瞬態(tài)高壓多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)

舒躍飛，李新娥，劉雪飛，梁彥斌，潘保青

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

瞬態(tài)高壓多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)

舒躍飛1，李新娥1，劉雪飛1，梁彥斌1，潘保青2

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

針對目前密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場測試中無法有效獲取多點(diǎn)壓力信息，該文在壓力測試儀的基礎(chǔ)上，研制量程為600MPa，抗3200K瞬時高溫的多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的塑料光纖傳光器件、高強(qiáng)度光窗、屏蔽薄膜，使其能適應(yīng)密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場測試環(huán)境。通過測試系統(tǒng)多路光纖的光觸發(fā)信號，同步多個測試儀工作的同時，可使測試系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下對多點(diǎn)進(jìn)行壓力測試。運(yùn)用有限元仿真軟件LS-DYNA，對密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場進(jìn)行壓力仿真并獲取多點(diǎn)的壓力信息，仿真結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；某些區(qū)域壓力有多個峰值，某些區(qū)域間波形差異很大，這些區(qū)域壓力特性可為測壓器的布置數(shù)量與位置提供參考。

燃爆場測試；同步觸發(fā)；數(shù)值模擬仿真；壓力測試

0　引　言

火炮膛壓是火炮系統(tǒng)的重要指標(biāo)，可靠的膛壓數(shù)據(jù)對內(nèi)彈道與裝藥結(jié)構(gòu)的合理性，彈體、引信、火炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。膛壓測試包括了密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場測試。由于測試環(huán)境惡劣，且不適合引線，國內(nèi)尚無多點(diǎn)同步測試方法[1-3]。國外有研究人員利用脈沖X光研究壓力波機(jī)理與抑制技術(shù)。美國猶他州立大學(xué)的研究人員利用算法與實(shí)測數(shù)據(jù)，重建火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力場[4]。為更進(jìn)一步獲取膛內(nèi)壓力信息，本文在中北大學(xué)殼體與傳感一體化壓力測試儀的基礎(chǔ)上，開展了基于光觸發(fā)的多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)的研制。由于密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場測試環(huán)境的復(fù)雜性，瞬時高溫（2500~ 3600K）、高壓（250~700MPa）、強(qiáng)電磁場[5]，在設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)時，都必須考慮。

1　測試系統(tǒng)原理

密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場中發(fā)生極其復(fù)雜的動態(tài)變化過程，是一個多維、瞬態(tài)、非定常、兩相流體力學(xué)變化過程。以火炮發(fā)射為例，火炮發(fā)射過程雖然是瞬態(tài)不可逆轉(zhuǎn)且只有十幾毫秒，但各種現(xiàn)象的發(fā)生仍然有著先后順序。通過機(jī)械作用使底火藥著火，從而引燃火藥床中的點(diǎn)火藥，它將靠近點(diǎn)火源的發(fā)射藥點(diǎn)燃。在視覺上不可能分辨出火藥燃燒產(chǎn)生氣體的3個階段，但起始時刻的光信號傳播到膛內(nèi)任意位置的時間更短，遠(yuǎn)小于后續(xù)火藥產(chǎn)生的巨大壓力作用到壓力傳感器上的時間。因此，本文設(shè)計(jì)了基于光觸發(fā)的密閉空間燃爆場多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　基于光觸發(fā)的多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)

2　光觸發(fā)可行性分析

由于被測瞬態(tài)信號一般只有幾十毫秒，這對測試系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出極高要求。而單個測試儀的時間響應(yīng)滿足要求[6]，只需考慮光觸發(fā)的時間延遲。

采用光觸發(fā)后，光在光纖傳播時間為納秒級，光敏器件響應(yīng)時間＜100 ns，觸發(fā)信號在電路板上傳輸時間＜100ns。系統(tǒng)觸發(fā)中斷響應(yīng)時間是從外部中斷請求有效開始到進(jìn)入中斷程序入口點(diǎn)的時間[7]。整個系統(tǒng)狀態(tài)過程的轉(zhuǎn)換在TI公司的MSP430單片機(jī)控制下進(jìn)行，MSP430單片機(jī)的低功耗、微體積特性極其優(yōu)越[8]。由于中斷控制器的時鐘與系統(tǒng)時鐘一致，系統(tǒng)時鐘選擇8MHz，這樣中斷觸發(fā)后，后續(xù)采樣數(shù)據(jù)將會被存儲在Flash里。系統(tǒng)觸發(fā)響應(yīng)時間如下式所示：

