬態(tài)、窄脈寬的沖擊波信號(hào)的測(cè)量。由于其體積很小，可以通過(guò)簡(jiǎn)易方法安裝在各種微小曲面和狹窄表面上，故將該傳感器應(yīng)用于沖擊波生物效應(yīng)試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體表面壓力的直接測(cè)量。

由于該傳感器為表壓式壓力傳感器，其零位輸出不為零，同時(shí)每個(gè)傳感器的靈敏度也不相同，各傳感器的零位輸出差異經(jīng)過(guò)儀表放大器放大后導(dǎo)致了多通道測(cè)試系統(tǒng)的基線不統(tǒng)一，這一問(wèn)題影響了測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)電平的設(shè)置，增大了多通道數(shù)據(jù)處理與比較的難度。針對(duì)這一問(wèn)題，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)了一種自適應(yīng)的基線調(diào)節(jié)電路。

為了提高基線調(diào)節(jié)的精度，由兩個(gè)數(shù)字電位器構(gòu)成了粗調(diào)+細(xì)調(diào)的調(diào)節(jié)電路。系統(tǒng)選用非易失性的數(shù)字電位器X9C103，其共有100個(gè)檔位。在FPGA控制下，數(shù)字電位器1在0～2.5 V的范圍進(jìn)行粗調(diào)，調(diào)節(jié)精度為25 mv；數(shù)字電位器2在數(shù)字電位器1的輸出電壓基礎(chǔ)上浮動(dòng)0～100 mv，調(diào)節(jié)精度為1 mv?；€調(diào)節(jié)的過(guò)程首先是比較傳感器的零位輸出與預(yù)設(shè)基線，該值默認(rèn)為1 V也可以根據(jù)情況在上位機(jī)軟件中設(shè)置，然后將兩者之差ΔV除以粗調(diào)精度得到數(shù)字電位器1的檔位，再將余數(shù)除以細(xì)調(diào)精度得到數(shù)字電位器2的檔位。傳感器基線調(diào)節(jié)電路如圖3所示。

圖3 傳感器基線調(diào)節(jié)電路示意圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 多重觸發(fā)技術(shù)

分析炮口沖擊波測(cè)試的特點(diǎn)可知，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試系統(tǒng)需連續(xù)記錄多個(gè)瞬態(tài)信號(hào)，為了更靈活地利用存儲(chǔ)空間以記錄更多有效數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)采用與無(wú)線技術(shù)結(jié)合的多重觸發(fā)技術(shù)。433 M無(wú)線模塊是基于IEEE 802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)的高頻射頻模塊，具有傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，其傳輸距離于開(kāi)闊地可達(dá) 5 km，符合炮口沖擊波測(cè)試中對(duì)遠(yuǎn)程控制及監(jiān)測(cè)的需求?；谶h(yuǎn)距離的無(wú)線技術(shù)，測(cè)試系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程復(fù)位、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)能夠在火炮連續(xù)射擊中，采集并存儲(chǔ)多次射擊的炮口沖擊波，然后在上位機(jī)軟件中完整顯示。

圖4 火炮連發(fā)沖擊波測(cè)試示意圖

多次觸發(fā)測(cè)試流程如圖5所示，進(jìn)行炮口沖擊波試驗(yàn)時(shí)，火炮每發(fā)射1枚炮彈，觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)記錄1次，然后轉(zhuǎn)為待觸發(fā)狀態(tài)；當(dāng)火炮再發(fā)射1枚炮彈時(shí)，再作1次記錄，直到測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)全部存儲(chǔ)空間被占滿。在測(cè)試過(guò)程中，試驗(yàn)人員可以隨時(shí)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觸發(fā)狀態(tài)和觸發(fā)次數(shù)，根據(jù)具體情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，選擇是否進(jìn)行參數(shù)更改或系統(tǒng)復(fù)位。

圖5 多重觸發(fā)系統(tǒng)流程框圖

本測(cè)試系統(tǒng)具有最多16次的觸發(fā)次數(shù)和4個(gè)傳感器通道，故測(cè)試系統(tǒng)需要能夠存儲(chǔ)最多64條沖擊波壓力曲線的數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)將SDRAM劃分出64個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)都要完成循環(huán)寫(xiě)入、觸發(fā)、地址記錄等步驟。每次觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)會(huì)寫(xiě)入4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間，觸發(fā)結(jié)束則轉(zhuǎn)到下一組存儲(chǔ)區(qū)間，重復(fù)存儲(chǔ)過(guò)程。

3.3.2 小型化安裝設(shè)計(jì)

