無線量測系統(tǒng)在大當(dāng)量靜爆測試中的應(yīng)用

郭士旭，陳晉央，周會娟，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

無線量測系統(tǒng)在大當(dāng)量靜爆測試中的應(yīng)用

郭士旭，陳晉央，周會娟，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

大當(dāng)量靜爆威力試驗中待測物理參數(shù)多、傳感器布設(shè)區(qū)域廣、人員安全距離遠，給引線電測系統(tǒng)和存儲測試系統(tǒng)帶來諸多困難。該文研制基于WI-FI的爆炸效應(yīng)無線量測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集儀、無線組網(wǎng)設(shè)備等組成。數(shù)據(jù)采集儀具備信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和存儲、無線通信、高精度同步等功能；無線組網(wǎng)設(shè)備支持802.11n/ac協(xié)議，發(fā)射功率高，內(nèi)置高增益定向天線。通過大當(dāng)量靜爆威力試驗驗證系統(tǒng)的可靠性。整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程無線管理、多設(shè)備高精度同步采樣、數(shù)據(jù)高速率無線傳輸、大范圍分布式布設(shè)，可提高靜爆威力測試效率。

爆炸效應(yīng)測試；無線量測系統(tǒng)；時鐘同步；分布式組網(wǎng)測試

0　引　言

爆炸效應(yīng)參數(shù)的測量一直是爆炸研究和應(yīng)用中十分重要的問題，準確的爆炸效應(yīng)參數(shù)測試是工程防護研究、武器彈藥研制、毀傷效應(yīng)評估等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。大當(dāng)量爆炸效應(yīng)參數(shù)測試中，測試參數(shù)種類較多、測試區(qū)域范圍大、干擾因素多、人員安全距離達幾百米甚至幾千米，這些給現(xiàn)有的引線電測系統(tǒng)和存儲測試系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)［1-3］。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，用于爆炸效應(yīng)測試的無線量測設(shè)備不斷出現(xiàn)，文獻［4-6］提出了基于Zibgee的無線測試系統(tǒng)，但傳輸速率較低，無法滿足爆炸效應(yīng)參數(shù)測試中大數(shù)據(jù)量的實時或“準實時”傳輸需求，此外分布式布設(shè)時，難以集中管理與統(tǒng)一控制。文獻［7-8］提出基于WI-FI技術(shù)的沖擊波無線測試系統(tǒng)，每臺設(shè)備一個通道，采用支持802.11b/g協(xié)議的無線通信模塊和組網(wǎng)設(shè)備，傳輸速率和無線通信距離更適合爆炸效應(yīng)測試需要。文獻［9］改進了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并采用支持802.11n協(xié)議的無線通信模塊和組網(wǎng)設(shè)備，進一步提升了無線測試系統(tǒng)的傳輸速率和覆蓋范圍，但適配電路只針對ICP壓電傳感器，此外布設(shè)多個無線測點時，并沒有給出有效的同步策略。

本文分析了爆炸效應(yīng)測試中，無線量測系統(tǒng)應(yīng)具備的特性，在爆炸效應(yīng)存儲測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合WI-FI無線通信技術(shù)，研制了爆炸效應(yīng)無線量測系統(tǒng)，并通過大當(dāng)量靜爆試驗證了該系統(tǒng)的有效性、便捷性和可靠性。

1　無線量測系統(tǒng)總體方案

大當(dāng)量靜爆威力測試對測試系統(tǒng)提出了很高的要求［10］，無線量測系統(tǒng)必須滿足以下特性：

1）適調(diào)電路能夠滿足爆炸效應(yīng)測試中多種參數(shù)的測試需要；

2）采集儀響應(yīng)速度、工作頻帶和采樣頻率應(yīng)能滿足沖擊波壓力等瞬變信號的測試要求；

3）試驗區(qū)域大，傳感器布設(shè)分散，此外測試人員撤離的安全距離較遠，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、通信距離和傳輸速率應(yīng)滿足遠程調(diào)試、參數(shù)配置、測試數(shù)據(jù)回傳的需要；

