點火具光電測時儀的設計與應用

石 佳，王 高，焦 寧

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 ，030051）

火工品的作用時間對火工品而言是一個極其重要的參數，它是決定火工品的特性和功能的重要指標之一[1-2]。目前常用的電點火具作用時間測試方法是靶線法[3]。靶線法存在操作煩瑣、耗時長、勞動強度大、測試精度低的問題。光電測試方法因其具有抗電磁干擾強、響應速度快、性能可靠、測試設備質量輕等優點，已受到越來越多的關注。英國2002年頒布的爆速測試標準中就提出了用光電法進行爆速的測試[4]。

鑒于光纖能在高壓、強電磁干擾、高溫、易燃易爆等環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探針小，光纖探針測量技術應運而生[6]，經過近幾年的發展技術已逐步成熟。在國內外光纖探針已被用于測量飛片速度、飛片平整性、樣品中沖擊波速度和聲速以及測量炸藥爆速和爆轟波陣面等，取得了許多有價值的成果。此外，現場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）具有高的運行速度[7]，可以實現對時間的高精度測量。本文即以光纖為傳感器，運用光電轉換原理和FPGA的計時原理，設計一種測試精度高、操作簡單的點火具時間測試系統。

1 測試原理

測試原理如圖1所示，在點火具的點火頭與恒流源之間串聯一個光電耦合器，在點火具待測的兩個測試孔A、B處分別安裝光纖傳感器。

圖1 系統原理簡圖Fig.1 Diagram of system principle

當閉合啟動開關時，電點火具與恒流源構成閉合回路，引燃點火具，與此同時光電耦合器獲得一個脈沖信號。在點火具燃燒過程中，待測的兩個測試孔A、B依次產生光信號，并通過光纖將光信號送出給對應的光電轉換器Ⅰ和光電轉換器Ⅱ，形成兩路脈沖信號。FPGA數據處理電路通過捕捉到光電耦合器送出的脈沖信號來實現計數器的開始與停止，計數器的所得值和時基脈沖周期的乘積便是電啟動信號與兩個光信號的間隔時間，也就是所要測量的通電到兩個測試孔A、B的時間，即可確定點火具的作用時間。經過FPGA運算處理，將時間值直觀地顯示在LCD液晶屏上。

2 系統設計

測試系統主要由光纖傳感器、光電耦合器、光電轉換電路、FPGA處理電路及LCD液晶顯示器構成，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖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。光電耦合器用來獲取穩定的電啟動信號，避免通電瞬間產生的抖動而對測試結果產生影響。

2.2 光電探測器

光電探測器是本系統的重要元件之一，它的作用主要就是實現光電變換。信號調理電路對采集的電信號進行放大濾波及電平轉換，經過光電轉換后的輸出電壓信號往往會存在一定的噪聲，為了防止誤觸發，需要對噪聲進行抑制。

在選取光電探測器時，首先要根據測量的要求對各種探測器的主要特性參數進行比較，然后選定最佳的器件。因此，在選定器件時應注意：（1）根據待測光信號的大小，確定探測器能輸出多大的電信號，即探測器的響應度大??；（2）探測器的光譜響應范圍是否與待測光信號的相對光譜功率分布一致；（3）當測量調制或脈沖光信號時，探測器輸出的電信號是否能夠正確反映測量光信號的波形，即探測器的響應時間；（4）當測量的光信號幅度發生變化時，探測器輸出的電信號幅度是否能夠線性地響應。根據要求，最終選取了某公司的1 000μmSilicon PIN 光電探測器，

2.3 光電轉換電路設計

光電轉換電路采用高速PIN二極管，將產生的光信號轉換為電信號，以便后續電路處理。待測物產生的光信號經過光纖傳輸后首先進入光電轉換電路，因此，該部分電路的設計是前端信號處理的核心部分。光電轉換電路的基本原理為：光照射PIN光電探測器時會引起探測器的光電導變化，從而使探測器的電流發生變化，經過采樣電阻后輸出電壓信號。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的選取需要依據待測對象的性質及傳輸光纖的長度而定，選取的阻值過大會影響測試精度，過小會導致輸出電壓不足，影響后續電路的采集處理。

2.4 電平轉換電路

光電耦合器與光電轉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，故需要對其進行電平轉換。本系統中采用LM311構成同相電壓比較，實現噪聲的抑制及電平的轉換。設計中，選用美國國家半導體公司的高性能電壓比較器LM311構成同相電壓比較電路，來實現信號的整形變換，輸出端通過上拉電阻和1N4148二極管實現電平轉換。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路門設計，因此，使用時需要外接上拉電阻。

