光触发电子测压器的设计*

温星曦，李新娥*，王美林(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

光触发电子测压器的设计*

温星曦1，2，李新娥1，2*，王美林1，2
(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

针对现有采用内触发方式的壳体电容式电子测压器，装配过程中壳体电容易受干扰，从而造成误触发或不触发等问题;同时为了获取火炮膛内压力场信息，需要进行膛内多点压力测试，但用内触发方式时间机制难以统一，由此提出了基于爆炸场光信号外触发测压器的设计，通过改造测压器的端盖，设计可靠的光触发电路，利用爆炸场光信号作为采样触发信号，将处理过的与压力信号有关的电信号进行采集并存储到单片机flash中。经模拟实验，该光触发测压器能够准确触发，为解决现有测压器容易误触发，获取膛内多点压力等问题提供了可行的方案。

测压器;光触发;光电转换;多点压力

火炮膛内动态压力是火炮在研发、设计和验收时的重要参数之一［1］，但先前研制的壳体电容式电子测压器采用内触发方式，对标准电容与壳体电容的匹配程度要求非常高，匹配不当容易造成触发范围比较小或不触发等问题，同时由于在装配过程中电路内筒容易发生倾斜，使壳体电容初值发生变化［2］，而这极易造成误触发现象，致使实验失败，获取不到正常的膛压数据。而且目前的电子测压器只能测得某一点膛底压力，膛内压力场分布信息至今尚不明确，所以，为了获取膛内不同位置的压力，进而获得压力场信息，有必要进行多点压力的测试，但目前测压器都是采用的内触发，采用内触发不能保证不同位置的测压器同时触发，时间机制难以统一，由此提出了基于爆炸场光信号的外触发测压器的研制。

1 整体方案的设计

1.1 系统结构

火药在炮膛内燃烧爆炸时会产生瞬态高压和火光，同时炮膛内会产生剧烈振动。光触发电子测压器通过爆炸场光信号触发采样存储，记录膛内压力信息。它主要由传感器、电路模块、电池、光窗、高强度壳体、光电转换模块以及红外通信模块组成。光电传感器通过光窗接收到光信号经放大处理后送至单片机P2.5管脚，系统响应这个中断后，开始采集膛压信号存储到FLASH中，测试完成后通过红外接口模块读取数据，经过上位机专用软件处理得到膛压P-t曲线［3］。外触发系统结构框图如图1。测试仪最外部是高强度的保护壳体，它能够耐高温、高压、高冲击，对电路起保护作用，同时与内筒一起组成压力电容传感器。测试仪上端盖是高强度光窗，以便爆炸场光信号的传输以及上位机与红外接口模块通讯的需要。

图1 外触发系统结构框图

1.2 测压器的改进

首先，在原有测压器［4］的面板位置增加高效可靠的光电转换电路模块，使传输过来的光信号转换为电信号。其次，为实现外部光信号与系统内部电路的传递。需要改造原有测压器的端盖，即在测压器的端盖上开设一个光窗，所采用的光窗能够承受高温高压高冲击等恶劣环境，而且更重要的是透光率高，同时采用特殊的封接技术，如钎焊封接、压力封接、高温熔封等［5］，保证光窗与测压器端盖有效定位密闭配合，防止存在漏气的风险，以免对保护壳内的电路等内部部件造成损坏，图2即为经过改进的端盖部分的示意图。其中1为高强度壳体，2为光窗，3为光电器件，4为面板。最后，由于光窗封接后不能打开，所以把测压器的后端盖设计成可拆卸结构，便于测压器的充电与维修。

图2 经改进后的端盖示意图

1.3 光电转换电路的设计

实现基于光信号外触发的关键是光信号的捕捉、有效传输和光—电信号的可靠高效转换以及系统控制电路的工作。用光做媒介的触发方式的缺点是:一般情况下，光信号只能传递很小的功率，所以必须对转化后的电信号进行相应的放大、滤波、降噪等处理，以达到触发系统采集存储所需要的信号要求。所以，光电器件的选择和光电转换电路的设计是实现系统正常工作的重要环节。光电转换模块需要选择合适的光电器件。根据已有文献，火药燃烧产生的光信号主要以可见光为主，波长范围比较大，持续时间短，瞬时变化很大［6］。为此选择了北京敏光科技有限公司LSSPD-SMDBlue1.5光敏二极管，它的响应波长为300 nm～1 250 nm，峰值波长为940 nm，灵敏度为0.5 mA/MW［7］，由此可以看出，可以满足火药燃烧的光谱范围，同时LSSPD-SMDBlue1.5PIN型硅光电二极管，体积微小，大小为1.5 mm×1.5 mm，很适合的安装在测压器面板上，基于此所设计的光电触发电路如图3所示。

