基于數(shù)字光纖傳輸?shù)碾姛崤谔艍簻y試技術(shù)

張 瑜，張紅艷，裴東興，祖 靜

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

電熱化學(xué)炮主要由高功率脈沖成形網(wǎng)絡(luò)、等離子體發(fā)生器和火炮身管以及觸發(fā)器件等組成，它通過電能和化學(xué)能相結(jié)合為彈丸提供動能，顯著增加炮口動能與初速，實(shí)現(xiàn)超高速發(fā)射[1-4]。膛壓測量對研究電熱炮的等離子體點(diǎn)火、增強(qiáng)作用至關(guān)重要。電熱化學(xué)炮與傳統(tǒng)火炮膛壓測量的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，首先，電熱化學(xué)炮以發(fā)射平臺作為高壓負(fù)極接地端，放電時引起電位浮動會對后端的測試儀器產(chǎn)生破壞，甚至危及人身安全。其次，在工作過程中，電熱化學(xué)炮炮體帶電，高壓脈沖大電流放電將產(chǎn)生強(qiáng)電磁噪聲，強(qiáng)電磁噪聲信號以電場、 磁場和電磁場等多種途徑耦合進(jìn)入測試線路，形成干擾[5-6]。因此，研究強(qiáng)電磁場干擾環(huán)境下膛壓信號的獲取及實(shí)時傳輸技術(shù)具有很重要的意義。

電熱化學(xué)炮發(fā)射時會產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，電磁屏蔽是解決強(qiáng)電磁干擾的重要手段之一[6]，用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響測量電路的正常工作。數(shù)字光纖傳輸技術(shù)因其傳輸數(shù)字信號，在信號處理及傳輸過程中有更強(qiáng)的抑制干擾的能力；首先光纖具有光載頻頻率高、帶寬寬和損耗小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高速數(shù)字信號傳輸，傳輸誤碼率小，其次光纖的基本材料是二氧化硅，絕緣性能好，電磁波很難耦合入光纖[7-8]。因此，數(shù)字光纖傳輸是強(qiáng)電磁場環(huán)境中測試信號傳輸?shù)淖罴逊绞健?/p>

通過總結(jié)多年膛壓測試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種現(xiàn)場存儲型測壓方式與光纖實(shí)時傳輸測壓方式相結(jié)合的測試技術(shù)?，F(xiàn)場存儲測壓器采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)，能效解決電磁干擾問題。測試數(shù)據(jù)一分為二，一路直接存儲在現(xiàn)場存儲測壓器內(nèi)，另一路采用數(shù)字光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收機(jī)。這兩種測壓方式相結(jié)合大大提高了膛壓測量的可靠性和測試設(shè)備的安全性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于光纖傳輸?shù)碾姛崤谔艍簻y試系統(tǒng)主要由現(xiàn)場存儲式測壓器、光纖、遠(yuǎn)程接收機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

現(xiàn)場存儲式測壓器將傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為并行數(shù)字信號，數(shù)字信號一分為二，一路直接保存到現(xiàn)場存儲式測壓器的存儲器內(nèi)，另一路采用數(shù)字光纖傳輸，數(shù)字信號先編碼再由光模塊轉(zhuǎn)化為光信號，再通過光纖實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收機(jī)，遠(yuǎn)程接收機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，還原出電壓信號輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一次測試結(jié)束后遠(yuǎn)程接收機(jī)可以發(fā)出復(fù)位信號，經(jīng)光纖傳輸給現(xiàn)場存儲式測壓器使其復(fù)位，繼續(xù)進(jìn)行測試。

1.2 現(xiàn)場存儲測試技術(shù)

現(xiàn)場存儲測壓器由壓電式壓力傳感器、電荷放大器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、編解碼電路、邏輯控制電路、電源管理電路和多模TTL電平收發(fā)一體光模塊組成，由電池供電，電池與電路灌封在不同材料多層組合的電磁屏蔽殼體內(nèi)，完成壓力信號的現(xiàn)場采集存儲和數(shù)字信號的編碼以及電光轉(zhuǎn)換。在發(fā)射試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算機(jī)通過讀數(shù)接口將測試數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口讀入計(jì)算機(jī)，再做數(shù)據(jù)處理。

