瞬態高壓多點壓力測試系統

舒躍飛，李新娥，劉雪飛，梁彥斌，潘保青

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

瞬態高壓多點壓力測試系統

舒躍飛1，李新娥1，劉雪飛1，梁彥斌1，潘保青2

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

針對目前密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場測試中無法有效獲取多點壓力信息，該文在壓力測試儀的基礎上，研制量程為600MPa，抗3200K瞬時高溫的多點壓力測試系統。測試系統的塑料光纖傳光器件、高強度光窗、屏蔽薄膜，使其能適應密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場測試環境。通過測試系統多路光纖的光觸發信號，同步多個測試儀工作的同時，可使測試系統在強電磁環境下對多點進行壓力測試。運用有限元仿真軟件LS-DYNA，對密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場進行壓力仿真并獲取多點的壓力信息，仿真結果與已有的實驗數據吻合較好；某些區域壓力有多個峰值，某些區域間波形差異很大，這些區域壓力特性可為測壓器的布置數量與位置提供參考。

燃爆場測試；同步觸發；數值模擬仿真；壓力測試

0　引　言

火炮膛壓是火炮系統的重要指標，可靠的膛壓數據對內彈道與裝藥結構的合理性，彈體、引信、火炮的結構設計具有重要意義。膛壓測試包括了密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場測試。由于測試環境惡劣，且不適合引線，國內尚無多點同步測試方法[1-3]。國外有研究人員利用脈沖X光研究壓力波機理與抑制技術。美國猶他州立大學的研究人員利用算法與實測數據，重建火箭發動機內部壓力場[4]。為更進一步獲取膛內壓力信息，本文在中北大學殼體與傳感一體化壓力測試儀的基礎上，開展了基于光觸發的多點壓力測試系統的研制。由于密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場測試環境的復雜性，瞬時高溫（2500~ 3600K）、高壓（250~700MPa）、強電磁場[5]，在設計測試系統時，都必須考慮。

1　測試系統原理

密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場中發生極其復雜的動態變化過程，是一個多維、瞬態、非定常、兩相流體力學變化過程。以火炮發射為例，火炮發射過程雖然是瞬態不可逆轉且只有十幾毫秒，但各種現象的發生仍然有著先后順序。通過機械作用使底火藥著火，從而引燃火藥床中的點火藥，它將靠近點火源的發射藥點燃。在視覺上不可能分辨出火藥燃燒產生氣體的3個階段，但起始時刻的光信號傳播到膛內任意位置的時間更短，遠小于后續火藥產生的巨大壓力作用到壓力傳感器上的時間。因此，本文設計了基于光觸發的密閉空間燃爆場多點壓力測試系統，如圖1所示。

圖1　基于光觸發的多點壓力測試系統

2　光觸發可行性分析

由于被測瞬態信號一般只有幾十毫秒，這對測試系統的響應速度提出極高要求。而單個測試儀的時間響應滿足要求[6]，只需考慮光觸發的時間延遲。

采用光觸發后，光在光纖傳播時間為納秒級，光敏器件響應時間＜100 ns，觸發信號在電路板上傳輸時間＜100ns。系統觸發中斷響應時間是從外部中斷請求有效開始到進入中斷程序入口點的時間[7]。整個系統狀態過程的轉換在TI公司的MSP430單片機控制下進行，MSP430單片機的低功耗、微體積特性極其優越[8]。由于中斷控制器的時鐘與系統時鐘一致，系統時鐘選擇8MHz，這樣中斷觸發后，后續采樣數據將會被存儲在Flash里。系統觸發響應時間如下式所示：

式中：fMCLK——系統時鐘頻率；

m——系統響應執行時鐘周期數，m=6。

由式（1）計算可知系統觸發響應時間為0.75μs，可見采用光觸發后，延遲為微秒級。已知膛壓信號頻率在5kHz以內，膛壓作用時間為幾十毫秒。為了分析改進后壓力測試儀壓力載荷環境，表1為某靶場試驗的單個壓力測試儀實測的不同火炮膛壓波形數據。

