煙花用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量方法

江資成，丁仲熙，張光輝，肖家勇，江放明，李建發(fā)

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煙花用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量方法

江資成，丁仲熙，張光輝，肖家勇，江放明，李建發(fā)

（國家級煙花爆竹檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南），湖南 瀏陽，410300）

煙花；電點(diǎn)火頭；作用時(shí)間；菲涅爾透鏡；光電傳感器

電點(diǎn)火頭是一類通用的點(diǎn)火器具，廣泛用于煙火、民用爆破及其他相關(guān)行業(yè)。煙花用電點(diǎn)火頭通常由橋絲、點(diǎn)火藥、腳線構(gòu)成。電點(diǎn)火頭的作用時(shí)間是指自橋絲通電到發(fā)火的時(shí)間間隔，該參數(shù)為電點(diǎn)火頭的關(guān)鍵性能參數(shù)，它對焰火燃放的整體氣勢、空中效果、節(jié)奏、燃放人員的安全，都有重要影響。歐盟最新的煙火標(biāo)準(zhǔn)《煙火制品 其他煙火制品 點(diǎn)火裝置》（EN 16265-2013）[1]規(guī)定作用時(shí)間為電點(diǎn)火器的主要性能參數(shù)，其測量精度要求達(dá)0.01ms。每次型試試驗(yàn)中作用時(shí)間的測量樣品數(shù)達(dá)80次。

目前，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]尚未有煙花用電點(diǎn)火頭的作用時(shí)間測量的規(guī)定。軍用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量通常采用時(shí)間間隔法，用壓力電傳感器或光電傳感器采集信號。成一等[3]采用光電傳感器，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)測試軍用電點(diǎn)火頭橋絲的升溫時(shí)間和點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯期的測試系統(tǒng)。

煙花用電點(diǎn)火頭主要功能是點(diǎn)火，其點(diǎn)火藥量較少，且火藥力弱，被引發(fā)時(shí)產(chǎn)生的爆壓較小，若使用壓力傳感器采集信號，測量結(jié)果誤差會較大，有時(shí)甚至?xí)G失數(shù)據(jù)。本文利用菲涅爾透鏡聚光性能高、厚度小的特點(diǎn)，將電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)的光通過菲涅爾透鏡匯聚到光電三極管上，再把三極管產(chǎn)生的電信號直接作為記時(shí)器的開關(guān)信號，結(jié)合電雷管測試儀，設(shè)計(jì)制作了煙花用電點(diǎn)火頭測量裝置，從而簡單有效地實(shí)現(xiàn)煙花用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量。

1 測量裝置與測量過程

1.1 測量試驗(yàn)裝置

測試裝置結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 測量裝置示意圖

1.1.1 毫秒雷管測試儀

型號：LGS-2A型。時(shí)間測量范圍及誤差：0.1×10-6～99.999s，±0.001%；輸出電流及誤差： 0~4.000A，連續(xù)可調(diào)，±0.5% ；輸出電流波動：≤1%。

1.1.2 暗室

暗室內(nèi)空450mm×300mm×350mm，由上蓋和底座兩部分組成。底座為一個(gè)厚度約5mm的PVC板，板上設(shè)置一“U”形不銹鋼卡口，用以安放電點(diǎn)火頭，并使點(diǎn)火頭上端保持在距底板約50mm的位置。在距電點(diǎn)火頭約150~200mm處安放光電傳感器組件。該組件為一邊長為100mm的立方體，立方體的5個(gè)面為PVC板，另一面呈現(xiàn)一窗口，窗口外面為一邊長約100mm的薄透明玻璃，緊貼玻璃為一菲涅爾透鏡（菲涅爾透鏡規(guī)格：φ100mm，厚度為2mm，焦距為43mm，放大倍數(shù)為800倍），在透鏡后方安置一個(gè)光電三極管，將三極管的感光面正對菲涅爾透鏡中央，并固定在透鏡的焦點(diǎn)后方適當(dāng)?shù)奈恢锰帯０凳疑仙w為PVC板構(gòu)成的長方體槽。

1.1.3 光電傳感器組件

常見的光敏器件有光電二極管和光電三極管[4]，光電二極管具有暗電流小、線性好、響應(yīng)時(shí)間短（納秒級）等優(yōu)點(diǎn)，但其功率較小（光電流微安級）。光電三極管功率較大（光電流為毫安級），光譜范圍大（波長0.4~1.1nm）。本系統(tǒng)傳感器為開關(guān)型，對光電線性要求不高，選擇響應(yīng)時(shí)間為3μs以下的光電三極管，結(jié)合使用暗室，可以滿足測試要求。經(jīng)過試驗(yàn)，選用3DU型硅光敏三極管，其主要性能見表1。

表1 選用的光電三極管的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1 Main technical parameters of selected photoelectric triode

型號反向擊穿電壓/V最高工作電壓/V暗電流/μA光電流/mA峰值波長/nm響應(yīng)時(shí)間/μs最大功率/mW 3DU233≥75≥500.3>2880≤3100

1.2 測量過程

將待測點(diǎn)火頭安放在暗室底板上，點(diǎn)火頭的兩極與雷管測試儀的“引爆”端口連接，并使點(diǎn)火頭朝上對齊菲涅爾透鏡的中央，將暗室的上蓋板蓋好，將光電三極管的腳線與雷管測試儀的“斷-通”開關(guān)連接。打開雷管測試儀，按說明書引燃點(diǎn)火頭，記錄顯示時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用了幾種常見的煙花用電點(diǎn)火頭，按上述方法進(jìn)行測量，均采集到了作用時(shí)間的結(jié)果，結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 幾種常見電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量結(jié)果

