桥丝式电点火系统电磁安全裕度测量研究

2014-07-09冀军晓

现代电子技术 2014年13期

冀军晓

摘要：采用一种半导体带隙型光纤测温仪对电点火系统的电磁安全裕度进行测量。测量桥丝在电磁辐射下温度的变化，根据校准取得桥丝电流和温升的系数，桥丝的感应电流就可计算出来，最终获得电点火系统在电磁辐射下的安全裕度。实验结果表明，该方法能够准确获得复杂电磁环境下感应的桥丝电流，是一种可靠桥丝式电点火系统的电磁安全裕度评估方法。

关键词：电火工品；电磁安全裕度；感应电流；半导体带隙

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0150?03

Research on electromagnetic safety margin measurement of

bridge?wire electric ignition system

JI Jun?xiao

（Luoyang TV University， Luoyang 471000， China）

Abstract： A semiconductor band?gap optic fiber thermodetector is introduced to detect the electromagnetic safety margin of the electric ignition system. The bridge?wire′s temperature change is detected under the direction of electromagnetic radiation. The induced current of bridge?wire can be obtained by calculate the coefficients of bridge?wire′s temperature rise and current. At last the safety margins of electric ignition system are achieved under the direction of electromagnetic radiation. The experimental results show that the method can obtain accurate bridge?wire current induced in complex EM environment， and also is a reliable one to evaluate safety margins of bridge?wire electric ignition system.

Keywords： EED； electromagnetic safety margin； induce current； semiconductor band?gap

0 引言

电点火系统是武器系统中的关键部件，其在复杂电磁环境下的安全性和可靠性对武器系统作战效能的发挥至关重要。电点火系统主要由电火工品（Electro Explosive Device，EED）构成，电火工品中通常是在两电极之间用贵重金属丝形成一个电桥，即灼热型桥丝式电点火头，处于复杂电磁环境下的桥丝，其内部会感应出射频电流，感应电流会加热桥丝，当达到火药点火温度时，点火头就发火发生爆炸，造成误炸现象，对于武器系统来说会造成严重和可怕的后果。

GJB1389A?2005《系统电磁兼容性要求》[1]中对于电起爆装置，明确规定电磁安全裕度限值为16.5 dB，因此，就需要找到一种准确测量桥丝式电点火系统电磁安全裕度的方法。

电点火系统的电磁安全裕度定义是：最大不发火电流[IMNF]与感应电流[Ii]的比值取对数再乘以20后得到的数值。如何精确测量感应电流是确定电磁安全裕度的关键，通过施加不同量级校准电流给桥丝，得到桥丝上的温升值，经过数据拟合获得桥丝温升与感应电流系数，通过测量桥丝的温度变化就可以获得对应感应电流。早期使用热敏电阻、热电偶来测量桥丝的温升。然而在复杂电磁环境下，测量电路本身会耦合出感应电流，叠加到桥丝感应电流上，引入较大测量误差，同时测量速度较慢。而利用光纤半导体器件测温，光纤是绝缘体，在电磁场下不会感应出任何电流，不影响电磁场的分布，不会带来测试误差，而且测量速度快、精度高，是目前广泛采用的方法。

本文所采用的就是半导体带隙型光纤测量系统，属于接触式测温系统。

1 原理阐述

1.1 桥丝电流与温度关系

通过理论计算，桥丝电流与温度的关系式[2]为：

[T=T0+I2iRUal28K] （1）

式中：[R]为桥丝体电阻；[l]为桥丝长度；[K]是桥丝的热扩散系数；[Ua]是桥丝的比热；[Ii]是桥丝感应电流；[T0]为测量现场温度，对某一确定桥丝，式（1）可简化为式（2），电流和温度的关系可写为：

[ΔT=T-T0=NI2i] （2）

式中：[N]是由桥丝本身性能确定的常数，因此桥丝的温升[ΔT]与感应电流的平方成正比。

1.2 光纤测温原理

半导体带隙型光纤测量系统的传感器是一种基于SCBG（Semi?Conductor Band?Gap）半导体带隙技术的光纤探头。这种探头的结构如图1所示。

图1 光纤探头结构图

光纤温度探头由光纤及其顶端细小的GaAs（砷化镓）晶体组成。当温度发生变化时，GaAs晶体具有如下特性：其对于波长低于某一特定值的光波是不透明的，而对于高于这一波长的所有光波，具有透明特性，这一临界的波长成为带隙[3]。如图2所示。