表1　火炮膛壓波形參數

由表可知，所獲取的多種火炮膛壓的上升沿時間分布范圍主要在2~7ms之間，脈寬均在25ms以內[9]?？梢姴捎霉庥|發的測試系統響應速度滿足測試要求。

3　壓力測試系統

3.1壓力測試儀結構

壓力測試儀采用的傳感器是圓筒變極距型電容傳感器，感壓可動一極是全封閉的金屬外筒。外筒采用可以承受高壓、高沖擊的馬氏體時效鋼。集防護與感壓于一體的空心圓柱外殼，同薄型圓內筒組成同軸圓柱體。在殼體外筒與內筒之間，在內筒兩端外壁上，纏繞2個聚四氟乙烯環，使內筒與外筒緊密配合，并起到絕緣防護的作用。在內外筒的上下端面間都有橡膠墊片，上端面還有青稞紙與鐵片，起到緩沖、電磁屏蔽（防止電磁干擾造成的誤觸發）的作用，上端面的墊片需留通光孔，使透過光窗的外界光能作用在用于光觸發的光電器件上。當被測壓力作用在外筒上，外筒將發生形變，而內筒不受影響，這樣兩筒間的相對位移會發生改變，使兩筒間的電容值發生改變。通過檢測改變的電容值大小，就可以測量出作用在外殼體的外壓力。與外筒同軸的內筒內的測量電路，可以實現該壓力信號的采集存儲。整個系統體積＜25cm3，如圖2所示。

圖2　壓力測試儀結構圖

3.2測試電路原理

基于電容充放電原理而設計的微小電容調理電路是壓力測試儀的重要組成部分。測試電路主要由電源管理模塊、模擬調理電路、Soc處理器、高頻晶振和非接觸式接口電路組成。當壓力由殼體感知后，形變信號將變為電容信號并由模擬調理電路轉換和放大為電壓信號，輸入到Soc內部進行采集與存儲。數據存滿預留的存儲器空間后采樣結束，并自動復位。當系統滿足正常的通信條件時，就可以把壓力測試儀內部的測試數據，通過非接觸式接口很方便地上傳到上位機中，進行后續數據處理，其原理如圖3所示，流程如圖4所示。

圖3　壓力測試儀原理圖

圖4　壓力測試儀工作流程圖

3.3光纖選取

以聚合物PMMA光纖為代表的有機光纖，較無機光纖在撓曲性、強度、耐寒性、相對密度、加工、使用大直徑傳輸以及經濟性上有優勢[10]。本文選用直徑3mm的PMMA塑料光纖傳光。但是塑料光纖不耐熱，每次測試都需更換光纖。

3.4光窗選取與設計

選取的光窗為南京神童特種玻璃技術有限公司生產的鋁硅玻璃，能抗1 500℃高溫和1 150 MPa高壓。

測試環境要求選取的封接應當具有抗瞬時高壓高溫的特性，同時封接技術不應過多影響光窗的光學性能，以保證傳光效果與測試儀的正常工作。結合成本考慮，高頻封接技術較好符合各種要求。

3.5電磁屏蔽薄膜

由于在要求屏蔽材料具有較好電磁屏蔽效果的同時，還希望屏蔽材料對光敏器件工作的電磁波段具有低損耗的特性。滿足這一要求的有透明電磁屏蔽材料。常見的透明電磁屏蔽材料有薄膜型材料。薄膜型材料利用薄膜的透明性傳光，薄膜中導電粒子形成的導電通道達到屏蔽的目的。導電膜的方塊電阻（X）與膜對電磁波的反射率（R）及屏蔽效能關系如下式所示：

由于氧化物膜系中的氧化銦錫薄膜（ITO膜）技術成熟、性能穩定，且具有低電阻率、與玻璃有較強附著力、較好的透光率、較好的化學穩定性及耐磨的特點，本文選取一種方電阻為3~5 Ω/□，透光率為71.6%~76.3%，屏蔽效能為54.8~63.2dB的高性能ITO膜[11]。同時鍍膜的速度對電磁屏蔽效果也有著較大影響，光窗度膜時，應控制好速度。

3.6光電轉換電路

設計時，采用了北京敏光科技有限公司的LSSPDSMDBlue1.5PIN硅光電二極管。該光電二極管的響應波長為300～1250nm，與火藥燃燒的光譜范圍匹配較好[12]，同時該型號光電器件，具有微體積的特點，大小僅為1.5mm×1.5mm，易于安裝在測壓器面板上，基于此所設計的光電觸發電路如圖5所示。

圖5　光電觸發電路圖

圖中的光電轉換電路實現了光電轉換，并與控制單片機實現信號通信。當系統在循環采樣時，單片機檢測到該電路輸出的高電平信號后，系統便進入觸發態，實現對膛壓信號的采集存儲。

圖6　信號調理電路

3.7恒壓源橋式電容檢測電路

恒壓源采用電壓跟隨器結構，并使用單片機內部的運放以減小電路板體積，其輸出為2.5V以提供電容充電電壓?？刂茣r序采用早期恒流源橋式電路中的時序控制[13]。同時差動結構很好地避免了恒壓源震蕩電容電路中分布電容與雜散電容的影響。當被測殼體電容變化時，其與固定的標準電容在采樣時刻到來時，兩個電容的充電電壓差值也會改變，通過檢測出該電壓差值便可檢測出電容變化信號，進而達到獲取膛壓信息的目的。

