瞬態壓力測試系統中信號識別觸發的設計與實現

賈振華,王文廉

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原，030051）

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瞬態壓力測試系統中信號識別觸發的設計與實現

賈振華,王文廉

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原，030051）

摘 要：針對爆炸場瞬態壓力測試系統中測試系統易受干擾造成誤觸發的現象，提出了一種基于瞬態壓力信號識別的觸發方式，首先根據超壓峰值標記有效突變，再依次判斷上升時間和正作用時間。試驗表明基于瞬態信號特征識別觸發的測試系統能防止誤觸發且適用于瞬態壓力測試試驗。

關鍵詞：壓力測試系統；沖擊波；信號；觸發

彈藥爆炸產生的沖擊波壓力是評估武器殺傷力的重要手段[1]，具有瞬態性單次性的特點，這就要求測試系統能夠準確、及時地捕捉壓力信號。對于存儲測試系統來說，更需要準確判斷信號的起始時刻，這種實時性和穩定性的實現需要可靠的觸發判斷。目前最常用的觸發技術有電平內觸發和斷線外觸發兩種[2]。電平內觸發是在系統工作之前，預先設置一個觸發電平，測試系統采集到的數據轉換成數字信號后與預設值比較，如果大于預設值，認定系統觸發；反之，系統不觸發。但實際靶場試驗現場環境惡劣，易產生高幅值的瞬時干擾信號，導致系統誤觸發。斷線外觸發是在所有測試節點處都建立一個電線網，利用彈藥爆炸產生的強溫壓使電線斷裂，產生一個跳變信號，測試系統接收到這個信號后觸發。但鋪設電線網需要花費很大的人力和物力，且有不可控因素造成電線斷裂，也容易造成誤觸發。

本文分析了沖擊波信號的特征，選擇了3個沖擊波信號的典型時頻特征，并通過這幾個時頻特征設置了準確的觸發條件，提出了一種基于瞬態壓力特征識別的觸發方法，既能擺脫高幅值瞬時干擾信號的影響，又操作簡單，省去布線的麻煩。

1　沖擊波的時域特性分析

理想的沖擊波信號如圖1所示。

假設測試節點處的環境壓力為P0，在爆炸瞬間T時刻，壓力瞬間上升到P0+nP+，之后的T+時刻內，壓力衰減到環境壓力，再繼續下降到幅度為nP-的部分真空，最后在總時間T+T++T-恢復到環境壓力P0。破壞力的衡量可以用超壓峰值nP+、正壓區作用時間T+、上升時間t來表示[3]。由圖1可以看出，沖擊波信號的上升時間短，上升沿陡峭且超壓峰值高。

圖 1 理想的沖擊波信號Fig.1 The ideal shock wave signal

1.1沖擊波信號的超壓峰值

在爆炸場的瞬態壓力測試之前，一般要對爆炸物的各個測試節點進行超壓峰值估算，保證測試節點的量程滿足需求。Henrych用經驗的方法得到沖擊波超壓峰值△P（MPa）[4]：

