電點(diǎn)火器輸出p-t曲線出現(xiàn)負(fù)壓的異常情況分析

［摘 要］針對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)用電點(diǎn)火器在發(fā)火測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的負(fù)壓情況，進(jìn)行了故障樹分析排查、等效電路分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終找到了該故障的原因是產(chǎn)品發(fā)火后絕緣性能失效，造成發(fā)火電路與測(cè)試電路耦合，形成電流回路，進(jìn)而使電荷放大器輸出端形成負(fù)壓。對(duì)歷次火工品發(fā)火測(cè)試時(shí)出現(xiàn)負(fù)壓的情況進(jìn)一步理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，僅在使用壓電式傳感器的測(cè)試過程中出現(xiàn)負(fù)壓，而應(yīng)變式傳感器則不會(huì)出現(xiàn)該故障。對(duì)分析電點(diǎn)火器類產(chǎn)品輸出p-t曲線異常提供了參考。

［關(guān)鍵詞］電點(diǎn)火器；p-t曲線；負(fù)壓

［分類號(hào)］TQ560.5

Analysis of Abnormal Conditions of Negative Pressure in the Output p-t

Curves of the Electric Igniter

YUAN Changhong， YUAN Yuhong， TAN Yuming， CAO Ping

Anhui Hongxing Electromechanical Technology Co.， Ltd. （Anhui Hefei， 230011）

［ABSTRACT］Fault tree analysis， equivalent circuit analysis， and experimental verification were conducted to investigate the negative pressure situation that occurred during the ignition test of an electric igniter for a certain type of missile engine. Finally， the cause of the fault was found to be the insulation performance failure of the product after ignition， resulting in the coupling of the ignition circuit and the testing circuit to form a current loop， which in turn caused negative pressure at the output terminal of the charge amplifier. Further theoretical analysis and experimental verification were conducted on the occurrence of negative pressure during the ignition tests of various pyrotechnic devices. The results indicate that negative pressure only occurs during the testing process using piezoelectric sensors， while it does not occur when using strain gauges. It could provide a reference for analyzing the abnormal output p-t curve of electric igniter products.

［KEYWORDS］electric igniter; p-t curve; negative pressure

0 引言

壓力-時(shí)間（p-t）曲線的測(cè)試方法是判定點(diǎn)火類火工品工作性能最常用的測(cè)試手段。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集火工品在密閉容器中發(fā)火時(shí)的p-t曲線，提取特征參數(shù)，并與合格火工品的p-t曲線特征參數(shù)進(jìn)行比較，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)某一批次火工品進(jìn)行品質(zhì)鑒定^［1］。

在進(jìn)行點(diǎn)火類火工品發(fā)火測(cè)試的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到p-t曲線測(cè)試異常的現(xiàn)象，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)在電點(diǎn)火器正常發(fā)火時(shí)測(cè)出負(fù)壓的情況，這可能會(huì)對(duì)該發(fā)火工品的工作性能作出誤判，甚至可能會(huì)影響整批次產(chǎn)品的正常交付。因此，需要對(duì)這種測(cè)試異常情況進(jìn)行研究，從而不斷規(guī)范測(cè)試過程，降低測(cè)試異常對(duì)產(chǎn)品工作性能的誤判。

電點(diǎn)火器在密閉容器內(nèi)正常發(fā)火時(shí)會(huì)出現(xiàn)高溫、高壓氣體，p-t曲線測(cè)試結(jié)果應(yīng)該表征出有一定的正壓。因此，負(fù)壓的出現(xiàn)從理論上很難說通，最后往往會(huì)籠統(tǒng)歸結(jié)到測(cè)試傳感器工作不正?；驕y(cè)試系統(tǒng)工作不正常等意外因素。通常未能認(rèn)識(shí)到出現(xiàn)該問題的根本原因。