4）多臺數(shù)據(jù)采集儀可聯(lián)網(wǎng)工作，而且確保采樣時間的高精度同步。

研制的無線量測系統(tǒng)由測試PC、數(shù)據(jù)采集儀和無線組網(wǎng)設(shè)備等組成，無線組網(wǎng)設(shè)備包括無線AP（access point）和無線網(wǎng)橋，整個系統(tǒng)工作示意如圖1所示。溫度、壓力、加速度、應(yīng)變、位移等傳感器，布設(shè)在爆心周圍，分別通過短線纜連接數(shù)據(jù)采集儀；數(shù)據(jù)采集儀有8通道、16通道、24通道3種型號，采取防護措施后，放置于爆心附近位置；無線AP用于對測試區(qū)域的無線覆蓋，每臺無線AP覆蓋一片區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀通過內(nèi)置的無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)橋用于數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，最終各子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過千兆交換機匯集傳輸至測試PC。

圖1　無線量測系統(tǒng)爆炸效應(yīng)測試示意圖

2　數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計

數(shù)據(jù)采集儀采用存儲測試原理按照模塊化思想進行設(shè)計，包括信號適配模塊、采樣模塊、數(shù)字處理模塊、系統(tǒng)管理模塊和供電模塊。內(nèi)部信號流如圖2所示，傳感器將待測參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過信號調(diào)理電路完成信號的適配放大，抗混疊濾波器的截止頻率比信號的最高主要頻率略高，從而保證后端經(jīng)過采樣過程信號不發(fā)生混疊現(xiàn)象。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，工控機和FPGA作為數(shù)字處理器，完成了采樣控制、通信接口控制、采樣后數(shù)據(jù)在DRAM中的緩存和在FLASH中永久存儲等工作，同時底層處理器需要處理響應(yīng)觸發(fā)電路的觸發(fā)信號、上位機命令和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的同步時鐘，進而控制整個存儲測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。其中，無線通信模塊采用支持802.11n/ac協(xié)議的Wi-Fi無線網(wǎng)卡（mini-PCI接口），為測試PC和數(shù)據(jù)采集儀之間提供數(shù)據(jù)、命令交互的通信鏈路。數(shù)據(jù)采集儀采用衛(wèi)星授時，確保多臺數(shù)據(jù)采集儀大范圍分布式布設(shè)時工作在統(tǒng)一的同步時鐘基準下，選用的衛(wèi)星接收模塊1PPS同步秒脈沖精度20ns，實際性能分析與測試表明多臺數(shù)據(jù)采集儀同時工作時，時鐘同步誤差小于100ns。

圖2　數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)部信號流圖

為減少數(shù)據(jù)采集儀與傳感器間的線纜，數(shù)據(jù)采集儀布設(shè)位置距爆心較近，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時不但要考慮通風(fēng)散熱、防塵防水等特性，還應(yīng)著重考慮抗沖擊、防爆炸顆粒物的特性。為此，針對每種型號數(shù)據(jù)采集儀，專門進行了隔震與防護罩設(shè)計。加裝隔震措施的數(shù)據(jù)采集儀在SY11型氣壓驅(qū)動垂直沖擊碰撞試驗臺上進行沖擊試驗，沖擊脈寬10～15ms，輸入荷載達1300ms-2時，數(shù)據(jù)采集儀工作正常，隔震率可達77%以上。

