爆炸場熱流信號存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計*

陳愛艷,范錦彪,,杜紅棉,,李玲玲,王永峰

(1　中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原　030051;2　儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原　030051)

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爆炸場熱流信號存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計*

陳愛艷1,范錦彪1,2,杜紅棉1,2,李玲玲2,王永峰2

(1中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原030051;2儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原030051)

摘要:溫壓炸藥爆炸時伴隨著極大的破壞作用,加大了熱流測試的難度。為有效評估溫壓彈藥的熱毀傷效應(yīng),采用接觸法測量并結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行智能化測試。具體介紹了該系統(tǒng)總體方案的設(shè)計思路,通過戈登型熱流傳感器和存儲裝置測量,對測試測量的數(shù)據(jù)進行了簡單分析。實驗結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)操作簡單、使用安全,對以后熱通量傳感器(HFM)信號的測量有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:溫壓炸藥;無線傳感網(wǎng)絡(luò);測試裝置;熱通量傳感器

0引言

溫壓炸藥是一種同時含有大量燃料和特殊氧化劑的富燃料高爆炸藥[1]。在爆炸過程中會有爆炸波和沖擊波的超壓作用、高溫場的燃燒和熱作用以及破片作用[2],具有比常規(guī)炸藥更高的毀傷威力,故其已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點。然而,目前對溫壓炸藥的研究大部分集中在沖擊波和破片毀傷方面,在熱分析方面的研究則很少。尹福炎[3]提出了熱流的測量方法;南京理工大學(xué)的黃磊[4]對不同炸藥的爆炸進行了分析與測試。

文中介紹了一種通過接觸法測量爆炸場熱流的系統(tǒng)裝置,它基于存儲測試技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),較其它裝置更可靠和安全。在爆炸過程中,測試人員可以遠程監(jiān)控,通過無線傳輸對測試裝置進行上電、下電、觸發(fā)等操作。在爆炸結(jié)束后,可回收記錄儀,通過計算機對采集到的數(shù)據(jù)做進一步的處理分析。

1測試系統(tǒng)設(shè)計方案

測試裝置分為熱通量采集和控制臺兩大部分。熱通量采集部分:爆炸現(xiàn)場測到的熱通量信號由信號調(diào)理電路部分(放大、濾波等)進行處理,通過模擬開關(guān)的選擇,由A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的單片機對FPGA傳輸指令,使數(shù)字信號存儲于Flash中,待爆炸結(jié)束后,利用USB讀數(shù)口將數(shù)據(jù)讀取到電腦予以進一步的分析。控制臺部分:主要是通過計算機的上位機監(jiān)控程序?qū)o線中心傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸命令,進而給熱通量采集部分的單片機下達指令。測試裝置的原理框圖如圖1所示。

2測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1信號處理模塊

熱通量傳感器的信號以差分的形式輸出,故本系統(tǒng)使用INA128將其放大。INA128是低功耗、高精度的通用儀表放大器。反饋電流輸入電路即使在高增益條件下(G=100時,帶寬為200kHz)也可提供較寬的帶寬。INA128的內(nèi)部設(shè)定增益為1,可通過外部的電阻設(shè)定更高的增益。由于INA128能將共模干擾降到很低的程度,因此能有效抑制線路諧波和線路噪聲[5]。將INA128輸出的信號經(jīng)過電壓跟隨器輸出,從而對信號起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2　信號處理模塊

2.2無線傳感模塊

無線傳感模塊包括中心傳感和終端節(jié)點兩部分。終端節(jié)點主要用來接收并執(zhí)行中心傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的控制信號對測試系統(tǒng)的遠程控制以及實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的反饋[6]。實現(xiàn)對存儲測試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)檢驗、增益、裝置觸發(fā)及上下電的功能。系統(tǒng)所選用的SZ05系列無線傳感模塊最大的傳輸距離為2km。實驗測試,在500m的范圍內(nèi)均能順利的實現(xiàn)信號的發(fā)送。確保測試人員能遠距離操控并且可靠的完成測試任務(wù)。無線傳感的流程如圖3所示。

2.3數(shù)據(jù)采存模塊

對信號處理模塊輸出的模擬信號進行采集和存儲是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。轉(zhuǎn)化得到的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(A/D7484)變成數(shù)字信號,在FPGA的控制下儲存到Flash里。介于所選的閃存存儲器K9F4G08U0A具有非易失性、下電不丟失數(shù)據(jù)等優(yōu)點,因此,即使爆炸時破片等擊壞裝置,只要能回收到被損壞的測試系統(tǒng),取出閃存芯片,亦可通過讀數(shù)裝置得到實驗的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲的流程如圖4所示。

圖3　無線傳感網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖

圖4　數(shù)據(jù)存儲流程圖

3傳感器選型及工作原理

3.1傳感器選型

本裝置選用的是G-25系列戈登輻射熱流傳感器。其廣泛應(yīng)用于傳熱研究、火災(zāi)實驗、可燃性試驗等領(lǐng)域[7]。傳感器外殼為銅體,能確保傳感器的壽命和信號的穩(wěn)定性。其表面鍍有的耐高溫黑漆發(fā)射率接近0.94,且在有實測意義的大部分波長范圍內(nèi)變化不大。傳感器所測熱通量范圍高達2 000kW/m2,能滿足爆炸場高熱流的測量。傳感器的主要性能指標(biāo)如表1所示。