图3 光电触发电路

该光电转换电路中A1运算放大器可以将光电检测器件产生的微弱光电流通过相应的电路转换为电压信号［8］，同时其后连接另一个低噪声主放大器A2，目的是将光电探测器件的微弱电信号进行放大，使后置处理电路与探测器件之间的阻抗相匹配［9］。在实验室环境下，利用可燃物燃烧的光照射到光电器件上，对此光电转换电路进行了模拟实验，得到如图4所示的波形，信号的上升时间为微秒级，并且可产生2.3 V左右的电压。

图4 光电电路调试波形

由于MSP430x4xx系列单片机工作电压3.3 V时，管脚响应电平在1.5 V～2.0 V，根据MSP430 F G4618芯片资料［10］，P2.5口可以在1.5 V的条件下便可响应中断，使系统进入触发态，进行FLASH储存，同时根据LSSPD-SMDBlue1.5光敏二极管的芯片资料可以看到该光敏二极管在工作电压为5 V，入射光波长为940 nm条件下，产生的光电流与辐照度Ee呈线性关系。根据所设计的光电电路可以计算出该光电二极管接收的光辐照度理论值Ee为4 MW/cm2，而爆炸场光强远远大于可燃物燃烧的光强。由此说明了该光电电路产生的电压幅值以及火药爆炸的光强可以使系统有效触发进行采集存储。而且经过理论计算，火药燃烧的光信号从到光敏器件开始时刻到系统触发的时间Tz总和小于膛压传递和作用的时间Ty，即Tz＜Ty，而此条件是压力测试仪能够正常触发获取完整膛压p-t曲线的关键之一。

由此可以看出:该光电电路保证了在膛压作用到传感器之前，系统能够准确及时触发，为基于爆炸场光信号外触发测压器的设计可行性提供了依据。

1.4 测量电路与逻辑控制时序

在瞬变微小电容测量电路中，设计了一个与电容传感器电容值Cy相匹配的标准电容Cs，设计2个完全相同的恒流源分别对待测电容Cy和标准电容Cs进行充电［11-12］，如图5所示，通过充放电小电容测量电路将火炮膛压作用引起的传感器电容信号的变化转换为电压信号的变化，在相同的时间内，电容值决定了电容两端的充电电压，故两电容两端充电电压由于传感器电容值和标准电容值的不同而不同，两电容两端电压经过电路的差分放大后，由单片机完成采集和存储。采集存储电路将电压信号采集并存储到单片机内部的FLASH中，由此完成了与膛压信号有关的电信号的采集与存储。

主从单片机组控制该测量电路的逻辑时序，它分别产生电容的充放电信号CON、采数时间标志信号ADT以及采数脉冲信号PWM，具体设计为使用单片机Timer_B模块的增计数模式，通过调节CCRx的值，便可以产生所需要的逻辑控制时序，如图6所示。

图5 瞬变微小电容测量电路

图6 测量电路的逻辑时序

充放电信号CON控制模拟开关断开和闭合，以达到控制电容充电和放电的目的。模拟开关断开，电容两端的电压处于线性上升阶段;模拟开关闭合，电容两端的电压以指数规律放电至零电压。根据设计要求，CON信号的频率为100 kHz，占空比为90%。时间标志信号ADT的上升沿触发了采数脉冲信号PWM方波电平变化。在理想的设计中，总希望充电时间尽量长，最好为9μs，但在本系统过程中，从第9μs开始，电容两端电压将以指数形式放电。为了避免ADC出现错误的采样，本设计中，ADC将在充电8μs后开始采样转换，这个时间的标志即为ADT信号。采数脉冲信号PWM是占空比为50%的方波，当PWM方波信号的上升沿到来后，单片机主机进入相应中断服务程序:启动一次ADC并进行数据存储。单片机从片响应采数脉冲信号PWM的下降沿进入中断服务程序进行ADC采样及数据存储。

1.5 红外通讯模块

本系统选用的红外收发器为SHARP公司生产的GP2W0116YPS，该红外接发器是具有功耗低，抗干扰能力强，输入灵敏度高的特点。它支持红外Ir-DA1.2的标准，数据传播速率2.4到115.2 kbit/s，该收发器由一个光电二极管，红外线发射器和控制IC封装而成。同时MSP430FG461x系列的单片机内部集成了编解码器，可以将要发送的异步串行二进制代码转换成3/16归零码以及接收的3/16归零码转换成二进制代码，基于此红外收发器的电路设计如图7所示

图7 红外传输电路

为了实现系统与上位机之间的数据传输，在接收端也应该有这样一个可以实现数据码制转换的编解码器，本系统选用惠普公司生产的HSDL-7001编解码器，在需要读取数据时，测试系统将存储的二进制数据经过内部编码成3/16归零码通过红外收发器发送出来，此时接收端的收发器将接收到的3/ 16归零码的数据发送给HSDL-7001编解码器，经过解码后数据送给USB接口转换芯片，通过USB2. 0接口将数据传送到计算机，由此完成了测压器与上位机的通讯。