利用標準信號源對數(shù)據(jù)采集儀電壓測量誤差進行分析。電壓測量誤差來源主要包括直流標準電壓的最大允許誤差、數(shù)據(jù)采集儀測量重復(fù)性引入的測量誤差、數(shù)據(jù)采集儀AD量化精度引入的測量誤差、工作環(huán)境引入的測量誤差等。直流標準電壓分辨力為1μV，最大允許誤差±0.000 8%；重復(fù)性條件下獨立測量1，5，10V各10次，利用貝塞爾公式分別計算標準偏差，最大相對標準偏差為0.014%；數(shù)據(jù)采集儀電壓量程（-10V，10V），AD量化位數(shù)為16bit，假設(shè)分辨力引入的測量誤差在（-0.5×LSB，0.5×LSB）內(nèi)服從均勻分布，則量化精度引入的測量誤差為0.0005%；工作環(huán)境引入的誤差忽略不計。因此數(shù)據(jù)采集儀電壓測量誤差0.028%。數(shù)據(jù)采集儀整體技術(shù)指標如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)采集儀主要指標

3　無線通信網(wǎng)絡(luò)組建

無線組網(wǎng)設(shè)備物理層的編碼與調(diào)制方式的不同決定了傳輸速率大小，然而接收信號的強度直接影響到物理層的調(diào)制方式和編碼方式的選擇。隨著距離增加，無線AP設(shè)備的信號強度和數(shù)據(jù)采集儀Wi-Fi無線網(wǎng)卡的信號強度均迅速降低，無線AP設(shè)備到數(shù)據(jù)采集儀的下行速率往往較高，但數(shù)據(jù)采集儀到無線AP設(shè)備的上行速率受距離因素影響大。

為此，無線量測系統(tǒng)中，通過提高無線組網(wǎng)設(shè)備的發(fā)射功率、選用高增益天線、規(guī)劃無線信道、組建多個無線子網(wǎng)絡(luò)等措施確保無線覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率滿足爆炸效應(yīng)測試需求，無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線AP支持802.11n協(xié)議，無線網(wǎng)橋支持802.11n/ac協(xié)議，兩者發(fā)射功率500 mW，采用MIMO雙極化天線，天線增益27dbi。一個無線子網(wǎng)絡(luò)包括一臺無線AP和兩臺無線網(wǎng)橋，無線AP與無線網(wǎng)橋A通過網(wǎng)線（RJ-45）連接，安裝于測試現(xiàn)場周邊；無線網(wǎng)橋B安裝于測試人員所在的安全區(qū)域，與無線網(wǎng)橋A實現(xiàn)點對點通信，兩者確保天線對準，中間無遮擋；多個子網(wǎng)絡(luò)時，無線網(wǎng)橋B通過網(wǎng)線與千兆交換機連接，實現(xiàn)各子網(wǎng)絡(luò)的融合；此外，相鄰多個子網(wǎng)絡(luò)可共用一臺無線網(wǎng)橋B。

無線AP設(shè)備工作在2.4GHz頻段，無線網(wǎng)橋設(shè)備工作在5.8GHz頻段，通過現(xiàn)場測試無線信道擁堵情況，進行無線信道規(guī)劃，確保各無線組網(wǎng)設(shè)備信道不交疊。每個無線子網(wǎng)絡(luò)通信指標如表2所示。爆炸效應(yīng)測試中，可根據(jù)傳感器布設(shè)規(guī)模，確定無線子網(wǎng)絡(luò)劃分個數(shù)。此外，無線信號在傳輸過程中，樹木、建筑等障礙物會吸收、反射信號，引起信號的衰減和多徑傳輸，從而造成信號的衰落，因此應(yīng)根據(jù)爆炸試驗場地的地形、周圍環(huán)境規(guī)劃好無線組網(wǎng)設(shè)備的布設(shè)位置以及架設(shè)高度，一般組網(wǎng)設(shè)備收發(fā)天線架設(shè)的高度要滿足障礙物不超過菲尼爾區(qū)［11］的40%。

表2　無線子網(wǎng)絡(luò)通信指標

4　測控軟件設(shè)計

測控軟件包括在測試PC上運行的服務(wù)器軟件和在數(shù)據(jù)采集儀底層工控機上運行的客戶端程序，兩套軟件采用統(tǒng)一接口、協(xié)議進行消息通信。測試PC和數(shù)據(jù)采集儀之間采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）的網(wǎng)絡(luò)模型，客戶端和服務(wù)器之間采用UDP協(xié)議的Socket通信機制，通過網(wǎng)絡(luò)廣播消息和向指定IP設(shè)備發(fā)送消息兩種形式進行數(shù)據(jù)通信。

