微型高效沖擊片雷管起爆系統設計研究*

王 朋,馬鐵華*,崔春生

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

微型高效沖擊片雷管起爆系統設計研究*

王 朋1,2,馬鐵華1,2*,崔春生1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對現有沖擊片雷管起爆系統體積大、效率低的問題,通過分析沖擊片雷管起爆機理,選用微體積元件,對PCB板進行精密規劃布局,設計了高效率電壓轉換電路和起爆控制電路,完成了微型高效沖擊片雷管起爆系統的設計,該系統主要由電源、控制模塊、升壓模塊、儲能模塊、起爆電路、放電電路和反饋模塊構成。經過對多種不同起爆閾值的沖擊片雷管進行重復試驗,和現有起爆系統相比,該起爆系統體積大幅度減小,起爆速度得到提高,并且起爆可靈活控制,不會出現誤起爆的情況,該系統完成雷管起爆后自動消耗剩余能量,使其更加安全和可靠,對沖擊片雷管應用于武器系統有很大的實踐意義。

沖擊片雷管;起爆系統;體積;效率;起爆速度;安全

TJ沖擊片雷管高安全性、高可靠性、抗干擾能力強的優點很好的滿足了大型戰斗部的起爆要求,被廣泛應用于火箭、導彈等武器系統中[1],開展對沖擊片雷管起爆系統的研究對應對未來復雜的作戰環境和提高武器的作戰能力有非常大的實踐意義。在實際戰斗中,雷管的起爆速度直接影響武器的作戰能力和效果,而起爆裝置的體積關系著其可攜帶性,而且武器系統中的零部件越來越朝微型化方向發展[2]。由于沖擊片雷管起爆所需電壓高達幾千伏,瞬間起爆電流也非常大,起爆所需能量較大,目前已有的起爆裝置為儲能電容充電效率較低,導致從決定起爆到到達起爆點所需時間較長,起爆雷管后,內部電容儲存的能量并不會完全消耗掉,內部缺乏自動放電電路,容易引起危險。并且裝置整體體積較大,不易攜帶,這些缺點一直限制著沖擊片雷管在武器系統中的應用[3]。針對以上問題,本文設計了微型高效沖擊片雷管起爆系統。

1 總體設計方案

沖擊片雷管起爆系統由電源、控制模塊、升壓模塊、儲能模塊、起爆電路、反饋模塊和放電電路構成,總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

系統起爆前,直流大功率電源只為控制模塊和反饋模塊供電,若控制模塊檢測到起爆按鈕按下,則通過光耦接通升壓模塊和直流電源,升壓模塊首先將直流電壓迅速轉化為高頻交流電,而后通過升壓電路將電壓高倍提升,提升后的電壓為儲能模塊快速充電,當儲能模塊的能量達到沖擊片雷管起爆所需能量時,通過起爆電路自動起爆沖擊片雷管,反饋模塊檢測到起爆電路的大電流后,發送信號給控制模塊,

控制模塊通過光耦1斷開升壓模塊的電源,并且通過光耦2將自動放電回路接通,把剩余能量完全消耗,斷開自動放電電路,等待下一次起爆。

2 升壓模塊設計

升壓模塊主要由變頻電路、變壓器和倍壓電路三部分構成,三級電路共同完成電壓的高倍提升。

升壓電路工作原理如圖2所示,通過UC3842芯片產生方波,此芯片是高性能固定頻率電流模式控制器,是驅動功率型MOSFET的理想器件,只需最少外部元件,便能將直流電壓轉變為高頻方波,方波頻率設定為1.1/R1×C1=67 kHz。通過方波控制MOS管高速通斷,從而在變壓器的初級線圈中產生不斷變化的電流,并且在次級線圈和反饋線圈感應出能量。功率型MOSFET選用47N60C3型號,最大耐壓值800V,最大電流47 A,導通電阻0.07 Ω,耐大電流和低導通電阻的特性為后級大功率充電提供了保證。

圖2 升壓電路

圖3 變壓器纏繞原理

變壓器共繞3組,一組輸入級,一組輸出級,另一組反饋級,如圖3所示,由于MOS管的高頻通斷,初級線圈流入不斷變化的電流,由于電磁耦合,輸出級和反饋級產生感應電動勢,電動勢的大小由線圈匝數比確定,輸出級感應電動勢輸入倍壓電路進行二次升壓,反饋級輸出的感應電動勢為前級方波發生電路供電,提高方波發生電路的供電穩定性和輸出方波頻率以及驅動力的穩定性。變壓器制造過程中,采用MEMS技術,應用納米晶合金帶材平面磁芯螺旋纏繞磁芯,外部應用磁場隔離材料隔離包裝,相比傳統變壓器,這種工藝制作的變壓器電壓轉化效率得到較大提高,體積得到大幅減小。