編解碼電路和邏輯控制電路是由CPLD實(shí)現(xiàn)的，采用CPLD可以減小測壓器的體積。現(xiàn)場存儲式測壓器的采樣頻率為1MHz，存儲容量是512KWords，可記錄524 ms。

現(xiàn)場存儲式測壓器由可充電的聚合物鋰離子電池供電，避免了由于共地問題耦合入系統(tǒng)的電磁干擾，可連續(xù)工作8 h以上?，F(xiàn)場存儲測壓方式中整個測試過程在電磁屏蔽體內(nèi)完成，不受電磁干擾的影響，讀取數(shù)據(jù)時，試驗(yàn)已結(jié)束，因而沒有電磁干擾。

1.3 數(shù)字光纖傳輸技術(shù)

光纖是非金屬介質(zhì)材料，不導(dǎo)電，因而不會產(chǎn)生磁場，也不受外部電磁干擾的影響，能抗各種電磁干擾和射頻干擾，光纖是強(qiáng)電磁場環(huán)境中信號傳輸?shù)睦硐虢橘|(zhì)。在電熱炮膛壓測試系統(tǒng)中，光纖傳輸切斷了因等離子體發(fā)生器地電位抬升引起的高壓串入測控系統(tǒng)的途徑，實(shí)現(xiàn)安全測量[5]。

測試系統(tǒng)中光纖傳輸部分由兩個收發(fā)一體光模塊和150 m光纖組成，如圖2所示。收發(fā)一體光模塊的工作波長是1 310 nm，與TTL電平兼容，F(xiàn)C光接口。光纖采用的是多模光纖，雙FC尾纖型光接口，工作波長1 310 nm。FC光接口是螺紋連接具有良好的電磁屏蔽特性。收發(fā)一體光模塊的核心器件是半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動電路、高效的PIN 光敏管及其低噪聲光電跨導(dǎo)前置放大器。

AD轉(zhuǎn)換后的12位并行數(shù)字信號在CPLD內(nèi)完成編碼，編碼格式采用異步串行數(shù)據(jù)格式，編碼后的數(shù)據(jù)共16位，傳輸波特率是16Mbps。如圖3所示。

編碼后的脈沖數(shù)據(jù)流輸入至光模塊，對光源進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制，將電脈沖信號調(diào)制半導(dǎo)體光源，形成光脈沖信號，并從光源器件的尾纖發(fā)射出去。接收機(jī)的光模塊首先經(jīng)光檢測器件將光纖傳輸后的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，再恢復(fù)成原始電壓信號。

1.4 遠(yuǎn)程接收機(jī)

遠(yuǎn)程接收機(jī)把光纖傳輸來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再把異步串行數(shù)據(jù)解碼為并行數(shù)據(jù)，送至D /A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為原始電壓信號，輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。接收機(jī)還具備遠(yuǎn)程復(fù)位存儲測壓器的功能。

2 不同材料多層組合的屏蔽技術(shù)

2.1 多層屏蔽結(jié)構(gòu)

電熱化學(xué)炮發(fā)射時會產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，主要的干擾源是高壓脈沖發(fā)生器、等離子體發(fā)生器電爆炸、等離子體發(fā)生器熄弧和負(fù)載電流[6]。針對上述干擾源，采用電磁屏蔽技術(shù)，設(shè)計(jì)了不同材料多層組合的屏蔽結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場存儲測壓器的所有電路及電池被密封在多層屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)，外層屏蔽材料是磁導(dǎo)率較高的30號鋼，不僅對電場有良好的屏蔽，同時對磁場有一定的屏蔽作用，具有一定的強(qiáng)度對現(xiàn)場采集部件起到支撐和保護(hù)作用。中間屏蔽層材料是電導(dǎo)率大的紫銅，確保電路模塊不同部位的壓差較小；內(nèi)層屏蔽材料是磁導(dǎo)率很高的坡莫合金，利用磁力線的旁路原理進(jìn)行低頻磁場的屏蔽(見表1)。為了確保高效的屏蔽效果，通過絕緣漆或硅橡膠墊保證各層之間良好的絕緣，在必須開孔的地方，進(jìn)行特殊處理，如在光纖引出孔處另外增加了保護(hù)端蓋，把開孔后對屏蔽的影響降低。