工控機是測試PC與數(shù)據(jù)采集儀底層電路交互的平臺，客戶端程序主要功能是消息處理，即將數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送的上行消息和測試PC發(fā)送的下行消息進行接收、解析、封裝、發(fā)送，實現(xiàn)測試PC對底層設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)存儲、無線接入等功能。

服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)無線量測系統(tǒng)與用戶間的交互，通過發(fā)送配置參數(shù)和控制命令控制整個無線量測系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集儀自動檢測識別、采集參數(shù)設(shè)置、采集模式選擇、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)圖形顯示處理、采樣過程控制、信號分析等功能。服務(wù)器程序工作流程如圖4所示。

圖4　服務(wù)器程序工作流程

5　測試實例

某次化爆試驗中，沖擊波壓力傳感器、沖擊加速度傳感器、結(jié)構(gòu)位移傳感器安裝于距爆心徑向15，20，25，30m區(qū)域內(nèi)的效應(yīng)靶標（鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土墻）上，通過短線纜（10m和20 m兩種）接入數(shù)據(jù)采集儀。傳感器按照規(guī)范要求，在某計量測試站利用φ100mm激波管動態(tài)壓力校準裝置、沖擊加速度測量標準裝置、位移傳感器校準裝置分別對壓力傳感器、加速度傳感器和位移傳感器進行了校準。按圖3組建1個無線子網(wǎng)絡(luò)，無線AP和無線網(wǎng)橋A距爆心160m，離地高度3m，無線網(wǎng)橋B和測試用PC距爆心直線距離2 000 m，如圖5所示。數(shù)據(jù)采集儀加裝隔震措施和防護罩后，放置于距爆心25 m的溝槽內(nèi)，用沙袋墻進一步防護，如圖6所示。

圖5　無線組網(wǎng)設(shè)備布設(shè)圖

圖6　數(shù)據(jù)采集儀布設(shè)現(xiàn)場

測試用PC在現(xiàn)場接入無線通信網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)試，無線通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集儀工作正常，之后人員撤離至2000m外的安全區(qū)域，遠程監(jiān)測無線量測系統(tǒng)狀態(tài)，采用示波模式（采樣頻率20kS/s以下）實時觀察噪聲干擾情況，確定正常后，遠程設(shè)置采樣頻率、采樣長度、觸發(fā)方式、信號調(diào)理參數(shù)等。爆炸結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集儀回傳數(shù)據(jù)正常，無線傳輸速率在42.5～47.8Mb/s。

部分測試數(shù)據(jù)見圖7～圖9，較好反映了沖擊波作用下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。圖7為某塊鋼筋混凝土墻上的沖擊波壓力測試波形，出現(xiàn)兩個壓力峰值是由于反射沖擊波在入射沖擊波衰減時到達所致［12］，此外破片、土石打在效應(yīng)靶標上，對沖擊波壓力流場會有一定影響；壓力波形未歸零，原因是傳感器處于爆炸場火球區(qū)，傳感器受高溫影響，出現(xiàn)漂移所致。通過進一步分析其他壓力、加速度、結(jié)構(gòu)位移等參量的測試數(shù)據(jù)，上升沿時間、峰值、持續(xù)時間真實反映了大當(dāng)量靜爆沖擊波的傳播規(guī)律，測試數(shù)據(jù)有效。

圖7　沖擊波壓力波形

圖8　結(jié)構(gòu)沖擊加速度波形

圖9　結(jié)構(gòu)位移波形

6　結(jié)束語

無線量測系統(tǒng)在存儲測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備封裝防護技術(shù)，適用于各種規(guī)模化爆試驗的爆炸效應(yīng)參數(shù)測試，與有線電測系統(tǒng)、存儲測試系統(tǒng)和現(xiàn)有的其他無線量測設(shè)備相比，本系統(tǒng)具有以下特點：