2 测试系统软件设计

火炮压力测试仪主要以TI公司生产的MSP430系列单片机为系统控制器，将设计的软件嵌入电路模块，实现对系统的自动控制，从而完成系统运行状态转换、触发、采集、存储以及和上位机通信等工作。

为了实现压力测试仪基于光信号准确可靠地触发，根据改造之后压力测试仪的结构和硬件电路设计，设计了基于光信号的外触发状态转换图。图8即为基于爆炸场光信号的外触发状态转换图。它包含了①接通电源态，②延时上电态，③待触发态，④触发态，⑤等待读数态，⑥读数态。

上述各状态即是完成一次压力测试的状态转换过程。根据系统要求和上述状态过程设计了如图9所示的系统软件整体流程图。

图8 外触发系统状态转换图

图9 所示的系统软件整体流程图

3 测试验证及数据分析

模拟膛压发生器利用发射药快速燃烧产生压力的同时，产生瞬间的高温高冲击以及电磁场等，这些环境都与实炮环境相当，因此模拟膛压发生器产生的压力能够很好的模拟火炮膛压［13］。由于采用了光触发。在安装测压器做模拟实验时要保证测压器光窗位置恰当，使其能尽早接收到光信号，从而触发工作，保证测试信号的完整。图10为某次模拟膛压所测得P-t曲线。

由图10可以看出，该光触发电子测压器能够有效触发，可以记录完整的膛压曲线。

图10 模拟膛压所测得P-t曲线

4 结束语

光触发电子测压器的设计，实现了用爆炸场光信号去触发测压器的的工作，避免了内触发容易误触发等问题，同时为获取膛内多点压力，研究火炮膛内压力分布信息提出了设计思想与研究方法。

［1］张相炎.火炮设计理论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005:153-161.

［2］刘飞.基于壳体电容的高压传感器仿真和实验技术研究［D］.太原:中北大学，2012:37-42.

［3］马英卓，祖摇静，张瑜.低功耗瞬态火炮膛压存储测试仪设计［J］.传感技术学报，2013，26(1):128-132.

［4］邵学涛.基于电容传感原理的电子测压器的研究［D］.太原:中北大学，2012:24-30.

［5］李成涛，沈卓身.光电光窗的封接技术［J］.半导体技术，2008，33(2):102-105

［6］陈明华，阎建平.发射药燃烧光谱测试技术［J］.光电技术应用，2011，26(4):86-88.

［7］1.5 mm SMD Blue Silicon PIN Photodiode［EB/OL］.2013 http://www.lightsensing.com

［8］刘卫东，刘延冰，刘建国.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计［J］.电测与仪表，1999，36(400):28-30.

［9］杜习光.微弱光信号检测电路的设计［J］.电子元器件应用，2010，12(1):52-54.

［10］Texas Instruments Incorporated.MSP430x4xx Family User’s Guide［EB/OL］.2008 http://www.ti.com.

［11］王玲，刘俊，石云波.微小差分电容检测电路设计［J］.传感技术学报，2006，19(6):2529-2513.

［12］张摇霞，胡世昌，朱辉杰.差分电容电压转换电路噪声性能分析及测试［J］.传感技术学报，2011，24(9):1301-1304.

［13］何强，马铁华，张瑜，等.存储式电子测压器应用环境下动态校准［J］.中国测试，2009，35(1):43-45.

温星曦(1989-)，男，汉族，河南宝丰人，中北大学硕士研究生，主要从事动态测试与智能仪器研究，wenxingxi89 @163.com;

李新娥(1971-)，女，汉族，博士，教授，主要研究方向为动态测试与智能仪器，lixine@nuc.edu.cn;

王美林(1986-)，女，汉族，山西省大同人，中北大学硕士研究生，主要研究方向为动态测试与智能仪器，598846794@qq.com。

Design of Light Trigger Electronic Manometer*

WEN Xingxi1，2，LI Xin’e1，2*，WANG Meilin1，2

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

For currentshellcapacitive electronic manometer，the shellcapacitance is easily disturbed during assembling in internal trigger mode.This issue may cause error trigger during measuring.In order to analyze the cannon breech pressure，there is a need for multi-pointpressure test.However，the time is difficultto unity in internaltrigger mode.We designed a reliable external trigger manometer which is based on the explosion field optical signals.In this design，We transform the end cover of manometer，design a reliable light trigger circuit.We use the explosion field light as the trigger signal，gather the processed signal which is related to the cannon breech pressure to store in the MCU flash.signal will be related to the pressure signal processed by the electrical signals are collected and stored in the microcontroller in the flash.The simulation experiments show that the light trigger pressure measuring device can trigger accurately.So this design provides a feasible scheme for the acquisition ofmultipointpressure signal in cannon breech.

manometer;optical trigger;photoelectric conversion;multi-point pressure

TN06;TJ3

A

1004－1699(2014)05－0591－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.004

项目来源:重点实验室基金(04011007)

2014-02-20

2014-04-15