1.2沖擊波信號的正作用時間

系統的正作用時間是評價彈藥威力的重要指標之一，Клyшкнн提出空中爆炸的正作用時間估算公式[5]：

根據式（2）結合系統的測試范圍，本測試系統所測信號的正作用時間范圍為2～100ms。

1.3沖擊波信號的上升時間

針對爆炸測量系統的上升時間性能，Robert Walker和Henry Wallman根據數字中的中心極限定理，提出了一個規則[6]：

式（3）中：τ是總體上升時間；τn是各階段的上升時間。通過結合每個部分的上升時間，可以對測量系統的上升時間做整體評估。

Robert Walker 和Henry Wallman還提供了另一個準則，如果τ是上升時間，有一個-3dB的帶寬f-3dB。

在該測試系統中，所測沖擊波信號的頻率范圍為0.5～250kHz。因此上升時間在1×10-3～1ms之間。

2　噪聲分析

在彈藥爆炸的超壓測試中，通常有大幅值的瞬時脈沖干擾造成系統誤觸發，分別采集敲擊、擊中信號，用MATLAB仿真分析和計算。

2.1敲擊信號

用不同硬度的物體分別敲擊傳感器采集到的信號，如圖2所示。

圖2　敲擊信號Fig.2 Knocking signal

通過計算可以得到超壓峰值、上升時間和正作用時間的準確值。受信號強度的限制，上升時間和正作用時間偏大。

2.2擊中信號

物體擊中傳感器采集到的信號如圖3所示。該信號在擊中傳感器瞬間可以產生很大的壓力值，但持續時間很短，造成正作用時間偏小。

圖3　擊中信號Fig.3 Hit signal

3　信號識別觸發的設計

3.1信號識別觸發的原理

在沖擊波的測試實驗中，目標信號的信息包含在觸發點的前后兩部分。這樣，觸發前的負延時部分也需要采集存儲，以保證信號的完整性。原理見圖4。

信號識別觸發要求系統上電后立即進入循環采集狀態。控制器對采集到的數據進行突變檢測，如果數據的瞬時值大于閾值電平，認定為有效突變，反之為無效突變。有效的突變數據隨之進入信號識別模塊，如果信號時頻特征滿足，系統觸發。系統進入順序存儲。

圖4　信號識別觸發的原理Fig.4 Principle of signal recognition trigger

3.2信號識別模塊的設計

測試系統采集到的信號經過A/D轉換后，同時進入存儲器和控制器，存儲器再觸發循環存儲。控制器中瞬時脈沖大于閾值電壓的數據進入信號識別模塊，信號識別模塊首先查找突變點之后1ms內的峰值及峰值對應時間，做上升時間的判斷；最后查找峰值過后恢復到基線電壓的時刻，做正作用時間的判定，如果均滿足，則識別過程完成。為了增加系統的適用性，在電平比較模塊中，閾值電壓采取可編程配置。根據不同的測試需求，集合式（1）中估值，閾值電壓值可以通過上位機軟件設置不同的參數。

圖5　信號識別原理Fig.5 Principle of signal recognition

3.3信號識別模塊的FPGA實現

FPGA中的信號識別模塊可通過狀態機實現。該模塊中每個特征參數都存放在一個寄存器中，狀態機運行過程中，每到一個參數值的狀態，就與寄存器中的參數比較，滿足，就進入下一個狀態。任意一個狀態不滿足，就跳出整個狀態，進入下一次識別。

4　有信號識別觸發功能的測試節點實現

根據信號識別觸發的設計原理，研制了具有信號識別觸發功能的爆炸場沖擊波測試系統節點，系統框圖如圖6所示。

圖6　系統結構框圖Fig.6 System block diagram

系統主要包括ICP壓力傳感器、FPGA控制器、A/D轉換器和SDRAM存儲器等。PCB公司的ICP壓力傳感器上升時間在1μ s內，壓力量程范圍在0.01 ～10MPa之間，適用于沖擊波壓力測試[7]。FPGA是一種可編程的控制器，通過硬件描述語言完成對數字系統的建模和設計。A/D轉換器是數模轉換器件，分辨率為12bit。SDRAM是存儲器，可按地址隨機存取。

系統上電后，ICP傳感器將感受到的壓力信號轉換為電信號，電信號經過調理電路后完成信號的放大、濾波和偏置。A/D轉換器將模擬電信號轉化成數字信號并分別存入SDRAM和FPGA。FPGA中的數據做信號識別，識別確認目標信號后，系統開始順序存儲。為了保證實驗人員的安全，實時監控系統的狀態，本測試節點采用Wi-Fi 通信的方式。因此，SDRAM中存儲的數據通過Wi-Fi傳輸到上位機。

