低功耗爆炸沖擊波應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

張少杰，馬鐵華，沈大偉

(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)

炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，爆轟產(chǎn)物將猛烈沖擊其周圍的介質(zhì)，并在介質(zhì)的界面上產(chǎn)生壓力突躍，即爆炸沖擊波，這是造成破壞效應(yīng)的直接原因。爆炸沖擊波的峰值超壓、高壓持續(xù)時(shí)間以及沖量是炸藥能量特性的三項(xiàng)重要參數(shù)，也是衡量彈藥特別是爆破及殺傷——爆破戰(zhàn)斗部損傷效果的關(guān)鍵指標(biāo)，其準(zhǔn)確測(cè)量具有重要的意義。其中，爆炸沖擊波對(duì)彈性材料的破壞程度在很大程度上受其峰值壓力衰減到大氣壓所需的時(shí)間的影響，即沖擊波作用于目標(biāo)的沖量，而巨大的沖量將會(huì)使物體內(nèi)部產(chǎn)生極大的應(yīng)力［1－2］。由于炸藥爆炸將造成巨大的破壞力，如果在爆炸沖擊波對(duì)彈性敏感元件的應(yīng)力測(cè)試中運(yùn)用精密的傳感器或使用電阻應(yīng)變儀作為測(cè)試系統(tǒng)的話，成本非常高;同時(shí)為了減少對(duì)測(cè)試環(huán)境的影響，利用體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、價(jià)格低廉、測(cè)量精度高的應(yīng)變片，并配以高效低功耗的測(cè)試電路來(lái)進(jìn)行爆炸沖擊波－應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，可以取得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變式傳感器、模擬部分、采集存儲(chǔ)部分、控制模塊以及機(jī)械殼體結(jié)構(gòu)五部分組成。系統(tǒng)的工作原理為:當(dāng)炸藥爆炸產(chǎn)生巨大沖擊波時(shí)，彈性元件發(fā)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，而粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片將隨之產(chǎn)生應(yīng)變，因此應(yīng)變片的電阻值將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。通過(guò)橋式測(cè)量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化。然后經(jīng)由模擬電路將微弱的電壓信號(hào)放大濾波，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集電路把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并由存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPLD控制電路時(shí)序、電源管理和工作模式的產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿后由接口電路與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)讀數(shù)軟件將所測(cè)得到的數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)并顯示相應(yīng)的應(yīng)變曲線，再按預(yù)定的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所需要的應(yīng)力值［3］。為了適應(yīng)爆炸造成的高壓高溫高沖擊的測(cè)試環(huán)境，將設(shè)計(jì)的電路模塊封裝在以18Ni馬氏體時(shí)效鋼為彈性材料的機(jī)械殼體內(nèi)，在其上端蓋內(nèi)側(cè)安裝電阻應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器的選擇

傳感器的性能好壞及其使用是否得當(dāng)直接關(guān)系到測(cè)試信號(hào)的優(yōu)劣，它是測(cè)試技術(shù)的核心［4］。在本次爆炸沖擊波—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，由于主應(yīng)力方向未知，所以采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的KFU系列三軸直角應(yīng)變花測(cè)量應(yīng)變。該類型應(yīng)變片線性度好、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，最高工作溫度可達(dá)300℃，非常適合在惡劣條件高溫應(yīng)變的測(cè)量。在應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中，主應(yīng)變的大小和方向可以先用三軸直角應(yīng)變花的各敏感柵測(cè)得各個(gè)方向應(yīng)變，然后按公式算出，或從應(yīng)變莫爾圓畫(huà)圖求出。主應(yīng)力的大小，可以用各敏感柵測(cè)得的應(yīng)變，及被測(cè)構(gòu)件材料的彈性模量和泊松比按公式算出。

2.2 橋式測(cè)量電路設(shè)計(jì)

應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由于電阻的變化在數(shù)量值上很小，因此須采用高精度的測(cè)量電路—電橋測(cè)量電路，將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化，這種測(cè)量電路不僅測(cè)量的準(zhǔn)確度高，而且可進(jìn)行溫度補(bǔ)償［5－6］。在應(yīng)變測(cè)量中絕大多數(shù)是使用不平衡電橋，在不平衡電橋中是依靠電橋的不平衡輸出反映應(yīng)變的大小和正負(fù)。本次實(shí)驗(yàn)中電橋測(cè)量電路采用單臂(1/4橋)電壓輸出型接法，如圖2所示。

其中，U為5 V電源電壓，Uo為電橋輸出電壓;R1為工作應(yīng)變片電阻，R2、R3和R4為高精密固定電阻，其阻值和R1相同。當(dāng)輸出端接入高阻抗負(fù)載時(shí)，電橋的輸出端可視為開(kāi)路，電橋的輸出電壓Uo為:

圖2 單臂(1/4橋)電壓輸出型電橋測(cè)量電路圖

當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)，由于沖擊波的作用彈性材料感受微應(yīng)變?yōu)棣?，?yīng)變片R1變化的電阻增量為ΔR，即R1=R1+ΔR，橋路平衡被破壞，電橋輸出不平衡電壓為:

設(shè)R1=R2=R3=R4=R，

上式表明電橋輸出Uo只與K、ε和U有關(guān)而與R的大小無(wú)關(guān)并且Uo與U呈線性關(guān)系，由于式中存在高次項(xiàng)，Uo與Kε呈非線性關(guān)系。對(duì)于一般應(yīng)變片，其靈敏度系數(shù)K=2，當(dāng)微應(yīng)變?chǔ)藕苄r(shí)，可略去高次項(xiàng)，近似作線性化處理，得:

2.3 電源管理模塊

由于測(cè)試系統(tǒng)需要在惡劣的條件下工作，所需能量是靠高溫電池來(lái)供應(yīng)，電量有限。為使系統(tǒng)能夠正常工作，低功耗的要求就必須考慮［7］，因此本次設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的多路電源供電管理模塊，選用National Semiconductor公司生產(chǎn)的LP5996作為電源管理芯片。LP5996是一個(gè)雙線性調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)能力很大，分別能驅(qū)動(dòng)150 mA和300 mA。它具有35 μA的超低靜態(tài)電流;當(dāng)它的兩個(gè)使能端都禁止的情況下，其消耗的電流僅為0.5 nA，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。多路電源管理模塊分別為:VCC、VDD、VEE。電路中，控制模塊CPLD內(nèi)是始終都需要供電的，電池產(chǎn)生3.6 V提供給VCC，直接用來(lái)給CPLD供電。存儲(chǔ)模塊部分、AD轉(zhuǎn)換部分由VDD供電，運(yùn)算放大器、晶振由VEE控制，通過(guò)CPLD內(nèi)部邏輯程序控制管理這幾路電源的通斷，當(dāng)該路器件需要工作時(shí)給其供電;不工作時(shí)，將其電源關(guān)斷，由此大大降低了電池的耗費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的低功耗。

電源管理模塊在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

在本次爆炸沖擊波－應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，利用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)［8］模擬炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高壓高溫環(huán)境，測(cè)試18 Ni馬氏體時(shí)效鋼所受到的應(yīng)力。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要由模擬膛壓發(fā)生器、應(yīng)變測(cè)試儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)前將應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)腔，實(shí)驗(yàn)時(shí)將模擬膛壓發(fā)生器中的發(fā)射藥點(diǎn)燃，產(chǎn)生的瞬時(shí)爆炸沖擊波同時(shí)作用在應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和應(yīng)變測(cè)試儀上，當(dāng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完后，由計(jì)算機(jī)讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所需要的應(yīng)力值［9］。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在本次爆炸沖擊波實(shí)驗(yàn)中，為了得到完整可靠的爆炸沖擊波－應(yīng)變曲線圖，將3個(gè)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)放入模擬膛壓發(fā)生器中，測(cè)量系統(tǒng)在100 g當(dāng)量的炸藥引起的爆炸沖擊波對(duì)18Ni馬氏體時(shí)效鋼造成的應(yīng)變效果［10］。圖5為100 g炸藥當(dāng)量下應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中直角應(yīng)變花某一敏感柵所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)的典型曲線。

圖5 直角應(yīng)變花中某處敏感柵采集的數(shù)據(jù)

設(shè)三軸直角應(yīng)變花各方向微應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 直角應(yīng)變花各方向微應(yīng)變

利用平面應(yīng)力狀態(tài)分析［11］，可得任意與X軸成θ角的方向上的微應(yīng)變:

取 θ分別為 0°，45°，90°，得:

在某應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中，用直角應(yīng)變花測(cè)得三個(gè)線應(yīng)變?yōu)?

根據(jù)材料力學(xué)的應(yīng)變莫爾圓，可得出主應(yīng)變大小及其方向角的表達(dá)式為:

ε1=1105.464×10－6

ε2=－565.464×10－6

α=47.91°或 α=137.91°

根據(jù)廣義胡克定律推導(dǎo)出主應(yīng)力大小及其方向:

式中E，μ分別為構(gòu)建材料的彈性模量和泊松比。18Ni馬氏體時(shí)效鋼彈性模量E=206 GPa，泊松比 μ=0.29。

主應(yīng)力與主應(yīng)變方向相同:

將三套應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)以及應(yīng)變測(cè)試儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到此次爆炸沖擊波引起的應(yīng)力大小，如表1所示。此次爆炸沖擊波實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變測(cè)試儀所測(cè)得最大主應(yīng)力為211.714 MPa，最小主應(yīng)力為－55.035 Mpa。

表1 100 g當(dāng)量炸藥爆炸引發(fā)的應(yīng)力數(shù)據(jù)

由誤差分析理論［12］得，此次爆炸沖擊波—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差小，精度高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

通過(guò)在同一發(fā)試驗(yàn)中，三套應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)與應(yīng)變測(cè)試儀同時(shí)采集由爆炸沖擊波引發(fā)的應(yīng)變，并對(duì)彈性材料主應(yīng)力大小進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，得出本次設(shè)計(jì)的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于環(huán)境條件比較差的爆炸試驗(yàn)中，在可靠可信、微功耗的基礎(chǔ)上能得到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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