點(diǎn)火具光電測(cè)時(shí)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

石 佳，王 高，焦 寧

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 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）

火工品的作用時(shí)間對(duì)火工品而言是一個(gè)極其重要的參數(shù)，它是決定火工品的特性和功能的重要指標(biāo)之一[1-2]。目前常用的電點(diǎn)火具作用時(shí)間測(cè)試方法是靶線法[3]。靶線法存在操作煩瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)試精度低的問(wèn)題。光電測(cè)試方法因其具有抗電磁干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快、性能可靠、測(cè)試設(shè)備質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。英國(guó)2002年頒布的爆速測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中就提出了用光電法進(jìn)行爆速的測(cè)試[4]。

鑒于光纖能在高壓、強(qiáng)電磁干擾、高溫、易燃易爆等環(huán)境下安全可靠地使用[5]，而且光纖與炸藥接觸的針刺感度要比傳統(tǒng)探針小，光纖探針測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[6]，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展技術(shù)已逐步成熟。在國(guó)內(nèi)外光纖探針已被用于測(cè)量飛片速度、飛片平整性、樣品中沖擊波速度和聲速以及測(cè)量炸藥爆速和爆轟波陣面等，取得了許多有價(jià)值的成果。此外，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field－Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）具有高的運(yùn)行速度[7]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的高精度測(cè)量。本文即以光纖為傳感器，運(yùn)用光電轉(zhuǎn)換原理和FPGA的計(jì)時(shí)原理，設(shè)計(jì)一種測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)單的點(diǎn)火具時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試原理

測(cè)試原理如圖1所示，在點(diǎn)火具的點(diǎn)火頭與恒流源之間串聯(lián)一個(gè)光電耦合器，在點(diǎn)火具待測(cè)的兩個(gè)測(cè)試孔A、B處分別安裝光纖傳感器。

圖1 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of system principle

當(dāng)閉合啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，電點(diǎn)火具與恒流源構(gòu)成閉合回路，引燃點(diǎn)火具，與此同時(shí)光電耦合器獲得一個(gè)脈沖信號(hào)。在點(diǎn)火具燃燒過(guò)程中，待測(cè)的兩個(gè)測(cè)試孔A、B依次產(chǎn)生光信號(hào)，并通過(guò)光纖將光信號(hào)送出給對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器Ⅰ和光電轉(zhuǎn)換器Ⅱ，形成兩路脈沖信號(hào)。FPGA數(shù)據(jù)處理電路通過(guò)捕捉到光電耦合器送出的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的開(kāi)始與停止，計(jì)數(shù)器的所得值和時(shí)基脈沖周期的乘積便是電啟動(dòng)信號(hào)與兩個(gè)光信號(hào)的間隔時(shí)間，也就是所要測(cè)量的通電到兩個(gè)測(cè)試孔A、B的時(shí)間，即可確定點(diǎn)火具的作用時(shí)間。經(jīng)過(guò)FPGA運(yùn)算處理，將時(shí)間值直觀地顯示在LCD液晶屏上。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由光纖傳感器、光電耦合器、光電轉(zhuǎn)換電路、FPGA處理電路及LCD液晶顯示器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

2.1 光電耦合器

光電耦合器件[8]采用的是線性光耦元件PC817。光電耦合器用來(lái)獲取穩(wěn)定的電啟動(dòng)信號(hào)，避免通電瞬間產(chǎn)生的抖動(dòng)而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.2 光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是本系統(tǒng)的重要元件之一，它的作用主要就是實(shí)現(xiàn)光電變換。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行放大濾波及電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓信號(hào)往往會(huì)存在一定的噪聲，為了防止誤觸發(fā)，需要對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。

在選取光電探測(cè)器時(shí)，首先要根據(jù)測(cè)量的要求對(duì)各種探測(cè)器的主要特性參數(shù)進(jìn)行比較，然后選定最佳的器件。因此，在選定器件時(shí)應(yīng)注意：（1）根據(jù)待測(cè)光信號(hào)的大小，確定探測(cè)器能輸出多大的電信號(hào)，即探測(cè)器的響應(yīng)度大小；（2）探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍是否與待測(cè)光信號(hào)的相對(duì)光譜功率分布一致；（3）當(dāng)測(cè)量調(diào)制或脈沖光信號(hào)時(shí)，探測(cè)器輸出的電信號(hào)是否能夠正確反映測(cè)量光信號(hào)的波形，即探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間；（4）當(dāng)測(cè)量的光信號(hào)幅度發(fā)生變化時(shí)，探測(cè)器輸出的電信號(hào)幅度是否能夠線性地響應(yīng)。根據(jù)要求，最終選取了某公司的1 000μmSilicon PIN 光電探測(cè)器，

2.3 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路采用高速PIN二極管，將產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便后續(xù)電路處理。待測(cè)物產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后首先進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換電路，因此，該部分電路的設(shè)計(jì)是前端信號(hào)處理的核心部分。光電轉(zhuǎn)換電路的基本原理為：光照射PIN光電探測(cè)器時(shí)會(huì)引起探測(cè)器的光電導(dǎo)變化，從而使探測(cè)器的電流發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)采樣電阻后輸出電壓信號(hào)。原理如圖3 所示，其中U為供電電壓，R1為限流電阻，R為采樣電阻。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.3 Photoelectric conversion circuit diagram

圖3中電容C主要起到瞬間放電作用，提高輸出回路中電流作用。采樣電阻R的選取需要依據(jù)待測(cè)對(duì)象的性質(zhì)及傳輸光纖的長(zhǎng)度而定，選取的阻值過(guò)大會(huì)影響測(cè)試精度，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不足，影響后續(xù)電路的采集處理。

