瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)

石正全，李新娥，尤文斌

(1．中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2．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，山西太原 030051)

0 引言

目前，傳統(tǒng)壓力測(cè)試技術(shù)是將壓力傳感器置于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)記錄和處理設(shè)備置于現(xiàn)場(chǎng)以外的安全區(qū)域，測(cè)試信號(hào)通過(guò)電纜傳輸[1]。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[2]，將傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、控制電路、存儲(chǔ)器、接口電路以及電源集成于一個(gè)裝置內(nèi)置于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)試完畢后回收裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨著現(xiàn)代工業(yè)和高科技軍事領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)壓力測(cè)試，特別是瞬態(tài)壓力的測(cè)試提出了更高的要求。傳統(tǒng)壓力測(cè)量方式由于要布設(shè)電纜，測(cè)試數(shù)據(jù)極易受到干擾，測(cè)試質(zhì)量較低，且對(duì)瞬態(tài)壓力參數(shù)信號(hào)響應(yīng)速度慢、測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不足，已不能滿足要求，逐漸被存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)取代。瞬態(tài)壓力測(cè)試通常是在惡劣的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行的，存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)仍然存在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備布設(shè)不便、測(cè)試裝置回收不便等缺陷[3]。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了數(shù)據(jù)采集與緩沖技術(shù)、無(wú)線通信[4]技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種通用多通道瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量惡劣測(cè)試環(huán)境下瞬態(tài)壓力參數(shù)，為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)、判斷、性能評(píng)定提供可靠依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信[5]、低功耗[6]、微型化、高精度、抗干擾測(cè)試，安全可靠，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，測(cè)試效率高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1．1技術(shù)指標(biāo)

多通道瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

(1)系統(tǒng)的接口：無(wú)線、USB接口；

表1 瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)

(2)系統(tǒng)的供電方式：可供電1 600 mA、7.4 V聚合物電池；

(3)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)捕獲率：≥95%；

(4)系統(tǒng)使用的溫度范圍：-15～60 ℃。

1．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

智能測(cè)試系統(tǒng)由無(wú)線智能壓力探測(cè)頭、計(jì)算機(jī)虛擬處理軟件[7]系統(tǒng)主控臺(tái)組成，并采用壓力動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線智能壓力探測(cè)頭群進(jìn)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)，將無(wú)線智能壓力探測(cè)頭置于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)主控臺(tái)和虛擬軟件處理計(jì)算機(jī)置于安全區(qū)域，系統(tǒng)主控臺(tái)控制無(wú)線智能壓力探測(cè)頭的工作狀態(tài)并存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，虛擬軟件處理計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終完成被測(cè)壓力場(chǎng)瞬態(tài)壓力參數(shù)的測(cè)試。

瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試狀態(tài)如圖2所示，測(cè)試過(guò)程中信息流如圖3所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖3 測(cè)試系統(tǒng)中的信息流框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與存儲(chǔ)電路是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心[8]。系統(tǒng)測(cè)試電路包括傳感器適配電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO緩存器、Flash存儲(chǔ)器、CPLD[9]復(fù)雜可編程邏輯器件、AVR單片機(jī)控制電路、無(wú)線收發(fā)模塊以及USB接口電路等模塊組成。瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)電路部分分為模擬電路、數(shù)字電路和通信電路3個(gè)板塊。模擬電路板塊主要有信號(hào)調(diào)理電路、可編程運(yùn)算放大電路和控制電路，功能為對(duì)瞬態(tài)壓力模擬信號(hào)的可編程放大、濾波和系統(tǒng)上、下電控制；數(shù)字板塊主要有A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO緩存器、Flash存儲(chǔ)器和中心控制器，功能為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)；通信板塊主要有無(wú)線實(shí)時(shí)通信單元、USB傳輸單元和中心控制單元，功能為完成瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸以及USB傳輸。

瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)采用XCR3064CPLD可編程邏輯器件對(duì)系統(tǒng)電路上、下電和上、下電延時(shí)進(jìn)行控制，并為數(shù)字板提供16 MHz晶振。數(shù)字板塊控制電路采用XCR3128和ATmega8515共同控制。為保證1 MHz的采樣頻率，采用AD7492獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)采用FIFO芯片作為其數(shù)據(jù)緩存芯片，用來(lái)緩存瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用NAND閃存K9F1G08U0A-PIBO作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。通信板塊中無(wú)線實(shí)時(shí)通信單元的作用主要是完成主機(jī)與探測(cè)頭之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，從而對(duì)探測(cè)頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行無(wú)線觸發(fā)。USB接口電路完成系統(tǒng)主機(jī)與智能測(cè)試系統(tǒng)、通信電路與數(shù)字電路、通信電路與模擬電路之間的通信。

單片機(jī)控制A/D的使能，配合CPLD控制FIFO和Flash的讀寫和擦除，以達(dá)到探測(cè)頭的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的效果。單片機(jī)和CPLD共同完成對(duì)整個(gè)探測(cè)頭的各項(xiàng)功能的控制，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采集和傳輸?shù)墓δ?。單片機(jī)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)主程序流程圖

瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)虛擬處理軟件，用來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的處理工作。該軟件通過(guò)無(wú)線傳輸方式對(duì)測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率、量程等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。

3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和多次模擬試驗(yàn)后，對(duì)3 kg TNT爆炸沖擊壓力[10]進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果，獲得多條有用數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)情況如下：

在試驗(yàn)中，探測(cè)頭分布在距爆心不同距離的圓弧上，爆心離地面高度為1.5 m，主控臺(tái)置于離爆心300 m的掩體內(nèi)。打開探測(cè)頭電源，無(wú)線開關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)主控設(shè)備及筆記本電腦，通過(guò)無(wú)線通信對(duì)探測(cè)頭進(jìn)行自檢和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，炸藥爆炸后，主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6為探測(cè)頭所測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸讀取到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)濾波等處理后的曲線。由圖6可以看出測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離爆心瞬態(tài)壓力峰值總體符合單調(diào)遞減規(guī)律，這充分體現(xiàn)了爆炸沖擊波的傳播特性。本文引用Henrych的空氣沖擊波的峰值超壓經(jīng)驗(yàn)公式[11]，即

圖6 探測(cè)頭壓力曲線

式中：Z=R/W1/3；R為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離，m；W為等效TNT藥量，kg(以TNT當(dāng)量計(jì)算)。

通過(guò)上式，計(jì)算瞬態(tài)壓力峰值得到的理論數(shù)值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

4 結(jié)論

瞬態(tài)壓力智能測(cè)試系統(tǒng)綜合運(yùn)用了無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與緩沖技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，測(cè)試效率高，測(cè)試數(shù)據(jù)不易丟失，充分發(fā)揮無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)越性，突破測(cè)試環(huán)境的限制，實(shí)測(cè)結(jié)果表明可完成惡劣測(cè)試環(huán)境下瞬態(tài)壓力參數(shù)的測(cè)試、處理和存儲(chǔ)。因此，該系統(tǒng)在瞬態(tài)壓力測(cè)試領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：石正全(1988-)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。E-mail：w880325@126．com

李新娥(1971-)，教授，在讀博士，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試、通信的教學(xué)和科研工作。