3.2工作原理

圖5為傳感器原理的結(jié)構(gòu)簡圖。一條銅引線連接到康銅箔的中心,這樣就得到一個由銅引線—康銅箔—銅熱沉體組成的差分熱電偶對——熱電堆。傳感器的信號通過位于康銅箔中心的銅引線與銅熱沉體上的引線輸出。

表1　傳感器的主要性能指標(biāo)

當(dāng)有熱輻射投射到傳感器上時,會被康銅箔上表面的黑漆(高吸收率)吸收,吸收的輻射熱會使康銅箔的溫度升高,并且沿著徑向傳到銅熱沉體上。當(dāng)傳感器處于某一瞬時熱平衡,康銅箔中心的溫度會高于周圍的溫度,這個溫度差很容易被上述所說的差分熱電偶對檢測到并以與之對應(yīng)的電壓信號方式輸出。那么再根據(jù)輻射熱通量與電壓信號之間的函數(shù)關(guān)系,就可以得到所需測量的熱通量值[8]。

圖5　戈登式熱流傳感器結(jié)構(gòu)示意簡圖

4實驗及測試結(jié)果分析

為了驗證裝置的可靠性,該系統(tǒng)對1.5kg的溫壓炸藥進行了實爆測試。按照相關(guān)軍標(biāo)[9]要求,在距離爆心0.6m、1.5m、2.0m處分別放置了兩組測試裝置。繼而給每套裝置上電,通過無線主控臺進行增益、觸發(fā)方式、采樣頻率等參數(shù)的配置,待爆炸結(jié)束后讀取數(shù)據(jù),部分數(shù)據(jù)如圖6所示,數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。熱毀傷準(zhǔn)則一般包括:熱通量準(zhǔn)則、熱劑量準(zhǔn)則、熱通量-熱劑量準(zhǔn)則,由于炸藥爆炸的持續(xù)時間是很短暫的,因此它符合熱劑量破壞準(zhǔn)則[10]。

圖6　測試曲線

距離/m熱通量/(W/cm2)熱劑量/(kJ/m2)0.6191.2839.60.6195.1859.01.5122.0243.41.5188.7251.82.022.70143.52.022.25143.4

5總結(jié)

文中介紹了一種基于無線傳感技術(shù)和存儲測試技術(shù)的溫壓炸藥熱通量測試的方法。測試裝置可以

實現(xiàn)遠程監(jiān)控,大大的提高了測試人員的安全性,解決了傳統(tǒng)測試無法實時監(jiān)控的問題。同時測試裝置也適用于其它爆炸物熱通量的測量,具有較大的實用性和可靠性,為以后的測試提供了一定的參考。

參考文獻:

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[3]尹福炎. 熱流傳感器及其應(yīng)用概況 [J]. 傳感器世界, 2000(11): 7-13.

[4]黃磊. 不同炸藥爆源的爆炸場熱效應(yīng)分析與測試 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

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[6]余凱凱. 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)溫度存儲測試系統(tǒng)的研究 [D]. 太原: 中北大學(xué), 2011.

[7]黃磊, 何中其, 李春光. 熱通量傳感器在爆炸場熱輻射測試中的應(yīng)用 [J]. 火炸藥學(xué)報, 2011, 34(5), 38-39.

[8]由富恩. 熱流測試方法與圓箔式熱流計 [J]. 宇航計測技術(shù), 1984(4): 71-79.

[9]北京總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部. 燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測試及爆炸威力評估方法:GJB5412-2005 [S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

[10]BAKERWE,COXPA,WESTINEPS,etal.Explosionhazardsandevaluation[M].Amsterdam:ElsevierSciencePubCo., 1983: 35-36.

*收稿日期:2015-02-02

作者簡介:陳愛艷(1989-),女,山西太原人,碩士研究生,研究方向:爆炸場溫度測試研究與分析。

中圖分類號:TQ564 TP274

文獻標(biāo)志碼:A

DesignofHeatFluxSignalMeasuringSystemBasedonMemoryTestTechnologyinBlastingField

CHENAiyan1,FANJinbiao1,2,DUHongmian1,2,LILingling2,WANGYongfeng2

(1NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2KeyLaboratoryofInstrumentationScienceandDynamicMeasurement(NorthUniversityofChina),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China)

Abstract:It is difficult for heat flux test because of damage caused by thermobaric weaponry exploding. In order to effectively evaluate thermal damage effect, contract measurement was adopted with intelligent test by wireless sensor network technology. The design idea of overall scheme was elaborated, the measured data were analyzed according to the garden heat flux sensors and test devices. Experimental results show that the designed system is simple and safe for operation, can be used for referrence to measurement of heat flux sensor(HFM) signal.

Keywords:thermobaric weaponry; wireless sensor network technology; test device; heat flux sensor