3.8無線通信模塊

無線紅外收發器選用了SHARP公司生產的GP2W0116YPS芯片，該紅外收發器具有功耗低（處于關閉模式時的最大功耗僅為0.1μA）、抗干擾能力強、輸入靈敏度高以及封裝體積小（尺寸僅為1.8mm× 7.2 mm×2.75 mm）等特點，并支持紅外IrDA1.2的標準,數據傳播速率可達115.2Kb/s。該收發器由紅外線發射器、光電二極管及控制IC封裝而成。而設計中選用的單片機內部集成了編解碼器，使用時只需要使能紅外模塊，就可以方便對要發送以及接收的數據進行相應的編解碼，該紅外收發器的外圍擴展連接電路如圖7所示。

圖7　GP2W0116YPS外圍連接電路圖

3.9上位機軟件

上位機軟件可以實現對測試儀采樣頻率等參數的編程控制，同時讀取測試儀采集存儲的壓力數據，并對壓力數據進行濾波等處理。

4　仿真研究與實測

利用專業的顯示動力分析有限元軟件LS-DYNA，通過數值模擬與仿真技術，能初步了解膛內火藥燃燒產生的氣體壓力分布。

從火炮發射過程可以看到，在彈丸帶未進入膛線時，身管空間模型類似于規則柱形密閉容器，如圖8所示。

圖8　封閉容器模型圖

用LS-PREPOST完成仿真分析，圖9為起爆前仿真靜態分布圖。根據對稱性，仿真過程中選取A，B，C，D，E，F，G分別代表待考察的特征點。

圖9　起爆前仿真靜態分布圖

實測時，利用壓力測試儀可以獲取膛底壓力，利用彈載測試儀可以獲取彈底的壓力，其曲線如圖10所示。

圖10　膛底彈底壓力圖

利用軟件進行的數值模擬仿真，能夠呈現膛內火藥燃燒過程中，流體所形成的壓力傳播過程與分布等壓力場動態變化，而這些是無法實際測量的。膛內在火藥燃燒產生燃氣的同時，也伴有燃壓氣體的反射疊加作用，造成了膛內某些區域壓力時程曲線的多峰現象。如圖11所示，選取的特征點中，A與F、D與G，除了壓力峰值的差異，曲線輪廓基本一致，這對膛內多點壓力同步實測時電子測壓器的位置安放及測壓器數量的確定具有指導意義。同時，A與F點的曲線輪廓與實測的膛底、彈底壓力曲線吻合。實驗表明電容式壓力測試系統能在3 200 K瞬時高溫下測量600MPa以內的壓力。

圖11　參考點壓力時程曲線

5　結束語

本文提出了基于光觸發的密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場多點壓力測試系統，該方法能對密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場不同點的壓力同時進行壓力測試。并用軟件對密閉空間內瞬態高壓高溫燃爆場不同點的壓力進行了仿真，對獲取的結果與已有的實測結果進行了比較。本系統可用于獲取膛炸事故有關的壓力波信息，有助于提高新型火炮的安全與可靠性。

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（編輯：劉楊）

Transient high-pressure multi-point pressure testing system

SHU Yuefei1，LI Xin’e1，LIU Xuefei1，LIANG Yanbin1，PAN Baoqing2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100094，China）

Presently，multi-point pressure information cannot be obtained in the test of high pressure and temperature transient explosion fields in confined space.To solve this problem，this paper has designed a multi-point pressure testing system based on the pressure tester.This 600 MPa system can be used at a transient temperature of 3 200 K.The system is adaptive to severe testing environments due to its plastic optical fiber，high strength optical window and electromagneticshieldingfilm.Thelight-triggeredsignalsfrommultiplexopticalfibersare measured to synchronize the work of multiple testers and help the system to get the pressure information at different points under strong electromagnetic environment.LS-DYNA，namely finite element simulation software，is used to simulate the pressure at transient high-pressure hightemperature burning and explosion fields within confined space and obtain multi-point pressure information.The simulation results agree with existing experimental data.The pressure of some regions has several peaks，and there is a big difference between the waveforms of some regions. The pressure characteristics of these regions can be used as a reference for determining the numbers and positions of pressure measuring devices.

explosion field test；synchronous trigger；numerical simulation；pressure test measurement

A

1674-5124（2016）03-0067-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.016

2015-06-29；

2015-08-11

國防科技重點實驗室基金（9140C1204011007）

舒躍飛（1989-），男，湖北咸寧市人，碩士研究生，專業方向為動態測試與智能儀器。