式中：fMCLK——系統(tǒng)時鐘頻率；

m——系統(tǒng)響應(yīng)執(zhí)行時鐘周期數(shù)，m=6。

由式（1）計(jì)算可知系統(tǒng)觸發(fā)響應(yīng)時間為0.75μs，可見采用光觸發(fā)后，延遲為微秒級。已知膛壓信號頻率在5kHz以內(nèi)，膛壓作用時間為幾十毫秒。為了分析改進(jìn)后壓力測試儀壓力載荷環(huán)境，表1為某靶場試驗(yàn)的單個壓力測試儀實(shí)測的不同火炮膛壓波形數(shù)據(jù)。

表1　火炮膛壓波形參數(shù)

由表可知，所獲取的多種火炮膛壓的上升沿時間分布范圍主要在2~7ms之間，脈寬均在25ms以內(nèi)[9]。可見采用光觸發(fā)的測試系統(tǒng)響應(yīng)速度滿足測試要求。

3　壓力測試系統(tǒng)

3.1壓力測試儀結(jié)構(gòu)

壓力測試儀采用的傳感器是圓筒變極距型電容傳感器，感壓可動一極是全封閉的金屬外筒。外筒采用可以承受高壓、高沖擊的馬氏體時效鋼。集防護(hù)與感壓于一體的空心圓柱外殼，同薄型圓內(nèi)筒組成同軸圓柱體。在殼體外筒與內(nèi)筒之間，在內(nèi)筒兩端外壁上，纏繞2個聚四氟乙烯環(huán)，使內(nèi)筒與外筒緊密配合，并起到絕緣防護(hù)的作用。在內(nèi)外筒的上下端面間都有橡膠墊片，上端面還有青稞紙與鐵片，起到緩沖、電磁屏蔽（防止電磁干擾造成的誤觸發(fā)）的作用，上端面的墊片需留通光孔，使透過光窗的外界光能作用在用于光觸發(fā)的光電器件上。當(dāng)被測壓力作用在外筒上，外筒將發(fā)生形變，而內(nèi)筒不受影響，這樣兩筒間的相對位移會發(fā)生改變，使兩筒間的電容值發(fā)生改變。通過檢測改變的電容值大小，就可以測量出作用在外殼體的外壓力。與外筒同軸的內(nèi)筒內(nèi)的測量電路，可以實(shí)現(xiàn)該壓力信號的采集存儲。整個系統(tǒng)體積＜25cm3，如圖2所示。

圖2　壓力測試儀結(jié)構(gòu)圖

3.2測試電路原理

基于電容充放電原理而設(shè)計(jì)的微小電容調(diào)理電路是壓力測試儀的重要組成部分。測試電路主要由電源管理模塊、模擬調(diào)理電路、Soc處理器、高頻晶振和非接觸式接口電路組成。當(dāng)壓力由殼體感知后，形變信號將變?yōu)殡娙菪盘柌⒂赡M調(diào)理電路轉(zhuǎn)換和放大為電壓信號，輸入到Soc內(nèi)部進(jìn)行采集與存儲。數(shù)據(jù)存滿預(yù)留的存儲器空間后采樣結(jié)束，并自動復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)滿足正常的通信條件時，就可以把壓力測試儀內(nèi)部的測試數(shù)據(jù)，通過非接觸式接口很方便地上傳到上位機(jī)中，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，其原理如圖3所示，流程如圖4所示。

圖3　壓力測試儀原理圖

圖4　壓力測試儀工作流程圖

3.3光纖選取

以聚合物PMMA光纖為代表的有機(jī)光纖，較無機(jī)光纖在撓曲性、強(qiáng)度、耐寒性、相對密度、加工、使用大直徑傳輸以及經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢[10]。本文選用直徑3mm的PMMA塑料光纖傳光。但是塑料光纖不耐熱，每次測試都需更換光纖。