本文中，針對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)使用電點(diǎn)火器在發(fā)火測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的負(fù)壓情況，進(jìn)行了故障樹排查、理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終找到了造成該現(xiàn)象的真正原因。

1 試驗(yàn)部分

在進(jìn)行某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)用電點(diǎn)火器（以下簡(jiǎn)稱產(chǎn)品）出廠交驗(yàn)的發(fā)火輸出性能試驗(yàn)時(shí)，參試的15發(fā)產(chǎn)品中出現(xiàn)2發(fā)輸出p-t曲線異常的情況，即在前100 ms時(shí)間段里記錄的壓力均為負(fù)壓。2發(fā)故障產(chǎn)品的發(fā)火輸出p-t曲線見圖1（a）和圖1（b）;正常產(chǎn)品的輸出曲線見圖1（c）。

2發(fā)故障產(chǎn)品的發(fā)火輸出p-t曲線與正常曲線相比差異非常大。但2個(gè)故障產(chǎn)品的輸出p-t曲線本身具有很強(qiáng)的一致性，即在測(cè)試系統(tǒng)采集的100 ms內(nèi)的有效曲線均表現(xiàn)為負(fù)壓。

為排查故障原因，對(duì)發(fā)火試驗(yàn)后的15發(fā)產(chǎn)品分別編號(hào)1^#～15^#，并進(jìn)行了電阻和絕緣電阻檢測(cè)。除發(fā)火曲線異常的產(chǎn)品外，其余13發(fā)產(chǎn)品的絕緣電阻均在正常范圍內(nèi)，見表1。2發(fā)發(fā)火輸出p-t曲線異常的產(chǎn)品在發(fā)火前絕緣電阻均正常，實(shí)測(cè)電阻分別為596、1 158 MΩ（要求電阻不小于20 MΩ），而在發(fā)火后，絕緣電阻為歐姆級(jí)，基本處于導(dǎo)通狀態(tài)。經(jīng)初步分析，該2發(fā)產(chǎn)品發(fā)火后的絕緣電阻異?？赡芘c產(chǎn)品發(fā)火輸出p-t曲線異常之間存在一定的聯(lián)系。

在電火工品發(fā)火后，絕緣電阻處于不可控的狀態(tài)，即大部分產(chǎn)品的絕緣電阻仍然能夠保持在兆歐級(jí)別，但有少部分產(chǎn)品可能因?yàn)榻饘贇堅(jiān)鼓_-殼之間導(dǎo)通，從而失去絕緣性能^［2］。鑒于此時(shí)火工品的工作任務(wù)已經(jīng)完成，在總體設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)往往通過控制電路來管控火工品發(fā)火后因絕緣失效可能造成的短路影響?；谏鲜鲈?，用戶并未對(duì)該產(chǎn)品發(fā)火后的絕緣性能提出要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 故障樹排查結(jié)果

對(duì)故障樹底事件進(jìn)行分析、排查，除了產(chǎn)品發(fā)火后絕緣電阻超差可能造成故障不能排除外，產(chǎn)品發(fā)火不正常的原因、測(cè)試系統(tǒng)的問題和傳感器損壞等各類底事件均可排除。可以判斷，產(chǎn)品發(fā)火后，絕緣電阻失效對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的采集信號(hào)造成了干擾，進(jìn)而導(dǎo)致采集信號(hào)曲線的異常。

2.2 機(jī)理分析

火工品發(fā)火輸出壓力測(cè)試的原理是：對(duì)裝在測(cè)壓裝置內(nèi)的火工品施加規(guī)定的激發(fā)能量，火工品發(fā)火后產(chǎn)生的氣壓作用在壓力傳感器上，產(chǎn)生了一個(gè)和壓力變化相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)電荷放大器放大后，由記錄系統(tǒng)處理并給出p-t曲線?；鸸て份敵鰤毫y(cè)試系統(tǒng)由p-t觸發(fā)采集系統(tǒng)、恒流源、測(cè)壓裝置、壓電傳感器、電荷放大器等組成^［3］，見圖2。圖2中：測(cè)壓裝置通過傳感器外殼及導(dǎo)線接地；產(chǎn)品外殼通過測(cè)壓裝置接地。