图2 GaAs（砷化镓）晶体光特性

光通过光纤信号调节器进入到GaAs晶体，在带隙波长以下的光被接收，而带隙以上的光被绝缘镜反射回信号调节器，进入一个小型的光谱分析仪。一个线性的CCD阵列光检波器对不同波长的光的强度进行测量。CCD阵列的每一个像素对应一个特定经过校准的波长，这样就可以得出GaAs发射回来的光的谱强度分布。由于GaAs的带隙位置随温度变化而变化，其位置所对应的光谱能量分布已经经过校准，且与绝对温度相对应。这样就能够对温度变化进行精确的测量。与其他干涉测量技术不同的是，对于测试中常见的机械振动及光纤移动等情况，SCBG技术不受任何影响。

2 测量与结果

2.1 测量系统构成

测量系统框图如图3所示（实线框部分是半导体带隙光纤数据采集单元），系统包含多路半导体带隙光纤测温探头，CCD阵列光谱分析单元。

系统配备白光光源，其发出光束经耦合器进入光纤，传输到测温探头。探头感应桥丝温升，使大于某一特定波长的光波被反射，反射回来的光经同一光纤传送到CCD阵列光谱分析单元，经过A/D转换、信号处理，把得出的对应温度数据通过LAN端口送给计算机。

内置校准电流源能够根据计算机控制命令，步进输出不同幅值校准电流信号给桥丝。计算机上的测量分析软件绘制出桥丝上测量位置的温度变化曲线，并将数据进行存储和传输。计算机控制命令也是通过LAN端口发送给光纤数据采集模块，来控制校准电流源的输出，并自动记录各电流输出下的温度探头读数，经过自动计算拟合后形成温升/电流转换系数，即公式（2）中的[N]常量。

图3 测量系统组成框图

2.2 电点火系统电磁安全裕度判据

对某电点火系统进行电磁辐射敏感度试验时，根据测得的温度变化值和电流源校准得到的[N]常数，计算出感应电流值[Ii。]把电点火系统最大不发火电流[IMNF]与感应电流[Ii]的比值取对数再乘以20后得到即为电磁安全裕度值[4]。如果该值大于16.5 dB ，则此电点火系统满足GJB1389A?2005规定的安全裕度要求。

2.3 测量实例

试验采用某型桥丝式电火头，其性能指标见表1。

实验中控制校准电流源以10 mA为步长增加，由于桥丝的热容量很小，达到热平衡的时间很短，所以每个电流值驻留10 s，满足实验精度要求，校准实验数据见表2。

图4 桥丝电流?温升的拟合曲线

因此，在电场辐射下，利用测得电火头桥丝温度变化值[ΔT，]利用图4所示的拟合曲线，便可以得到桥丝上的感应电流（[Ii]），然后就可计算出安全裕度值，从而对该电点火系统进行电磁安全性评估。

3 结语

原先对于电磁辐射对电点火系统的危害主要采用试验进行定性的判断，缺乏有说服力的试验数据，判断结果误差较大。随着科技的进步，以及电磁脉冲弹、微波武器的投入应用，各种电磁辐射源功率不断提高，使武器系统中电点火系统所处的电磁环境异常恶劣。

SCBG（Semi?Conductor BandGap）半导体带隙光纤测温仪的应用，解决诸如复杂电磁环境引入测试误差、抗机械振动、测量精度、速度和稳定性等传统测试方法带来问题，是一种精确评估桥丝式电点火系统电磁安全裕度的方法。

参考文献

[1] 中国人民解放军总装备部.GJB1389A?2005系统电磁兼容性要求[S].北京：中国人民解放军总装备部，2005.

[2] 王韶光，齐杏林，曹宏安，等.电发火系统感应电流测试方法研究[J].军械工程学院学报，2003，15（4）：11?14.

[3] 靳伟，廖延彪，张志鹏，等.导波光学传感器原理与技术[M].北京：科学出版社，1998.