3.4光窗選取與設(shè)計(jì)

選取的光窗為南京神童特種玻璃技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鋁硅玻璃，能抗1 500℃高溫和1 150 MPa高壓。

測試環(huán)境要求選取的封接應(yīng)當(dāng)具有抗瞬時高壓高溫的特性，同時封接技術(shù)不應(yīng)過多影響光窗的光學(xué)性能，以保證傳光效果與測試儀的正常工作。結(jié)合成本考慮，高頻封接技術(shù)較好符合各種要求。

3.5電磁屏蔽薄膜

由于在要求屏蔽材料具有較好電磁屏蔽效果的同時，還希望屏蔽材料對光敏器件工作的電磁波段具有低損耗的特性。滿足這一要求的有透明電磁屏蔽材料。常見的透明電磁屏蔽材料有薄膜型材料。薄膜型材料利用薄膜的透明性傳光，薄膜中導(dǎo)電粒子形成的導(dǎo)電通道達(dá)到屏蔽的目的。導(dǎo)電膜的方塊電阻（X）與膜對電磁波的反射率（R）及屏蔽效能關(guān)系如下式所示：

由于氧化物膜系中的氧化銦錫薄膜（ITO膜）技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，且具有低電阻率、與玻璃有較強(qiáng)附著力、較好的透光率、較好的化學(xué)穩(wěn)定性及耐磨的特點(diǎn)，本文選取一種方電阻為3~5 Ω/□，透光率為71.6%~76.3%，屏蔽效能為54.8~63.2dB的高性能ITO膜[11]。同時鍍膜的速度對電磁屏蔽效果也有著較大影響，光窗度膜時，應(yīng)控制好速度。

3.6光電轉(zhuǎn)換電路

設(shè)計(jì)時，采用了北京敏光科技有限公司的LSSPDSMDBlue1.5PIN硅光電二極管。該光電二極管的響應(yīng)波長為300～1250nm，與火藥燃燒的光譜范圍匹配較好[12]，同時該型號光電器件，具有微體積的特點(diǎn)，大小僅為1.5mm×1.5mm，易于安裝在測壓器面板上，基于此所設(shè)計(jì)的光電觸發(fā)電路如圖5所示。

圖5　光電觸發(fā)電路圖

圖中的光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，并與控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號通信。當(dāng)系統(tǒng)在循環(huán)采樣時，單片機(jī)檢測到該電路輸出的高電平信號后，系統(tǒng)便進(jìn)入觸發(fā)態(tài)，實(shí)現(xiàn)對膛壓信號的采集存儲。

圖6　信號調(diào)理電路

3.7恒壓源橋式電容檢測電路

恒壓源采用電壓跟隨器結(jié)構(gòu)，并使用單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)放以減小電路板體積，其輸出為2.5V以提供電容充電電壓?？刂茣r序采用早期恒流源橋式電路中的時序控制[13]。同時差動結(jié)構(gòu)很好地避免了恒壓源震蕩電容電路中分布電容與雜散電容的影響。當(dāng)被測殼體電容變化時，其與固定的標(biāo)準(zhǔn)電容在采樣時刻到來時，兩個電容的充電電壓差值也會改變，通過檢測出該電壓差值便可檢測出電容變化信號，進(jìn)而達(dá)到獲取膛壓信息的目的。

3.8無線通信模塊

無線紅外收發(fā)器選用了SHARP公司生產(chǎn)的GP2W0116YPS芯片，該紅外收發(fā)器具有功耗低（處于關(guān)閉模式時的最大功耗僅為0.1μA）、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高以及封裝體積?。ǔ叽鐑H為1.8mm× 7.2 mm×2.75 mm）等特點(diǎn)，并支持紅外IrDA1.2的標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)傳播速率可達(dá)115.2Kb/s。該收發(fā)器由紅外線發(fā)射器、光電二極管及控制IC封裝而成。而設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)內(nèi)部集成了編解碼器，使用時只需要使能紅外模塊，就可以方便對要發(fā)送以及接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編解碼，該紅外收發(fā)器的外圍擴(kuò)展連接電路如圖7所示。