由圖2畫出的等效電路如圖3所示^［4］。圖3中：R₁為電點(diǎn)火器電阻；R₂為傳感器電阻；R_F為反饋電阻；C_F為反饋電容；A、B為輸出端。

對(duì)等效電路進(jìn)行分析可知：

1）在正常情況下，產(chǎn)品發(fā)火后的絕緣電阻正常，恒流源與電點(diǎn)火器形成獨(dú)立的發(fā)火電路，產(chǎn)品外殼、測(cè)壓裝置與傳感器外殼等相連部位均無電位差。此時(shí)，電荷放大器兩極輸出正相電壓，即A顯示為“+”、B顯示為“－”。因此，該情況下測(cè)試系統(tǒng)采集到的為正電壓波形，如圖1（c）所示。

2）在異常情況下，產(chǎn)品發(fā)火后絕緣性能失效，恒流源、火工品外殼、測(cè)壓裝置及傳感器外殼等形成電流放電回路，傳感器輸出參考電位發(fā)生變化，輸出信號(hào)相位也發(fā)生變化，電荷放大器輸出反向電壓，即A顯示為“－”、B顯示為“+”。因此，該情況下測(cè)試系統(tǒng)采集到的為負(fù)電壓波形，如圖1（a）和圖1（b）所示。

通過對(duì)發(fā)火測(cè)試等效電路進(jìn)行分析，找出了測(cè)試系統(tǒng)采集到電點(diǎn)火器輸出p-t曲線顯示負(fù)壓的原因，從而為測(cè)試過程中采集到負(fù)壓曲線提供了理論依據(jù)。

2.3 同類問題延伸與分析

在統(tǒng)計(jì)歷次點(diǎn)火類產(chǎn)品輸出p-t曲線測(cè)試出現(xiàn)負(fù)壓的情況時(shí)發(fā)現(xiàn)：負(fù)壓只是在使用壓電式傳感器測(cè)試的環(huán)節(jié)出現(xiàn)，在應(yīng)變式傳感器的測(cè)試過程中，卻未出現(xiàn)過該現(xiàn)象；且同一種產(chǎn)品在發(fā)火測(cè)試過程中，使用壓電式傳感器測(cè)試時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)過負(fù)壓的異常現(xiàn)象，而在使用應(yīng)變式傳感器測(cè)試時(shí)未出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。這說明了這種情況的出現(xiàn)還與傳感器的選型有關(guān)。

壓電式傳感器的工作原理：基于壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，表面會(huì)形成電荷;電荷通過放大器、測(cè)量電路的放大以及變換阻抗后，被轉(zhuǎn)換為與所受到的外力成正比關(guān)系的電量輸出;再經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)換算，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)，表征出壓力曲線^［5］。壓電式傳感器只應(yīng)用在動(dòng)態(tài)測(cè)量當(dāng)中，原因是受到外力作用后產(chǎn)生的電荷，當(dāng)回路有無限大的輸入阻抗時(shí)，才可以得以保存下來。因此，該類型傳感器易受到外部電信號(hào)的干擾。測(cè)試原理如圖4所示。

應(yīng)變式傳感器主要工作原理是基于壓阻效應(yīng)，即感應(yīng)受到機(jī)械式應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的電阻變化。不同于壓電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，并不會(huì)產(chǎn)生電荷。應(yīng)變式傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。該電橋封閉于傳感器中，不與外部電場(chǎng)直接接觸，所以不易受到外部電信號(hào)的干擾^［6］。敏感芯體沒有外加壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）；當(dāng)傳感器受壓后，芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶猓唤o電橋加一個(gè)恒定的電流或電壓源，電橋?qū)?huì)輸出與壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出，經(jīng)過放大后，再經(jīng)過電壓與電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)。測(cè)試原理見圖5；等效電路見圖6^［7］。