圖4 電平轉換電路圖Fig.4 Level conversion circuit diagram

其中，閾值電壓可以通過改變式（1）中的電阻RW來設定。

式（1）中：RW為可調電阻阻值，R為可調電阻滑阻端與地之間的阻值，可根據實際情況調節RW來改變閾值電壓Uref。當輸入信號電壓大于Uref時，輸出為高電平3.3V；相反，當輸入信號電壓小于Uref時，輸出為低電平0。

2.5 FPGA外部電路設計

FPGA數據采集處理模塊[9]是本系統的核心部分，主要功能是實現點火時間的高精度測量。該模塊主要由計數模塊、乘法器模塊、BCD碼制轉換模塊及LCD驅動模塊組成，工作流程如圖5所示。

2.5.1 時鐘電路

時鐘是時序電路的核心，時序電路是在時鐘信號的驅動下工作的，時鐘信號的精確度和穩定性直接影響電路工作的性能。時鐘信號一般可以通過晶體振蕩器產生，也可以通過RC 振蕩器獲得。在測時儀中，采用了20MHz 的高精度外部晶體振蕩器為儀器提供基準時鐘信號，如圖6所示，儀器所需要的各種頻率的時鐘信號均可由此基準時鐘信號倍頻或者分頻得到。

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

圖6 時鐘電路圖Fig.6 Clock circuit diagram

2.5.2 配置電路

在測時儀中，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FPGA進行配置。配置數據存放于FPGA的配置RAM中，主要完成對FPGA內部多路器、邏輯、互連線結點和RAM初始化等信息的配置。根據FPGA在配置電路中作用的不同，將配置數據下載到目標器件中，有3種方式：主動方式（AS）、被動方式（PS）及JTAG方式。在測時儀的設計中了選擇AS和JTAG兩種配置方式。

3 測試結果與分析

本文采用某型號點火具（作用時間范圍小于50ms）作為試驗樣品，在靶場進行現場測試，如圖7所示。采用某測時儀（靶線法）與本文所設計的光纖探針測時儀進行對比試驗。光纖法測量的作用時間是通電到第3孔時間與通電到末孔時間的平均值。試驗時將光纖插入1mm鋼管，光纖前段與鋼管前端齊平，后段用特質夾子加以固定。將封裝好的光纖探頭沿點火具孔壁垂直伸入第3孔與末孔中，前端與待測物接觸并加以固定。靶線法與光纖法分別置于點火具的兩側，準備就緒進行試驗。測試時，將兩種方法做平行試驗進行對比，測試結果如表1所示。折線圖如圖8所示。

圖7 試驗裝置示意圖Fig.7 Schematic of experimental device

表1 點火具作用時間測試結果Tab.1 Function time test results of the igniter

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

由表1 可以看出，采用本文所設計的光纖測時儀與采用靶線法對同一點火具試驗所測得作用時間均在要求范圍內。在10次試驗中，光纖法均測到數據，平均時間為27.648ms；靶線法有3次未測到數據，平均時間為28.91ms。兩種方法獲得的數據基本一致，且光纖法所測數據普遍小于靶線法所測數據。從圖8的折線圖可以觀察到，采用光纖法測得時間在較小范圍內波動，相對于靶線法所測數據離散程度小，說明光纖法所測得的結果更為準確、穩定可靠。

4 結論

利用光纖對點火具進行測試，得到了比靶線法更為精確的數據。同等條件下多次試驗結果表明，光纖測試法所得的結果具有一定的穩定性和可信度。光纖作為一種新型的測試方法，在火工品的時間測試領域仍然具有很大的發展前景。

[1]馮西平.火工品作用時間與 SCB發火能量測試方法的研究[D].南京:南京理工大學,2004

[2]段進軍.點火具燃燒特性的研究[D].南京:南京理工大學,2009.

[3]張立,編著.爆破器材性能與爆炸效應測試[M].北京:中國科學技術出版社,2006.

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[5]李明明,李國新.光纖在燃速及爆速測試中的應用[J].火工品,2000(3):13-14.

[6]Lynn Veeser and John Stokes.Fiber optic diagnostics for high explosives[C]//DNA Conference on Instrumentation for Nuclear Weapons Effects Testing.Menlo Park,California: Los Alamos National Laboratory,1993.

[7]高志強,王高,魏林,趙輝.新型光纖爆速儀的設計與應用[J].火工品,2011(3):43-45.

[8]李丹榮,王新第,杜維.光電耦合器的實用技巧[J].自動化儀表,2003(6):58-61．

[9]馬學林，嚴仲明,等.基于FPGA的高速運動目標單光幕測速系統設計[J].現代電子技術,2009(12):1-2.