Design of Thermal-Baric Explosive Explosion Temperature Measuring System Based on Wireless and Memory Test Technology

LIU Fan，F(xiàn)AN Jinbiao*，DU Hongmian，JIAO Yaohan，LIU Shilong，LIANG Yongye，MIAO Songzhen

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Design of Thermal-Baric Explosive Explosion Temperature Measuring System Based on Wireless and Memory Test Technology

LIU Fan1，F(xiàn)AN Jinbiao1*，DU Hongmian1，JIAO Yaohan1，LIU Shilong2，LIANG Yongye1，MIAO Songzhen3

(1.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd，Yinchuan Ningxia 750000，China;3.People’s Liberation Army 4328 Factory，Changzhi Shanxi 046000，China)

Detonating time of thermal-baric explosive is long，the explosion temperature is high and the accompanying explosion damage is serious.These properties make the explosion temperature test difficult.To effectively evaluate thermal damage effect of temperature pressure ammunition，storage technology is applied in the explosive transient high temperature test.Wireless sensor network technology is combined with it to remote monitor status of test equipment as intelligent test.We can be 500 meters outside the remote monitoring test instrument，this can ensure the safety of the experimenters.System uses E12 type thermocouple，has short response time and the maximum temperature of 2 300℃.To ensure the accuracy，dynamic calibration experiment of the test system was made.The test system device is successfully applied in real field test of small equivalent thermal-baric explosive.Experimental results showed that the designed system is simple in operation，safe in use，and the application prospect is perfect.

thermal-baric explosive;storage test;wireless sensor network;dynamic calibratione;field experiment

溫壓炸藥可被視為混合炸藥，兼具高能炸藥和燃料空氣炸藥的特點，是一種富燃料的高能炸藥。有別于傳統(tǒng)彈藥以破片或金屬射流等作為主要殺傷手段，溫壓炸藥特別適合毀傷洞穴、地下工事、建筑物等封閉空間內(nèi)的有生力量，已成為當前混合炸藥發(fā)展的熱點［1］。溫壓炸藥主要是利用溫度和壓力效應產(chǎn)生殺傷效果，引爆后會發(fā)生劇烈燃燒，大量向四周輻射熱量，同時產(chǎn)生沖擊波［2］。因此溫壓炸藥爆炸溫度的精確測量對于炸藥能量釋放規(guī)律和熱毀傷效應的研究具有重要意義［3］。目前主要使用非接觸法來測量炸藥的爆炸溫度。非接觸法主要有輻射測溫法和原子光譜測溫法，其優(yōu)點是能獲得火球表面溫度、尺寸以及火球持續(xù)時間等特征參量，缺點是野外試驗需提供電力支持機動性差、不能有效獲取火球內(nèi)部溫度［4］。存儲測試技術(shù)［5］，作為測試計量技術(shù)的一個特色分支，廣泛應用于高溫、高壓、高沖擊、強電磁干擾、不易引線等特殊、惡劣環(huán)境下的信息獲取。本文介紹了一種基于存儲測試技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)溫壓炸藥爆溫測試系統(tǒng)，測試裝置布設與爆炸場中，人員遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，現(xiàn)場完成溫度參量的采集與存儲，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現(xiàn)被測信息。

1 溫壓炸藥的爆炸特性及測試難點

溫壓炸藥的爆炸過程主要由以下3個“事件”組成:(1)最初的無氧爆炸反應，無需從周圍空氣中吸取氧氣，持續(xù)時間續(xù)時間小于1 μs。此階段僅釋放一部分能量，并產(chǎn)生大量富含燃料的產(chǎn)物。(2)爆炸后的無氧燃燒反應，也無需從周圍空氣中吸取氧氣，持續(xù)時間為數(shù)十到幾百微秒，主要是燃料粒子的燃燒。(3)爆炸后的有氧燃燒反應，需從空氣中吸取氧氣，持續(xù)時間可達數(shù)百毫秒級，主要是富含燃料的產(chǎn)物與周圍空氣混合燃燒。此階段釋放大量能量，延長了沖擊波的持續(xù)時間，并使火球越來越大。

這3個“事件”確定了溫壓炸藥的基本性能以及溫壓炸藥爆炸溫度場現(xiàn)場測試的難點:(1)溫壓彈爆炸作用時間短，爆溫具有瞬變特性，測試系統(tǒng)需進行動態(tài)校準來確保其測量精度(2)溫壓彈爆炸火球毀傷面積大且伴隨強沖擊波，傳統(tǒng)引線式接觸式測溫方法和非接觸式輻射式測溫方法在爆炸近場溫度測試均表現(xiàn)出不足，測試裝置能放置于爆炸火球中測量，耐高溫高壓沖擊;(3)溫壓炸藥爆炸時產(chǎn)生大量有毒氣體和煙霧，導致局部空氣缺氧，為保證參試人員的人身安全，在安全距離外相關(guān)操作人員能遠程監(jiān)控設備工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設計