圖6中：R₁、R₂、R₃、R₄分別為惠斯登電橋4個(gè)橋路電阻；R₁、R₂和R₃為固定電阻；R₄是可變電阻；A、B、C、D為輸出端。當(dāng)R₄感應(yīng)外界施加的壓力發(fā)生變化時(shí)，A、B之間的電壓發(fā)生變化。采集電壓變化，即可換算成外界環(huán)境中物理量的變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試目的。

從圖6的等效電路可看出，應(yīng)變式傳感器與測(cè)試產(chǎn)品不共地，發(fā)火電路與測(cè)試電路互為獨(dú)立的電路控制系統(tǒng)，即便出現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)火后絕緣性能失效的情況，也不會(huì)對(duì)測(cè)試電路造成任何影響。

根據(jù)2種傳感器工作原理的分析，基于自身的特性，2種傳感器分別應(yīng)用到不同場(chǎng)景。對(duì)瞬發(fā)度高（作用時(shí)間一般為10 ms）的小型點(diǎn)火具、電點(diǎn)火器、電爆管等火工品，壓力作用時(shí)間和峰值壓力上升時(shí)間短，峰值壓力較大，要求測(cè)試系統(tǒng)必須頻帶寬，不受溫度影響。所以，應(yīng)選擇容積較小的密閉爆發(fā)器和諧振頻率較高的壓電晶體式壓力傳感器構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)（頻率大于150 kHz），從而保證系統(tǒng)對(duì)輸出壓力的變化速率反應(yīng)快、靈敏度高。而對(duì)體積較大的點(diǎn)火具和動(dòng)力源火工品，壓力作用時(shí)間和峰值壓力上升時(shí)間較長(zhǎng)，峰值壓力相對(duì)較小。因此，應(yīng)選擇容積較大的密閉爆發(fā)器和諧振頻率不高（頻率大于20 Hz）的應(yīng)變式壓力傳感器構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，這樣可使p-t曲線穩(wěn)定、平滑、波動(dòng)小^［8］。

分析可知，本次出廠驗(yàn)收試驗(yàn)中電點(diǎn)火器的輸出壓力測(cè)試選用壓電式傳感器是合適的，測(cè)試結(jié)果是能得到保證的。但由于選用的壓電式傳感器自身更易受到發(fā)火電路干擾的特性，造成了當(dāng)產(chǎn)品發(fā)火后絕緣性能失效時(shí)，將發(fā)火電路輸入電流經(jīng)產(chǎn)品腳線、產(chǎn)品外殼、金屬測(cè)壓裝置耦合到傳感器信號(hào)采集回路中，使傳感器采集信號(hào)時(shí)受到干擾，從而表征出輸出p-t曲線呈現(xiàn)負(fù)壓的異常現(xiàn)象。

3 驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證方案

1）靜態(tài)測(cè)試。針對(duì)發(fā)火后絕緣電阻失效的試驗(yàn)產(chǎn)品殘骸，按照正常發(fā)火試驗(yàn)條件施加相應(yīng)的電流信號(hào)。同時(shí)，利用壓電式傳感器和應(yīng)變式傳感器，分別測(cè)試2種傳感器上的電壓信號(hào)。

2）發(fā)火測(cè)試。正常火工品在發(fā)火后絕緣電阻異常的情況并不會(huì)必然出現(xiàn)，而是存在一定的概率。因此，特選用發(fā)火前絕緣電阻不合格的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，利用壓電式傳感器和應(yīng)變式傳感器，分別測(cè)試2種傳感器上的電壓信號(hào)。