5　實驗及數據分析

為了驗證瞬態壓力測試系統中信號識別觸發方式的抗誤觸發能力，用基于信號識別觸發的測試系統和電平比較觸發的測試系統在實驗室中分別進行試驗。測試系統如圖7所示。

圖7　瞬態壓力測試系統Fig.7 Transient pressure test system

1#設備為基于信號識別觸發的測試系統，傳感器的靈敏度為7.575mV/kPa。2#設備采用智能觸發方式，傳感器的靈敏度為7.432 mV/kPa。分別敲擊兩個測試節點的壓力傳感器，人為地加入壓力信號。觀察兩個測試節點的觸發指示燈，結果顯示1#設備觸發燈亮，2#設備觸發燈仍在閃爍。表明1#設備已經觸發，2#設備待觸發。瞬態壓力信號測試系統中，模擬電路輸出1.25V的偏置電壓，系統觸發電平的設置一般在1.3～1.6V之間。一般情況下，敲擊信號產生的壓力瞬時值都可以達到觸發要求。因此，1#設備觸發，讀取采集到的數據，如圖8所示。

圖8　干擾信號測試曲線Fig.8 Interference signal measurement curve of experiment

信號識別觸發的測試系統中，雖然壓力瞬時值超過了觸發電平，但受信號強度的影響，其上升時間較長，不符合目標信號的特征，系統不觸發。該實驗表明，基于信號識別的觸發測試系統能夠防止外界干擾造成的誤觸發。為了驗證信號識別觸發測試系統的可靠性，用1#、2#兩套設備參加爆炸場的測試實驗。兩個測試節點距離爆心的距離均為30m。兩個測試節點都采集到了有效數據，如圖9所示。由圖9可以看到在沖擊波到來之前有明顯的震蕩噪聲，這是由于爆炸瞬間高速運行彈片的彈道波混入了沖擊波信號中[7]。

圖9　爆炸壓力測試曲線圖Fig.9 Pressure measurement curve of blast wave

受爆炸源形狀的影響，距離爆心相同距離的兩個測試節點沖擊波到達的時間不同，特征參數值也有差異。如表1所示。

表1　測試曲線指標值Tab.1 The test curve of the index value

該實驗表明，基于信號識別的觸發測試系統可以采集到目標數據，適用于爆炸的測試環境。

6　結論

信號識別觸發從沖擊波信號的時域特征觸發，通過分析信號時域特點，選出了信號的典型特征及條件，在此基礎上做了信號識別觸發。與電平比較觸發方式相比，這種觸發方式能自動識別干擾信號，避免由干擾信號引起的誤觸發。與斷線觸發方式相比，操作簡單。實驗表明，該方法可以防止誤觸發且適用于瞬態壓力測試試驗。

參考文獻：

[1]賴富文,王文廉,張志杰.大當量戰斗部爆炸沖擊波測試系統設計及應用[J].彈箭與制導學報,2009,29(3):133-138.

[2]P.G.van't Hof,L.K.Cheng,J.H.G.Scholtes,W.C.Prinse.Dynamic pressure measurement of shock waves in explosives by means of a fiber Bragg grating sensor[C]//27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics,2007.

[3]W.E.Baker.空中爆炸[M].江科,譯.北京:原子能出版社,1982.

[4]Henrych J.The dynamics of explosion and its use[M].Amsterdam:Elsevier Scientific Publishing Company,1979.

[5]孫承緯,譯.爆炸物理學（上冊）[M].北京:科學出版社,2011.

[6]Patrick L.Walter,Ph.D.Shock and Blast Measurement-Rise Time Capability of Measurement systems[OL].http://www.pcb.com/techsupport/docs/pcb/TN-11-0904_Calculating_Rise_Time.pdf

[7]王文廉,張晉文,趙晨陽,等.爆炸場壓力測試多存少取技術研究[J].振動與沖擊,2014,33(24):54-57.

The Design and Implementation of Signal Recognition Trigger in Transient Pressure Testing System

JIA Zhen-hua,WANG Wen-lian
(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan,030051)

Abstract：Based on the phenomenon of the interference signal easily causing the false triggering in the transient pressure testing system of explosion field,the trigger method based on transient pressure signal recognition is proposed.Firstly,the effective mutation of ultra pressure peak is marked,and then the rise time and positive time are judged.The experiments show that the designed test system can be used to prevent false triggering and it is suitable for transient pressure test.

Key words：Pressure testing system；Shock wave；Signal；Trigger

作者簡介：賈振華（1989 -），女，在讀碩士研究生，從事信號與信息處理研究。

收稿日期：2015-07-07

中圖分類號：TJ450.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0057-04