測試系統(tǒng)主要由多個相同的智能溫度測點(子系統(tǒng))和主控制臺組成，每個子系統(tǒng)又包括傳感器模塊、電源管理模塊、時鐘模塊、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA控制器、閃存FLASH等模塊。信號調(diào)理電路完成傳感器模塊輸出信號的放大、濾波等; A/D轉(zhuǎn)換器完成調(diào)理后的模擬信號的數(shù)字化;然后數(shù)字量按照控制模塊的寫入命令寫入閃存存儲模塊，完成了信號的采集和存儲;主控制臺通過無線的方式控制智能溫度測點的工作狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場情況進行采樣頻率、放大倍數(shù)和觸發(fā)方式等參數(shù)的設定。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。表1所示為系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

表1 測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標

3 傳感器的選型及校準方法介紹

溫壓炸藥在爆炸過程中爆轟時間為ms級，沖擊波壓力小于10 MPa［6］，為了準確記錄下爆炸時溫度變化曲線，本測試系統(tǒng)最終選用NANMAC公司的E12型侵蝕熱電偶。其主要技術(shù)指標如表2所示。

表2 E12型侵蝕熱電偶技術(shù)指標

由表2可知，該傳感器從上升時間、測量溫度范圍以及耐壓性能等方面，均能滿足測試系統(tǒng)性能的要求。

由于爆溫的瞬變性，采用瞬態(tài)表面溫度傳感器可溯源動態(tài)校準技術(shù)［7］對測試系統(tǒng)進行動態(tài)校準，確保測試系統(tǒng)精度。如圖2所示，系統(tǒng)中采用大功率高頻調(diào)制CO2激光器作為加熱熱源來實現(xiàn)對E12型侵蝕熱電偶的現(xiàn)場動態(tài)校準。CO2激光器的能量通過全反射鏡和聚光鏡組成的光學系統(tǒng)得以匯聚，被校傳感器和輻射溫度計同時對熱源進行測量。校準過程如圖3所示。

為此，在研發(fā)創(chuàng)新方面，華岳每年投入大量資金，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和智能化程度，同時也收獲了寶貴的自主知識產(chǎn)權(quán)。截至目前，公司共獲得48項專利，其中發(fā)明專利7項，實用新型38項，有力支撐了產(chǎn)品更新升級和向高端化發(fā)展。

同時利用校準系統(tǒng)對E12型熱電偶的上升時間進行測試。CO2激光器激勵脈寬為300 μs時，E12型熱電偶的輸出信號如圖4所示。激勵熱電偶從零值到最大值所需時間為334 μs，由于激光消失時前熱能達到最大，也就是說300 μs后達最大，所以E12型熱電偶的響應時間應該小于51 μs。

圖2 動態(tài)校準系統(tǒng)光路圖

圖3 可溯源動態(tài)校準過程框圖

圖4 脈寬為300 μs時熱電偶輸出信號

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 冷端補償技術(shù)

為了實現(xiàn)瞬態(tài)溫度的精確測試，使用E12型侵蝕熱電偶必須做好冷端補償措施［8］。直接使用分度表顯然會引進誤差，必須設計合適冷端補償電路來解決這個問題。如圖5所示即是利用AD590作為熱電偶冷端補償?shù)碾娐吩韴D，AD590作為熱電偶冷端的溫度敏感原件，對冷端的溫度進行實時測量，測量溫度后輸出的電流隨冷端溫度改變而改變。經(jīng)過R1和R2的電阻分壓作用，VIN－的輸入是一個2.5 V的恒壓值，為輸入放大提供一個共模量。電流I通過電阻R3時，所形成的的電壓為VIN+，即是冷端補償電壓。即:

由上式可知，當環(huán)境溫度為零度時，INA128放大器的輸入端壓差(VIN+和VIN－的差值)為零。當環(huán)境溫度每變化1℃時，其輸入電壓就變化9.1 mV。

圖5 冷端補償原理圖

4.2 無線傳感網(wǎng)絡工況設計

無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)［9］的應用，使得測試儀器可以放置爆炸火球中進行溫度測量，同時各溫度測點相互關(guān)聯(lián)，具有統(tǒng)一的工作時基。無線傳感網(wǎng)絡的工況合理設計，確保測試系統(tǒng)的可靠高效完成測試任務。

系統(tǒng)從斷電態(tài)進入到供電態(tài)后，無線傳感網(wǎng)絡的主、從節(jié)點均進行初始化，完成星型網(wǎng)絡組建成功。組網(wǎng)成功后系統(tǒng)分為命令給出及測試數(shù)據(jù)傳輸兩個階段。命令給出階段，根據(jù)不同距離測點處溫度大小和變化快慢不同，主控制臺完成對各測點觸發(fā)方式、采樣頻率、增益等參數(shù)的配置。此時系統(tǒng)處于循環(huán)采樣狀態(tài)，參試人員可以離場。在起爆前1 s～2 s，各測點裝置接受無線觸發(fā)命令，系統(tǒng)進入測試數(shù)據(jù)傳輸階段。在該階段，系統(tǒng)接收到同步觸發(fā)信號后給MCU一個反饋信號，使無線模塊下電，防止爆炸時爆轟區(qū)的電磁場對測試系統(tǒng)的干擾。1 min后打開無線模塊電源，重新初始化無線模塊并重新組網(wǎng)，然后再進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 無線傳感網(wǎng)絡工況狀態(tài)圖

