火工品測試電路的設(shè)計(jì)

趙金芳，程耀瑜

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引言

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，以引燃火藥、引爆炸藥或做機(jī)械功的一次性使用的元器件[1]。常用于引燃火藥，引爆炸藥，還可作為小型驅(qū)動裝置，用以快速打開活門、解除保險(xiǎn)及火箭級間分離等。將火工品從輸入端接受規(guī)定的外部能量刺激到燃燒或爆炸所需的時(shí)間叫火工品的作用時(shí)間?；鸸て返淖饔脮r(shí)間對火工品來說是一個(gè)重要的參數(shù)，它是決定火工品的特性和功能的重要指標(biāo)之一。不同類型和不同用途的火工品作用時(shí)間相差很大，一般在102～10-6之間[2]。這樣大的跨度，其對應(yīng)的測試方法和儀器設(shè)備的差異也很大，特別是對作用時(shí)間在微秒級的火工品，要求測試系統(tǒng)必須具備很高的響應(yīng)和測試精度。本文是針對兩種不同火工品的點(diǎn)火脈沖信號進(jìn)行時(shí)間測量。

1 火工品作用時(shí)間的測量原理

火工品作用時(shí)間測定的基本原理如圖1所示，其時(shí)間測量系統(tǒng)由發(fā)火、啟動裝置，輸出探測器件，放大器和計(jì)時(shí)器組成。該系統(tǒng)用來測量給試樣施加發(fā)火能量起到其開始輸出時(shí)為止的時(shí)間[2]。

圖1 火工品作用時(shí)間測定原理

該框圖測試的過程是：當(dāng)火工品施加能量時(shí)開始啟動計(jì)時(shí)信號；當(dāng)火工品在起爆能量作用下燃燒、爆炸后通過探測器件放大后輸出的信號作為停止計(jì)時(shí)信號，兩種信號之間的時(shí)間間隔就是火工品作用時(shí)間。

2 常用測試方法及其原理

火工品的作用時(shí)間的測試方法根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)不同所分的類別也不相同，主要的分類標(biāo)準(zhǔn)有以下兩種。按時(shí)間長短分類，火工品的作用時(shí)間測試方法包括微秒、毫秒和秒級火工品的測試；按獲取的信號的手段分類，包括探針法、靶線法、聲電法、光電法和高速攝影法等[2]。探針法、光電法和高速攝影法適合測量微秒級火工品，也可測量毫秒級火工品。靶線法和聲電法只適合于測毫秒和秒量級火工品[1]。下面按獲取信號的手段的分類，介紹一下測時(shí)方法。

2.1 探針法

探針法是高速動態(tài)測時(shí)的一種普遍使用的方法，它結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、使用可靠、成本較低。探針實(shí)際上是兩個(gè)電極，要么接通，要么斷開[3]。借助外電路，在探針接通或斷開的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)階躍電壓，形成計(jì)時(shí)信號。探針測時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探針法測時(shí)系統(tǒng)

2.2 聲電法

聲電法是利用火工品爆炸時(shí)的聲音，經(jīng)揚(yáng)聲器或送話器等器件轉(zhuǎn)換成電信號，送入計(jì)時(shí)裝置。聲電法的工作原理是揚(yáng)聲器受到空氣傳來的聲波壓力而振動，磁場也隨之振動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[4]。經(jīng)變壓器升壓二極管整流后的正弦信號給一個(gè)三極管的基極，其發(fā)射極與下一個(gè)三極管的基極相連，再經(jīng)過兩個(gè)三極管組成的射級耦合雙穩(wěn)態(tài)電路，最后由RC組成的微分電路輸出尖端脈沖信號，觸發(fā)儀器工作。

2.3 光電法

利用物體在作用過程中產(chǎn)生的光亮作為計(jì)時(shí)信號。這里的光指的是可見光和紅外光，即波長在0.3～2μm范圍內(nèi)[5-6]。光電檢測的基本方法是一般測試法和差動測試法，差動測試法是把被測量與某一標(biāo)定量進(jìn)行比較，再對它們的差值進(jìn)行放大輸出。

