基于ICP壓電傳感器的沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)設計

索艷春，李永紅，2

（1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.山西科泰航天防務技術股份有限公司，山西 太原 030024）

基于ICP壓電傳感器的沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)設計

索艷春1，李永紅1，2

（1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.山西科泰航天防務技術股份有限公司，山西 太原 030024）

針對現(xiàn)有沖擊波超壓測試系統(tǒng)的不足，設計一款集傳感器、調理電路及數據采集電路為一體的存儲測試系統(tǒng)。采用存儲測試技術原理設計的沖擊波超壓采集存儲測試系統(tǒng)，利用新型ICP壓電傳感器能夠將壓電模塊與內置電荷放大器集成一體的優(yōu)勢，使輸出為放大信號；通過運算放大器和MAX4638的搭配運行，實現(xiàn)增益可調的功能；采用LC-Π型濾波對相應的模擬電壓進行濾波處理，放大后的信號再經過Sallen-Key二階濾波器進行濾波處理。采用FPGA進行數字邏輯控制設計，提高測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并減小系統(tǒng)體積。經測試表明：在相同測試環(huán)境下，沖擊波超壓持續(xù)時間與測試半徑成正比，而沖量大小與之成反比。系統(tǒng)已多次參與彈藥靜爆試驗，驗證其可靠性、穩(wěn)定性。

ICP壓電傳感器；存儲測試；沖擊波；超壓

0 引言

沖擊波超壓存儲測試技術是我國某些研究領域不可或缺的一門重要技術，比如動力、沖擊等領域，都運用了此技術。尤其是在我國軍事領域上的應用極為重要，當武器在前期試驗中為了確定其殺傷威力時，沖擊波超壓和沖量就是衡量其性能的重要指標參數[1-2]。目前，國內主流的測試方法分別為等效靶板法和有線式電測法。等效靶板法就是以靶板的形變程度作為依據對沖擊波超壓和沖量的大小進行分析[3]，由于靶板的形變程度很難精確測量，因此該測試方法在有關精度方面存在明顯不足[4]。有線式電測法的不足在于其布線復雜，而且由于傳感器電纜存在阻抗導致信號嚴重衰減及幅值相位的失真。

與上述兩種傳統(tǒng)的測試方法相比，該文所采用的存儲測試技術方法主要是將傳感器及相關電路集成化，盡可能地縮小體積，通過外殼的保護從而提高抗擊能力，極大提升了測試的可靠性。該文最后給出了沖擊波超壓測試曲線，并計算了沖量及持續(xù)時間。

1 沖擊波信號主要特征

沖擊波是指發(fā)生爆炸時，周圍空氣溫度瞬間聚變，能量的波動給周邊環(huán)境造成巨大震蕩，產生的高壓氣浪具有上升沿陡、初值高、衰減快、持續(xù)時間短等特點[5-6]。為了獲取完整的信號，就必須要求所配備的測試裝置在響應速度以及工作頻帶方面具有突出的優(yōu)勢。

2 ICP壓電傳感器及調理電路

由于沖擊波信號的測試是一個瞬態(tài)過程，而且具有上升沿陡峭的特點，因此在測試當中所面臨的最大障礙就是傳感器的時間響應問題，一般情況下需要在極短時間內完成。對于當前的測試任務，只有壓電式壓力和壓阻式壓力兩類傳感器可以更好完成，然而這兩種傳感器都分別存在不足之處，導致測試結果很難達到理想狀態(tài)。就傳統(tǒng)的壓電式壓力傳感器而言，由于其較低的諧振頻率及高輸出阻抗，需要通過外部的放大器把電荷轉換為低阻抗的電壓作為輸出，這樣在絕緣阻抗方面要求嚴格，但是由于自然界存在許多不可抗拒的因素導致很難滿足要求，造成了信號漂移，嚴重影響測試精度。對于壓阻式壓力傳感器，最大不足在于其具有較強的感光效應，如果采用近距離的爆炸沖擊測試，爆炸瞬間產生的強光會給測試信號帶來了極大的噪聲干擾[7-8]，因此并不適合近距離沖擊波超壓測試。

隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，ICP壓電傳感器的應用基本彌補了目前測試系統(tǒng)的缺陷。其主要特點是集成度較高，而且內置了電荷放大器，能夠輸出放大信號。由于其具備了抗干擾力強[9-10]、測試精度高、頻率高、信噪比高及運行較穩(wěn)定等諸多特點，因此在沖擊波超壓測試中得到了廣泛的應用。

該文選用美國PCB公司的113系列傳感器，該傳感器具有量程范圍大、諧振頻率高、上升時間短等特點[11-12]，非常適合沖擊波超壓測試，具體性能指標見表1。

表1 ICP壓電傳感器指標參數1）

ICP壓電傳感器正常運行需要供給20～30V的恒流源，為了測試便捷，該文采用了8.4V的鋰電池作為系統(tǒng)電源。文中還設計了DC-DC升壓電路和恒流電路來配合ICP壓電傳感器的驅動運行，采用TPS61170功率級芯片，通過電阻電容的匹配設計，實現(xiàn)了電源從8.4V到24V的升壓變換，再通過恒流二極管來實現(xiàn)恒定電流輸出。

圖1 模擬電路總體框圖

系統(tǒng)模擬電路框圖如圖1所示，系統(tǒng)除了升壓恒流電路還有LDO線性電源，主要是產生5V的恒定電壓可供增益可調電路的運算放大電路以及濾波電路使用，此外還將產生1.25V的偏置電壓，供系統(tǒng)使用。為降低電源紋波，采用LP2985作為線性電源的核心部件，該芯片具有大動態(tài)范圍輸入，通過匹配外圍電阻電容，實現(xiàn)電源從8V到5V的轉化。放大電路的設計主要是通過OPA2350運算放大器和MAX4638的搭配運行，實現(xiàn)了增益可調的功能。文中采用LC-Π型濾波對相應的模擬電壓進行濾波處理，最終實現(xiàn)了降低模擬電路噪聲的目的。針對ICP壓電傳感器輸出8～14V的直流偏置電壓，需要對電路進行交流耦合及增益可調處理。由于增益可調電路具備8個檔位的放大模式，所以在測試前，根據實際情況合理設置增益放大倍數。放大后的信號經過偏置電路處理到0～2.5V范圍內，再經過Sallen-Key二階濾波器進行濾波處理，濾波器截止頻率設計為200kHz。信號在進行數模轉換之前需進行濾波處理。

3 數據采集存儲電路

為更好地實現(xiàn)對沖擊波信號的采集存儲，文中采用FPGA作為主控芯片，主要完成A/D、SDRAM以及USB的時序控制，其原理如圖2所示。其主要工作流程如下：在實驗過程中，首先把控好每個測試節(jié)點，通過爆炸當量以及當前的測試距離等條件分析出最佳的測試位置；然后利用系統(tǒng)配備的USB對所測試節(jié)點的參數進行相關設置，其中包括采樣頻率、存儲長度、放大倍數、觸發(fā)電平、負延時長度、定時時間等；系統(tǒng)在采樣開始之前會進入定時階段，此時系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，而且系統(tǒng)禁止觸發(fā)；當系統(tǒng)全速運行時，各個節(jié)點就會循環(huán)進入采樣階段，沖擊波信號使系統(tǒng)觸發(fā)后，有效數據按照順序寫入SDRAM，當數據滿足預設的存儲長度，寫數據完成，系統(tǒng)自動關閉A/D采樣模塊，此時就可以通過USB將SDRAM中沖擊波數據讀回。

圖2 數據采集電路設計

4 電路標定及測試結果驗證

系統(tǒng)在設計完成以后，需要對所測數據做標定實驗。標定過程中，既可以選擇信號發(fā)生器作為信號的輸出，也可以用穩(wěn)壓源作為信號的輸出。該實驗選用了信號發(fā)生器輸出一定幅值范圍內的正弦波信號，并且分別選擇7個測試信號進行驗證。通過上位機軟件讀取信號幅值的數字量，最后利用線性方程（最小二乘法）對所標定的數據進行線性比對。則滿足以下方程：