圖4 倍壓電路

倍壓電路主要完成交流電壓向直流電壓的轉化和電壓幅值的二次提升,倍壓電路設計過程中,采用小容值貼片電容,體積小,響應快,耐壓值高,二極管選用快速恢復高耐壓值二貼片二極管TO1,倍壓電路如圖4所示。交流電從AC1、AC2引腳輸入,經過倍壓電路轉換,高壓從圖中箭頭間輸出,為后級儲能模塊充電。

3 儲能模塊與反饋模塊設計

儲能模塊主要由高功率密度大電容組成,本系統選用金屬化聚酯膜電容器,體積小,容量大,耐壓值高,使用溫度范圍寬,絕緣電阻極高,功率密度大。這些優點完全符合沖擊片雷管起爆系統的設計要求。如圖5為薄膜電容器的照片。反饋模塊采用霍爾傳感器進行起爆電流檢測,霍爾傳感器原理如圖6所示。

圖5 薄膜電容器

圖6 霍爾傳感器原理

在儲能模塊達到起爆閾值后,通過起爆電路迅速向沖擊片雷管放電,與起爆電路串聯的霍爾線圈會流過幾十安培的大電流,當大電流切割霍爾傳感器中的磁感線圈時,會在線圈兩端產生感應電動勢,傳感器輸出電壓通過信號處理電路后被送入電壓比較器與預設閾值進行比較,當比較器輸出發生翻轉時,證明已經達到沖擊片雷管起爆電壓并且已經起爆,控制電路通過光藕斷開升壓電路的電源,停止為儲能模塊充電,同是接通自動放電電路,將剩余能量消耗完。

4 控制模塊

控制模塊采用ATTINY13A-SU單片機,SOP8封裝,通過LM1117穩壓芯片穩壓后為單片機供電,上電后,單片機不斷檢測開關是否按下,若檢測到開關按下,則控制光藕1導通,接通升壓模塊的電源,接通之后,不斷檢測霍爾傳感器的輸出,當起爆沖擊片雷管時,會在起爆回路產生大電流,霍爾傳感器感受到大電流輸出高電平,單片機檢測到霍爾傳感器的上升沿后,控制光藕1關閉,停止為升壓模塊供電,終止為儲能模塊充電,同時控制光藕2導通,接通自動放電電路,以500 Ω的大功率電阻快速放電,放電1 min后,關閉光藕2,等待下次起爆。控制模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7 控制模塊原理圖

5 實驗結果

針對本系統,分別進行了模擬測試和真實沖擊片雷管起爆實驗,首先出于安全考慮,對起爆系統進行模擬測試,起爆回路選用閾值為1 000 V的氣體放電管,用5 Ω的電熱絲代替爆炸箔,通過羅氏線圈測得了放電電路的曲線圖,如圖8所示。可見在起爆瞬間電流迅速上升到200 A,并且在2 μs內迅速下降到0,模擬測試成功后,應用本系統對不同起爆閾值的沖擊片雷管進行多次試驗測試,通過秒表計時,實測數據如表1所示。通過對某公司現有起爆器起爆時間(如表2)進行對比可知,起爆速度有了較大的提高。

圖8 放點管放電曲線

表1 新型沖擊片雷管起爆系統起爆時間測量 單位:s

表2 某公司沖擊片雷管起爆系統起爆時間測量 單位:s

6 結束語

本文設計的沖擊片雷管起爆系統相比現有的起爆系統體積有了較大的縮小,起爆速率有了較大的提高,并且在起爆系統中加入了控制部分,起爆操作可通過開關靈活控制,能夠在起爆結束后將剩余能量自動消耗,避免了操作人員忘記放電而對人身安全造成威脅的事故發生,確保了起爆人員的安全性,對沖擊片雷管應用于武器系統有較大的現實意義。

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The Design on Slapper Detonator Initiating System of Miniature and High Efficiency*

WANGPeng1,2,MATiehua1,2*,CUIChunsheng1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory North University of China,Taiyuan 030051,China)

Existing slapper detonator initiating system has large volume and low efficiency,Aiming at these problems,through the analysing of slapper detonator initiation mechanism,selecting micro volume element and planning layout of the PCB board precisely,designed the high-efficiency voltage conversion circuit and ignition control circuit,completed the design of miniature slapper detonator initiating system,the system is mainly composed of power supply module,control module,boost module,storage module,priming circuit,discharge circuit and feedback module. Tested with a variety of different slapper detonator,and compared with the existing ignition system,the initiation system volume is greatly reduced,detonation velocity is improved,and the initiation is flexibly controlled,It does not appear error initiation,the system completed detonator explosion automatic consumption residual energy and make it more safe and reliable,It has great practical significance for slapper detonator to be used in weapon system.

slapper detonator;initiating system;volume;efficiency;initiation rate;safe

項目來源:山西省回國留學人員重點科研項目(2008003)

2016-06-07 修改日期:2016-07-19

C:8380

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.044

TP29

A

1005-9490(2017)02-0486-04