2.4 靶線法

靶線法是用直徑不大于0.1mm的漆包線作為靶線，把它緊緊繞在火工品輸出端或透明膠帶紙等粘在火工品輸出端的中心部分并與火工品絕緣[7]。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)主要針對脈沖點(diǎn)火型火工品進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該類型的火工品對點(diǎn)火脈沖的寬度及產(chǎn)生脈沖電流的大小要求精度較高。不同類型的火工品對長生點(diǎn)火脈沖電流的大小及持續(xù)時(shí)間要求不同。如火工品A：脈沖寬度：15ms±0.5ms；點(diǎn)火電流1A±0.1A；點(diǎn)火電流持續(xù)時(shí)間15ms±0.5ms；火 工 品B：脈 沖 寬 度 ：3ms±0.2ms,；電 流 ：0.5A±0.05A；點(diǎn)火電流0.5A±0.05A；點(diǎn)火電流持續(xù)時(shí)間3ms±0.2ms；因此，設(shè)計(jì)了從脈沖作用到發(fā)火的時(shí)間的測試電路。時(shí)間范圍：1～20ms，精度：5%，這樣才能滿足系統(tǒng)要求。

3.1 測時(shí)系統(tǒng)框圖

圖3 測時(shí)系統(tǒng)框圖

火工品的測試電路，要求具有很高的精度，即測量誤差控制在5%以內(nèi)，本系統(tǒng)測量時(shí)間時(shí)測量誤差包括振蕩誤差和計(jì)數(shù)顯示誤差[11]。脈沖計(jì)數(shù)器選用同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160，由于此電路對頻率穩(wěn)定性有較高的要求，選用高頻率的石英晶體多諧振蕩器輸出脈沖序列。在點(diǎn)火前顯示器顯示電阻的電壓為一定電壓值（5V）的波形，點(diǎn)火開始火工品的阻絲由于脈沖過熱熔斷這時(shí)顯示器顯示的電壓為0V，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)截止，這段時(shí)間就是火工品的工作時(shí)間。此設(shè)計(jì)要求時(shí)間范圍：1～20ms，由于f0= 10kHz，則T0=100μs，如果計(jì)數(shù)時(shí)間為t=1 ms，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍為00.00～01.00；t=10 ms，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為00.00～10.00；t=5.3 4ms，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為00.00 ～5.34。為了減小計(jì)數(shù)顯示誤差，在計(jì)數(shù)時(shí)應(yīng)計(jì)到小數(shù)點(diǎn)后兩位（設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)范圍為00.00～99.99，覆蓋了設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)要求范圍），則測量時(shí)間可精確到百分位（確保測量精度在5%以內(nèi)）。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)選用譯碼器7448來直接驅(qū)動共陰極的半導(dǎo)體數(shù)碼管。下面以測試原理分解圖明確的表示出火工品作用時(shí)間。如圖4所示。

圖4 測試原理分解圖

3.2 測試結(jié)果

表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，火工品A測得的時(shí)間在15ms左右，上下浮動在±0.5ms之間；對火工品B測得的數(shù)據(jù)在3ms左右，上下浮動在±0.2ms之間。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)均在所要求的精度范圍內(nèi)，能達(dá)到測試的目的及要求。

表1 火工品A、B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位ms）

4 總結(jié)

通過對一般測時(shí)原理的介紹，我們了解了火工品作用時(shí)間測試原理。但這些一般的方法并不是在各種火工品類型中都適用的，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的火工品來設(shè)計(jì)不同的測時(shí)系統(tǒng)，我們根據(jù)所設(shè)計(jì)的不同類型的火工品點(diǎn)火脈沖，設(shè)計(jì)了脈沖測時(shí)電路，由測得的數(shù)據(jù)可知該電路可以準(zhǔn)確地測得作用時(shí)間，并能達(dá)到精度在5%的要求。該電路還可以應(yīng)用在其他的測時(shí)電路，可以簡單有效地測試出作用時(shí)間。

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