其中εi表示其他隨機因素對數字量yi的影響，而且服從正態(tài)分布函數N（0，σ）。標定結果如表2所示。

表2 標定結果

圖3 爆炸場節(jié)點布置圖

表3 測試前參數設置表

表4 測試數據處理結果

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，將測試節(jié)點按30°，60°，150°3個徑向方向分布，最終分布如圖3所示。在30°徑向方向分別放置了1#，2#，3#，4#，5#5個測試節(jié)點（均處于相同測試環(huán)境下），在60°徑向方向布置了6#號測試節(jié)點，在150°徑向方向布置了3個節(jié)點，分別為7#，8#，9#號測試節(jié)點（8#、9#處于相同測試環(huán)境下），測試半徑間隔為30m。測試前，根據不同當量彈藥和測試半徑通過USB對節(jié)點進行參數設置，測試前參數設置如表3所示，測試數據處理結果如表4所示，圖4、圖5為4#，8#，5#，9#測試節(jié)點的超壓值曲線。從表4可以看出，測試環(huán)境相同的條件下，沖擊波超壓值隨測試半徑增加依次減小，持續(xù)時間增長，沖量也隨之減小，對于30°徑向方向上的測試節(jié)點，在測試半徑為30m處，超壓峰值為1753 kPa，超壓持續(xù)時間為2.681ms，在測試半徑分別為60，90，120，150m處，超壓峰值分別為175.28，88.983，57.599，35.147 kPa，而持續(xù)時間分別為37.650，46.181，56.374，57.603ms，30m處超壓值分別為各節(jié)點超壓值的10倍、19.7倍、30倍、50倍，持續(xù)時間為30m處的14倍、17倍、21倍、21.5倍。超壓值和持續(xù)時間隨測試半徑的增加變化顯著。實際驗證表明，當測試半徑相同，但測試場地不平坦時，沖擊波超壓值也會相差很大。在相同測試環(huán)境下，隨著測試半徑的不斷增大，沖擊波超壓值總體符合衰減的規(guī)律，這充分體現(xiàn)了沖擊波傳播的特性；沖擊波超壓持續(xù)時間與所測試半徑有直接性聯(lián)系，成正比關系，而沖量大小與之成反比關系。因此對沖擊波傳播過程中能量守恒的規(guī)律做出了明確的說明。

圖4 4#，8#測點沖擊波超壓曲線

圖5 5#，9#測點沖擊波超壓曲線

5 結束語

與傳統(tǒng)的有線式電測法測試系統(tǒng)相比，該文設計了一種將傳感器、調理電路以及數據采集電路集于一體的存儲測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功耗低、體積小、性能穩(wěn)定、操作方便等特點，可以隨時布置在測試現(xiàn)場完成沖擊波超壓測試，并能計算出不同測試半徑沖擊波對應的沖量和持續(xù)時間。該系統(tǒng)可以對增益觸發(fā)電平、放大倍數、采樣頻率等參數進行編程設置，對爆炸現(xiàn)場測點多，環(huán)境惡劣的問題得到了很好的解決。該系統(tǒng)已多次參與彈藥靜爆威力測試，其可靠的穩(wěn)定性為武器彈藥威力評價提供了有力的支撐。

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（編輯：商丹丹）

Design of overpressure storage test system for blast wave based on ICP piezoelectric sensor

SUO Yanchun1，LI Yonghong1，2
（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Kotel Aerospace Defense Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China）

For the deficiencies of the existing blast wave overpressure test system，a set of storage test system integrated with sensors，conditioning circuit and data acquisition circuit was designed. With the blast wave overpressure acquisition storage test system designed by using the principle of storage testing technology and the new ICP piezoelectric sensor，the piezoelectric module could be integrated with the built-in charge amplifier，so as to output amplified signal.It achieved a gain adjustable function through the matching operation of opamp and MAX4638.The corresponding analog voltage was filtered by LC-Πfilter，then the amplified signal was filtered through the Sallen-Key second-order filter.FPGA was used for digital logic control design to improve the stability and reliability of the test system and reduce the volume of the system.The test shows that under the same test conditions blast wave overpressure duration is proportional to the test radius，and is inversely proportional to the size and the impulse.The system has been repeatedly involved in static explosion test of ordnance to verify its reliability and stability.

ICP piezoelectric sensor；storage test；blast wave；overpressure

A

1674-5124（2017）05-0082-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.017

2016-10-09；

2016-12-10

山西省青年基金（2012021013-6）

索艷春（1986-），男，山西五寨縣人，碩士研究生，專業(yè)方向為電路設計、新型傳感器等。