4.3 數(shù)據(jù)存儲

圖7 數(shù)據(jù)存儲流程圖

5 現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析

為了評估溫壓彈藥無線存儲測試系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)對1.5 kg相同藥劑的溫壓炸藥進行了實爆測試。測點布設參照相關(guān)國軍標［10］要求，采用距爆心徑向分布，距爆心分別為0.6 m、1.5 m和2 m。溫壓炸藥引爆前，主控制臺通過無線給各測點進行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置;爆炸結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。測試現(xiàn)場如圖8所示。

圖9所示為典型溫度測試曲線，部分試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況如表3所示。

由試驗結(jié)果分析可知:(1)1.5 m處爆溫峰值比0.6 m處大，比2 m處小，溫壓炸藥爆溫并非離爆心越遠溫度越低，而是有一個先升后降的變化趨勢，這符合前文提到的溫壓炸藥爆炸的“三個事件”。(2)在距爆心相同距離的毀傷效應具有良好的一致性，而隨著距爆心的距離的不同，熱劑量的值存在著顯著的變化。

圖8 測試現(xiàn)場

圖9 典型溫度測試曲線

表3 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)較好的反映了溫壓炸藥爆炸溫度場的傳播特性，對溫壓炸藥的熱毀傷效果有一定的參考價值。

6 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于存儲測試技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的溫壓炸藥爆溫測試方法，可遠程監(jiān)控測試裝置工作狀態(tài)，減小了試驗操作的工作量，

提高了測試效率;解決了傳統(tǒng)爆炸場溫度測量中布線難、噪聲大及無法實時監(jiān)控等問題。試驗證明了該系統(tǒng)具有良好的實用性和可靠性，在測試領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景和推廣價值。

［1］王曉峰，馮曉軍，肖奇.溫壓炸藥爆炸能量的測試方法［J］.火炸藥學報，2013，36(2):9－12.

［2］Wildegger-Gaissmaier Dr A E.Aspects of Themobarie Weaponry［J］.ADF Heahh，2003，4(1):3－6.

［3］李秀麗，惠君明.溫壓炸藥的爆炸溫度［J］.爆炸與沖擊，2008，28(5):471－475.

［4］鄧金榜，王伯良.溫壓炸藥爆炸溫度測量［C］//第十五屆全國激波與激波管學術(shù)會議論文(上冊).2012，7，176－180.

［5］張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用［M］.北京:高等教育出版社，2002:1－7.

［6］李幸.基于熱電偶的爆炸溫度場存儲測試技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學，2009.

［7］郝曉劍.瞬態(tài)表面高溫測量與動態(tài)校準技術(shù)研究［D］.太原:中北大學，2005.

［8］王代華，宋林麗，張志杰.基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測試方法［J］.探測與控制學報，2012，34(3):23－28.

［9］王健，裴東興，王薇.XXX爆炸威力場遠距離多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學報，2013，26(4):516－517.

［10］GJB5412—2005燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測試及爆炸威力評估方法［S］.中華人民共和國國家軍用標準，2005.

劉帆(1988－)，男，湖北省孝感市人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為動態(tài)測試與智能儀器，liufan1988 @163.com;

范錦彪(1974－)，男，中北大學副教授，研究方向為高g值加速度計校準及高沖擊測試技術(shù)，fanjinbiao@nuc.edu.cn;

杜紅棉(1977－)，女，遼寧省錦州市人，中北大學副教授，主要從事爆炸沖擊波測試技術(shù)等方面的研究，duhongmian@nuc.edu.cn;

焦耀晗(1988－)，男，中北大學碩士研究生，研究方向為動態(tài)測試與FPGA嵌入式開發(fā)，617446667@qq.com。

溫壓炸藥爆溫無線存儲測試系統(tǒng)設計

劉帆1，范錦彪1*，杜紅棉1，焦耀晗1，劉世龍2，梁永燁1，苗松珍3
(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司烯烴公司，寧夏銀川750000; 3.中國人民解放軍第四三二八工廠，山西長治046000)

溫壓炸藥爆轟時間長、爆炸溫度高且伴隨爆炸破壞作用，使其爆炸溫度測試較困難。為有效評估溫壓彈藥的熱毀傷效應，將存儲測試技術(shù)應用到爆炸瞬態(tài)高溫測試中，并結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，在確保參試人員的安全前提下，可在500 m外遠程監(jiān)控測試儀器狀態(tài)進行智能化測試。系統(tǒng)采用E12型熱電偶，響應時間短，最大測溫為2 300℃，并對其進行可溯源性動態(tài)校準，確保測試精度。測試裝置成功應用于小當量溫壓彈藥的實爆現(xiàn)場測試，試驗結(jié)果表明所設計的系統(tǒng)操作簡單、使用安全，具有良好的應用前景。

溫壓炸藥;存儲測試;無線傳感網(wǎng)絡;動態(tài)校準;現(xiàn)場測試

TQ564

A

1004－1699(2014)04－0467－05

2014－03－02修改日期:2014－04－03

C:7221

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.009