圖7　GP2W0116YPS外圍連接電路圖

3.9上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對測試儀采樣頻率等參數(shù)的編程控制，同時讀取測試儀采集存儲的壓力數(shù)據(jù)，并對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理。

4　仿真研究與實(shí)測

利用專業(yè)的顯示動力分析有限元軟件LS-DYNA，通過數(shù)值模擬與仿真技術(shù)，能初步了解膛內(nèi)火藥燃燒產(chǎn)生的氣體壓力分布。

從火炮發(fā)射過程可以看到，在彈丸帶未進(jìn)入膛線時，身管空間模型類似于規(guī)則柱形密閉容器，如圖8所示。

圖8　封閉容器模型圖

用LS-PREPOST完成仿真分析，圖9為起爆前仿真靜態(tài)分布圖。根據(jù)對稱性，仿真過程中選取A，B，C，D，E，F(xiàn)，G分別代表待考察的特征點(diǎn)。

圖9　起爆前仿真靜態(tài)分布圖

實(shí)測時，利用壓力測試儀可以獲取膛底壓力，利用彈載測試儀可以獲取彈底的壓力，其曲線如圖10所示。

圖10　膛底彈底壓力圖

利用軟件進(jìn)行的數(shù)值模擬仿真，能夠呈現(xiàn)膛內(nèi)火藥燃燒過程中，流體所形成的壓力傳播過程與分布等壓力場動態(tài)變化，而這些是無法實(shí)際測量的。膛內(nèi)在火藥燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾耐瑫r，也伴有燃壓氣體的反射疊加作用，造成了膛內(nèi)某些區(qū)域壓力時程曲線的多峰現(xiàn)象。如圖11所示，選取的特征點(diǎn)中，A與F、D與G，除了壓力峰值的差異，曲線輪廓基本一致，這對膛內(nèi)多點(diǎn)壓力同步實(shí)測時電子測壓器的位置安放及測壓器數(shù)量的確定具有指導(dǎo)意義。同時，A與F點(diǎn)的曲線輪廓與實(shí)測的膛底、彈底壓力曲線吻合。實(shí)驗(yàn)表明電容式壓力測試系統(tǒng)能在3 200 K瞬時高溫下測量600MPa以內(nèi)的壓力。

圖11　參考點(diǎn)壓力時程曲線

5　結(jié)束語

本文提出了基于光觸發(fā)的密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)，該方法能對密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場不同點(diǎn)的壓力同時進(jìn)行壓力測試。并用軟件對密閉空間內(nèi)瞬態(tài)高壓高溫燃爆場不同點(diǎn)的壓力進(jìn)行了仿真，對獲取的結(jié)果與已有的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較。本系統(tǒng)可用于獲取膛炸事故有關(guān)的壓力波信息，有助于提高新型火炮的安全與可靠性。

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（編輯：劉楊）

Transient high-pressure multi-point pressure testing system

SHU Yuefei1，LI Xin’e1，LIU Xuefei1，LIANG Yanbin1，PAN Baoqing2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100094，China）

Presently，multi-point pressure information cannot be obtained in the test of high pressure and temperature transient explosion fields in confined space.To solve this problem，this paper has designed a multi-point pressure testing system based on the pressure tester.This 600 MPa system can be used at a transient temperature of 3 200 K.The system is adaptive to severe testing environments due to its plastic optical fiber，high strength optical window and electromagneticshieldingfilm.Thelight-triggeredsignalsfrommultiplexopticalfibersare measured to synchronize the work of multiple testers and help the system to get the pressure information at different points under strong electromagnetic environment.LS-DYNA，namely finite element simulation software，is used to simulate the pressure at transient high-pressure hightemperature burning and explosion fields within confined space and obtain multi-point pressure information.The simulation results agree with existing experimental data.The pressure of some regions has several peaks，and there is a big difference between the waveforms of some regions. The pressure characteristics of these regions can be used as a reference for determining the numbers and positions of pressure measuring devices.

explosion field test；synchronous trigger；numerical simulation；pressure test measurement

A

1674-5124（2016）03-0067-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.016

2015-06-29；

2015-08-11

國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C1204011007）

舒躍飛（1989-），男，湖北咸寧市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閯討B(tài)測試與智能儀器。