生物效應(yīng)試驗(yàn)的目標(biāo)對(duì)象一般是活體動(dòng)物，在沖擊波生物效應(yīng)試驗(yàn)中測(cè)試裝置的安裝較為繁瑣，因此設(shè)計(jì)一種可穿戴式結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)化試驗(yàn)準(zhǔn)備工作的操作。要使測(cè)試系統(tǒng)能夠安裝于試驗(yàn)動(dòng)物身體表面，首先需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的小型化。山羊是沖擊波試驗(yàn)中常用的靶標(biāo)動(dòng)物，體長(zhǎng)一般在56～60 cm，市面上常見(jiàn)的通用信號(hào)采集儀器的尺寸一般較大，長(zhǎng)寬可達(dá)20～30 cm，體積與重量都不適合直接在試驗(yàn)動(dòng)物身體表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本系統(tǒng)從芯片選型和PCB設(shè)計(jì)兩方面實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的小型化。測(cè)試系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7482，芯片尺寸為9 mm×7 mm；存儲(chǔ)芯片選用MT48LC8M16 A2，芯片尺寸為8 mm×16 mm。為了進(jìn)一步減小電路的面積，測(cè)試系統(tǒng)采用6層PCB的設(shè)計(jì)，在測(cè)試系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)器件緊湊性與線寬線距之間平衡的把控，盡可能地縮減了PCB板的面積，實(shí)現(xiàn)了多種功能的高度集成。

測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，由一塊主板將多個(gè)模塊連接到一起，模塊經(jīng)規(guī)劃分布在主板的兩面，縮小了測(cè)試系統(tǒng)電路的整體面積。測(cè)試系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)采用以光敏樹(shù)脂為材料的3D打印外殼，總體尺寸為72 mm×115 mm×28 mm，樹(shù)脂外殼在保證測(cè)試系統(tǒng)在炮口沖擊波測(cè)試環(huán)境中的可靠性的前提下，縮減了系統(tǒng)整體體積與重量，測(cè)試系統(tǒng)整體重量為284 g，便于安裝在試驗(yàn)動(dòng)物上且不會(huì)對(duì)試驗(yàn)有所影響。測(cè)試系統(tǒng)的穿戴式結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要結(jié)構(gòu)為兩條腰帶，每條腰帶上具有兩個(gè)安裝傳感器的導(dǎo)線孔，固定好壓力傳感器后，腰帶式的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)便地安裝在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的頭頸部、腹部等測(cè)試部位，兩兩一組的傳感器可以測(cè)得各部位受沖擊面與背面的沖擊波壓力。

圖6 可穿戴式結(jié)構(gòu)示意圖

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證多通道多重觸發(fā)式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，在靶場(chǎng)進(jìn)行了炮口沖擊波生物效應(yīng)的實(shí)彈測(cè)試，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖如圖7，火炮射擊角度為25°，試驗(yàn)羊以站立姿勢(shì)固定在支架上，位置距炮口的地面投影直線距離為8.3 m。試驗(yàn)羊右側(cè)腹部面向炮口，壓力傳感器分別固定在試驗(yàn)羊的頸部正面、頸部背面、腹部正面及腹部背面，各部位壓力傳感器距地面約為0.6 m。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

彈丸出炮口后，膛內(nèi)的高溫高壓氣體在炮口周?chē)蛎洉?huì)產(chǎn)生第1次峰值，若條件適宜此高溫高壓氣體還可能發(fā)生燃爆現(xiàn)象產(chǎn)生第2次峰值。圖8、圖9可以明顯看到壓力曲線具有2個(gè)超壓峰值，是典型炮口沖擊波，數(shù)據(jù)很好地反應(yīng)了炮口沖擊波的衰減規(guī)律。如表1所示，兩次射擊的沖擊波特征值相近，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

圖8 第1次壓力測(cè)試數(shù)據(jù)曲線Fig.8 First test data

圖9 第2次壓力測(cè)試數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Second test data

表1 2次測(cè)試的沖擊波壓力特征值

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可穿戴式的多通道沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與微型傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物效應(yīng)試驗(yàn)中試驗(yàn)生物體沖擊波表面壓力的直接測(cè)量。測(cè)試系統(tǒng)具有多個(gè)傳感器通道能夠同時(shí)采集試驗(yàn)動(dòng)物體表各部位的沖擊波壓力數(shù)據(jù)；多重觸發(fā)功能與無(wú)線技術(shù)的結(jié)合，滿足了火炮連發(fā)測(cè)試的需求，同時(shí)減小了試驗(yàn)操作的工作量，提升了試驗(yàn)效率。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)彈測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)具有安裝與操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確完整、使用靈活、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，解決了在炮口沖擊波生物效應(yīng)試驗(yàn)中沖擊波壓力數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確與試驗(yàn)布置及操作繁瑣的問(wèn)題，在沖擊波測(cè)試領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。