1）數(shù)據(jù)采集儀測試通道有8通道、16通道、24通道3種類型，適合大型化爆試驗中傳感器數(shù)量多的測試需要。

2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率高、無線通信距離遠，縮短了有線線纜，減少了測試準備工作量，此外測試人員在幾千米外的安全區(qū)域可遠程監(jiān)測和控制測試系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3）多臺數(shù)據(jù)采集儀組網(wǎng)測試時，同步精度高，各臺數(shù)據(jù)采集儀的同步誤差在100ns以內(nèi)。

4）采取了隔震和防爆炸飛散物的防護設(shè)計，大當(dāng)量靜爆試驗中，在距爆心較近的距離內(nèi)工作狀況良好。

［1］馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術(shù)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2004，25（4）：134-136.

［2］張哲，李寶珠，王存寶，等.基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_擊波超壓測試系統(tǒng)的研究 ［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（6）：7-9.

［3］SOCHET I，GARDEBA S D，CALDERARA S，et al. Blast wave parameters for spherical explosives detonation in free air［J］.Open Journal of Safety Science and Techn ology，2011，1（2）：31-42．

［4］劉帆，范錦彪，杜紅棉，等.溫壓炸藥爆溫?zé)o線存儲測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2014，27（4）：467-471.

［5］董冰玉，杜紅棉，祖靜.基于無線控制的沖擊波超壓測試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（2）：279-281.

［6］杜紅棉，祖靜.無線沖擊波超壓測試系統(tǒng)研究［J］.火力與指揮控制，2012，37（1）：198-200.

［7］夏永樂，張志杰，劉子健，等.WLAN技術(shù)在靜爆威力測試中的應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2015，28（3）：449-454.

［8］ZHANG J W.A shock wave overpressure test system based on WLAN［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2015，6（3）：30-35.

［9］翟永，翟濤，王代華，等.沖擊波超壓無線存儲測試系統(tǒng)研究［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2015，28（12）：1893-1898.

［10］賴富文，王文廉，張志杰.大當(dāng)量戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波測試系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29（3）：133-135.

［11］劉乃安．無線局域網(wǎng)WLAN-原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：79.

［12］李麗萍，孔德仁，蘇建軍.毀傷工況條件下沖擊波壓力電測法綜述［J］.爆破，2015，32（2）：39-46.

（編輯：莫婕）

Application of wireless measurement system for explosive effect test in large equivalent static burst power test

GUO Shixu，CHEN Jinyang，ZHOU Huijuan，YU Shangjiang
（Unit 61489 PLA，Luoyang 471023，China）

In static detonation tests，there are many physical parameters needed to be tested，sensors are placed in a large area，and safe area is far away，which bring many difficulties to the usual down-lead electronic measurement system and the storage measurement system.A wireless measurementsystembasedonWI-FIisdeveloped，whichiscomposedofdataacquisition instruments and wireless networking equipments.The data acquisition instrument has the functions ofsignalconditioning，dataacquisitionandstorage，wirelesscommunication，highprecision synchronization，and etc.The wireless networking equipment supports the 802.11n/ac protocol with a high transmission power and a high gain internal antenna inside.The whole system can be monitored and controlled remotely and wirelessly.Furthermore，it has the advantages of direct measurement for multiple parameters，synchronous trigger and acquisition of multiple channels and multiple equipments，wireless data transmission in high speed，and distributed layout in large scale，which greatly improve the test efficiency.The proposed system has been applied to several explosive effect tests and its high reliability has been verified.

explosive test；wireless measurement system；clock synchronization；distributed network test

A

1674-5124（2016）10-0132-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.025

2016-04-20；

2016-05-23

郭士旭（1987-），男，河南洛陽市人，助理研究員，碩士，主要從事測試技術(shù)方面的研究。