Tab.2 The measurement results of function time of some common igniters

樣品名稱點(diǎn)火藥主要成分藥量/mg測量結(jié)果平均值/ms測量次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差/ms高速攝像法測量結(jié)果/ms 樣品AKClO4, KClO3, Zr, KSCN, Al60±108.95121.788.77~43.55 樣品BKClO4, Al-Mg, C, C48H42O740±626.42122.7625.4~277.0 樣品CKClO4, Bi2O3, B, Ti40±57.26121.526.48~29.34 樣品DKClO4, S, C48H42O30±310.73121.2910.00~77.3 樣品GKClO4, Sb2S3, Ti，C12H16N4O1825±312.73121.54-

由表2可知，煙花用電點(diǎn)火頭的作用時(shí)間一般為5~30ms，不同工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品的測試結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不同，一般為10%~20%，這是因?yàn)樽饔脮r(shí)間的測量為破壞性測試，每個(gè)產(chǎn)樣品只能檢測一次，通常電點(diǎn)火頭的加工工藝使點(diǎn)火藥與橋絲之間的接觸狀態(tài)有較大的差異，導(dǎo)致其作用時(shí)間變化較大[5]。

2.2 結(jié)果討論

2.2.1 測量結(jié)果的比對

表2的樣品均在西班牙煙火實(shí)驗(yàn)室Laboratorio Official Madariaga (LOM)進(jìn)行了作用時(shí)間比對測試，LOM的測試方法采用高速攝像法，其對點(diǎn)火時(shí)間的判定依據(jù)是從通電至產(chǎn)生一定高度的火花為止，由表2可見其測量結(jié)果變化較大。本方法測量的是自點(diǎn)火頭通電到其被點(diǎn)燃后產(chǎn)生的首個(gè)火光的時(shí)間間隔。而點(diǎn)火到被點(diǎn)燃產(chǎn)生一定高度的火苗還需一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間也會因樣品的不同而差異較大。將本方法的測量結(jié)果與LOM的高速攝影法測量結(jié)果的最小值進(jìn)行了比對，其結(jié)果是一致的。

2.2.2 測量誤差分析

參照歐盟煙火標(biāo)準(zhǔn)EN16265對電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間的測試方法，對上述結(jié)果進(jìn)行了測量誤差分析。測量誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：待測電點(diǎn)火頭的個(gè)體差異、記時(shí)器的誤差、方波電源的上升沿時(shí)間帶來的誤差、光電三極管的響應(yīng)時(shí)間、測試電路的物理長度、測量裝置的光路長度。第1項(xiàng)為樣本帶來的誤差，為毫秒級，后5項(xiàng)為測量儀器帶來的誤差，為10-2毫秒級。所以，儀器帶來的誤差遠(yuǎn)小于樣本。

3 結(jié)論

（1） 本文設(shè)計(jì)的通過光電傳感器測量電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測試系統(tǒng)，符合歐盟煙火標(biāo)準(zhǔn)對電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量儀器的要求，適合煙花用電點(diǎn)火頭的測量。

（2）菲涅爾透鏡聚光效果好，光路短，其與光電三極管組成的光電傳感器組件可用于電點(diǎn)火頭的測量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，測量過程簡便。不需用到價(jià)值昂貴、操作繁瑣的高速攝像系統(tǒng)，更適合檢驗(yàn)量較大、價(jià)值較低的出口煙花檢驗(yàn)。

（3）本裝置用于煙花用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的測量時(shí)，系統(tǒng)誤差較小，測量誤差主要來源于樣品的不均勻度。

[1] EN 16265-2015, Pyrotechnic articles-Other pyrotechnic articles- Ignition devices [S]. European Committee for Standardization, 2015.

[2] SN/T 3081.2-2012, 出口煙花爆竹產(chǎn)品檢驗(yàn)方法 第2部分: 電子點(diǎn)火頭測定方法[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012.

[3] 成一,陳守文,等.電點(diǎn)火頭發(fā)火過程的時(shí)間結(jié)構(gòu)的研究[J]. 爆破器材, 2001(5): 22-23.

[4] 張文濤.光電儀器原理及應(yīng)用 [M].西安:西安電子科大出版社, 2014.

[5] 陳守文,成一,等.涂覆式橋絲電點(diǎn)火頭的研究[J].火工品, 2002 (3): 17-19.

The Measurement Method of Function Time of Igniter Used in Fireworks

JIANG Zi-cheng，DING Zhong-xi，ZHANG Guang-hui，XIAO Jia-yong，JIANG Fang-ming，LI Jian-fa

(China Pyrotechnics Testing Laboratory(Hunan), Liuyang, 410300)

A measurement device for function time of electric igniter in fireworks was designed, by use of Fresnel lenses and photoelectric sensors, and the function time of some general electric igniters used in various fireworks was measured. Meanwhile, the results of the measurement were compared to that of the high speed photography method. The study indicated that the measurement results are consistent with the high-speed photography method, and comply with the relevant requirements of the EU fireworks standards.

Fireworks；Electric igniter；Function time；Fresnel lens；Photoelectric sensors

TQ567

A

2015-11-30

江資成（1971- ），男，高級工程師，從事煙花爆竹等危險(xiǎn)化學(xué)品檢驗(yàn)。

基金課題：國家質(zhì)檢總局課題（2014IK080）。