需要引起重視的是，在將絕緣電阻異常的產(chǎn)品安裝到測(cè)壓裝置上時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)品殼體與發(fā)火電源正極（非接地一極）共地的情況。通過萬用表檢測(cè)電阻可進(jìn)行有效判斷。因?yàn)楫a(chǎn)品殼體與發(fā)火電源正極（非接地一極）共地情況下出現(xiàn)絕緣電阻故障時(shí)，可能會(huì)影響產(chǎn)品的發(fā)火性能^［9］。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

3.2.1 靜態(tài)測(cè)試

將發(fā)火后絕緣電阻失效的同款電點(diǎn)火器殘?。ń^緣電阻為0.2 kΩ）裝到測(cè)壓裝置上。在測(cè)壓裝置的對(duì)稱部位分別安裝了量程均為0～30 MPa的Z3-Y1型壓電式傳感器和6215型應(yīng)變式壓力傳感器，分別連接示波器，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集。按照正常起爆試驗(yàn)條件對(duì)產(chǎn)品施加5 A、20 ms的電流，用示波器測(cè)得2種傳感器上的電壓信號(hào)，如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，從壓電式傳感器上可測(cè)到3 V、20 ms的干擾信號(hào)，而應(yīng)變式傳感器上未采集到任何干擾信號(hào)。

3.2.2 發(fā)火測(cè)試

將發(fā)火前絕緣電阻失效的同批次電點(diǎn)火器（絕緣電阻為112 Ω）裝到測(cè)壓裝置上。在測(cè)壓裝置的對(duì)稱部位分別安裝了量程均為0～30 MPa的ZQ-Y1型壓電式傳感器和6215型應(yīng)變式壓力傳感器。壓電式傳感器連接p-t數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集發(fā)火輸出p-t曲線，應(yīng)變式傳感器連接示波器來采集發(fā)火輸出p-t曲線。從試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)后的殘骸判斷，該發(fā)電點(diǎn)火器發(fā)火正常。通過壓電式傳感器和p-t測(cè)試系統(tǒng)采集的發(fā)火輸出p-t曲線異常，同樣出現(xiàn)了負(fù)壓現(xiàn)象（圖8）；而通過應(yīng)變式傳感器和示波器采集的發(fā)火輸出p-t曲線正常（圖9）。

3.3 測(cè)試小結(jié)

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可見，不論是進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試還是發(fā)火動(dòng)態(tài)測(cè)試，在產(chǎn)品出現(xiàn)絕緣性能失效的情況下，使用壓電式傳感器均會(huì)造成在采集信號(hào)時(shí)受到干擾，使輸出p-t曲線呈現(xiàn)負(fù)壓；而使用應(yīng)變式傳感器，即使在產(chǎn)品絕緣性能失效的情況下則依然能采集到正常的發(fā)火輸出p-t曲線。上述理論分析結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果是完全一致的。

4 結(jié)論

對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)用電點(diǎn)火器在發(fā)火測(cè)試時(shí)出現(xiàn)負(fù)壓的異常情況，進(jìn)行了故障樹排查、理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終找到了造成該故障的原因是產(chǎn)品發(fā)火后絕緣性能失效，導(dǎo)致發(fā)火電路與測(cè)試電路耦合，形成電流回路，進(jìn)而使電荷放大器輸出端形成負(fù)壓。

通過對(duì)歷次火工品發(fā)火測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的負(fù)壓情況進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓僅在使用壓電式傳感器的測(cè)試過程中出現(xiàn)。進(jìn)一步分析壓電式傳感器和應(yīng)變式傳感器的工作原理可知，壓電式傳感器更易受到發(fā)火電路干擾。最后，通過靜態(tài)測(cè)試和發(fā)火測(cè)試驗(yàn)證了本次發(fā)火輸出p-t曲線出現(xiàn)負(fù)壓情況的故障原因，理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果一致。

對(duì)分析電點(diǎn)火器類產(chǎn)品發(fā)火輸出p-t曲線異常的現(xiàn)象提供了參考。

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