2.4 電平轉(zhuǎn)換電路

光電耦合器與光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓為0～5V，而FPGA的I/O電壓為3.3V，兩者電平不兼容，故需要對(duì)其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中采用LM311構(gòu)成同相電壓比較，實(shí)現(xiàn)噪聲的抑制及電平的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中，選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的高性能電壓比較器LM311構(gòu)成同相電壓比較電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整形變換，輸出端通過(guò)上拉電阻和1N4148二極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。電路原理如圖4所示。電路采用單電源5V供電，由于LM311輸出端采用集電極開(kāi)路門(mén)設(shè)計(jì)，因此，使用時(shí)需要外接上拉電阻。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路圖Fig.4 Level conversion circuit diagram

其中，閾值電壓可以通過(guò)改變式（1）中的電阻RW來(lái)設(shè)定。

式（1）中：RW為可調(diào)電阻阻值，R為可調(diào)電阻滑阻端與地之間的阻值，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)RW來(lái)改變閾值電壓Uref。當(dāng)輸入信號(hào)電壓大于Uref時(shí)，輸出為高電平3.3V；相反，當(dāng)輸入信號(hào)電壓小于Uref時(shí)，輸出為低電平0。

2.5 FPGA外部電路設(shè)計(jì)

FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊[9]是本系統(tǒng)的核心部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)間的高精度測(cè)量。該模塊主要由計(jì)數(shù)模塊、乘法器模塊、BCD碼制轉(zhuǎn)換模塊及LCD驅(qū)動(dòng)模塊組成，工作流程如圖5所示。

2.5.1 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘是時(shí)序電路的核心，時(shí)序電路是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下工作的，時(shí)鐘信號(hào)的精確度和穩(wěn)定性直接影響電路工作的性能。時(shí)鐘信號(hào)一般可以通過(guò)晶體振蕩器產(chǎn)生，也可以通過(guò)RC 振蕩器獲得。在測(cè)時(shí)儀中，采用了20MHz 的高精度外部晶體振蕩器為儀器提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，如圖6所示，儀器所需要的各種頻率的時(shí)鐘信號(hào)均可由此基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)倍頻或者分頻得到。

圖5 FPGA工作流程圖Fig.5 FPGA work flow diagram

圖6 時(shí)鐘電路圖Fig.6 Clock circuit diagram

2.5.2 配置電路

在測(cè)時(shí)儀中，選用的是Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C8Q208C8N。該芯片是基于SRAM 工藝的，掉電后信息丟失，因此每次上電后都需要對(duì)FPGA進(jìn)行配置。配置數(shù)據(jù)存放于FPGA的配置RAM中，主要完成對(duì)FPGA內(nèi)部多路器、邏輯、互連線結(jié)點(diǎn)和RAM初始化等信息的配置。根據(jù)FPGA在配置電路中作用的不同，將配置數(shù)據(jù)下載到目標(biāo)器件中，有3種方式：主動(dòng)方式（AS）、被動(dòng)方式（PS）及JTAG方式。在測(cè)時(shí)儀的設(shè)計(jì)中了選擇AS和JTAG兩種配置方式。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

本文采用某型號(hào)點(diǎn)火具（作用時(shí)間范圍小于50ms）作為試驗(yàn)樣品，在靶場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖7所示。采用某測(cè)時(shí)儀（靶線法）與本文所設(shè)計(jì)的光纖探針測(cè)時(shí)儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。光纖法測(cè)量的作用時(shí)間是通電到第3孔時(shí)間與通電到末孔時(shí)間的平均值。試驗(yàn)時(shí)將光纖插入1mm鋼管，光纖前段與鋼管前端齊平，后段用特質(zhì)夾子加以固定。將封裝好的光纖探頭沿點(diǎn)火具孔壁垂直伸入第3孔與末孔中，前端與待測(cè)物接觸并加以固定。靶線法與光纖法分別置于點(diǎn)火具的兩側(cè)，準(zhǔn)備就緒進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)，將兩種方法做平行試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。折線圖如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.7 Schematic of experimental device

表1 點(diǎn)火具作用時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.1 Function time test results of the igniter

圖8 兩種測(cè)試方法的比較Fig.8 Comparison of two test methods

由表1 可以看出，采用本文所設(shè)計(jì)的光纖測(cè)時(shí)儀與采用靶線法對(duì)同一點(diǎn)火具試驗(yàn)所測(cè)得作用時(shí)間均在要求范圍內(nèi)。在10次試驗(yàn)中，光纖法均測(cè)到數(shù)據(jù)，平均時(shí)間為27.648ms；靶線法有3次未測(cè)到數(shù)據(jù)，平均時(shí)間為28.91ms。兩種方法獲得的數(shù)據(jù)基本一致，且光纖法所測(cè)數(shù)據(jù)普遍小于靶線法所測(cè)數(shù)據(jù)。從圖8的折線圖可以觀察到，采用光纖法測(cè)得時(shí)間在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)于靶線法所測(cè)數(shù)據(jù)離散程度小，說(shuō)明光纖法所測(cè)得的結(jié)果更為準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

利用光纖對(duì)點(diǎn)火具進(jìn)行測(cè)試，得到了比靶線法更為精確的數(shù)據(jù)。同等條件下多次試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖測(cè)試法所得的結(jié)果具有一定的穩(wěn)定性和可信度。光纖作為一種新型的測(cè)試方法，在火工品的時(shí)間測(cè)試領(lǐng)域仍然具有很大的發(fā)展前景。

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