表1 屏蔽材料的各項(xiàng)參數(shù)

2.2 電磁屏蔽效能分析

高頻電磁波的屏蔽效能主要由吸收損耗決定。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時, 無論電場還是磁場, 它們的幅度都是按指數(shù)規(guī)律衰減，即：

E1=E0·exp(-t/δ)H1=H0·exp(-t/δ)

(1)

式中：δ是趨膚深度即電磁波衰減為原始強(qiáng)度的1/e時所傳播的距離。

趨膚深度的計(jì)算公式為：

δ=0.066/(f·μr·σr)1/2

(2)

式中：f是電磁波的頻率;μr是相對磁導(dǎo)率;σr是相對電導(dǎo)率。

可得出吸收損耗為：

(3)

式中：t為屏蔽材料厚度。

當(dāng)電磁波頻率為10kHz時，可計(jì)算出A30#鋼=166dB，A紫銅=52dB，A坡莫合金=1 000dB，總屏蔽效能遠(yuǎn)大于100dB，因而其干擾可忽略不計(jì)。

當(dāng)電磁波頻率為1kHz時，可計(jì)算出A30#鋼=52dB，A紫銅=16dB，A坡莫合金=332dB，總屏蔽效能遠(yuǎn)大于100dB，因而其干擾可忽略不計(jì)。

低頻電磁波的屏蔽效能主要由反射損耗決定。測試系統(tǒng)處于近場區(qū)，在近場中電磁波的反射損耗。由反射損耗：

(4)

式中:Zw為空氣的特性阻抗;Zs為屏蔽體介質(zhì)的特性阻抗。

由于空氣的特性阻抗Zw在近場中不僅和電磁場的頻率有關(guān)，而且與干擾源和被干擾源的距離及干擾源的性質(zhì)有關(guān)。

|Zw|=k·Z0(Z00=377Ω)

(5)

將k值代入公式(4)可得：

(6)

(7)

測試系統(tǒng)距干擾源的距離約為3m，假設(shè)干擾源的頻率為10Hz，則得出RE30#鋼=237 dB，RE紫銅=281 dB，此時低頻電場干擾可忽略。

RH30#鋼=0dB，RH紫銅=34dB，此時低頻磁場干擾不能忽略。

由上述分析計(jì)算可知，低頻磁場是最難屏蔽的磁場，不能無限度的增加屏蔽材料的厚度來屏蔽，通常選用高導(dǎo)磁材料作屏蔽，高導(dǎo)磁材料為磁場提供低磁阻通路，利用高導(dǎo)磁材料的旁路原理屏蔽低頻磁場。

3 安裝結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場試驗(yàn)

電熱炮膛壓測試系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖如圖4所示。壓力傳感器固定在測試點(diǎn)上，再通過低噪聲電纜與現(xiàn)場存儲測壓器連接，再用金屬屏蔽體把壓力傳感器、低噪聲電纜和存儲測壓器一起屏蔽，數(shù)字信號經(jīng)光纖傳輸至接收機(jī)，恢復(fù)為原始壓力信號傳輸至多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5為膛底壓力曲線，現(xiàn)場存儲方式和光纖傳輸方式的壓力曲線輪廓和變化趨勢一致，波形幅值大致相當(dāng)，只是在時間關(guān)系上相差較大。因?yàn)槎呦嗷オ?dú)立，沒有時間關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的電熱化學(xué)炮膛壓測試系統(tǒng)采用了存儲測試技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)以及電磁屏蔽技術(shù)，有效地切斷了強(qiáng)電磁干擾耦合途徑，具有安全性高、可靠性高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)及實(shí)時傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，解決了電熱化學(xué)炮測試技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，對電熱化學(xué)炮內(nèi)彈道特性的研究提供了測試手段。該測試技術(shù)可以拓展應(yīng)用到各種強(qiáng)電磁場干擾環(huán)境下的參數(shù)測試場合。

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