基于无线控制的爆炸场多参数存储测试系统

许其容，尤文斌，马铁华，李婉蓉

(中北大学电子测试技术国家重点实验室/仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

基于无线控制的爆炸场多参数存储测试系统

许其容，尤文斌，马铁华*，李婉蓉

(中北大学电子测试技术国家重点实验室/仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

针对大威力武器、弹药等研制与试验过程中对毁伤程度进行评估的需求，介绍了一种基于无线控制的通用型多参数测试系统，可分别对弹药爆炸时的压力、温度、爆炸时刻以及加速度的测量。它由传感器与模拟适配模块、电源管理模块、采集编码与存储以及无线通讯模块组成。通过靶场实测试验数据表明:该系统运行稳定可靠，能有效捕获多种参量，并能实现无线控制与数据传输。

冲击波;存储测试;无线控制;爆炸场;多参数多测点

爆炸是大量的能量突发性释放，除压力(冲击波)急剧上升外，通常伴随发光、发热、破片等现象［1］。爆炸场中的测试装置在爆炸发生时要受到瞬态强光、瞬态高温、强电磁场、破片引起的强冲击、地震波引起的振动等的影响，因此，对爆炸场的瞬态高温、高压、加速度等多参数的测试是作为评价武器系统杀伤力的有效手段［2］。当前，广泛应用的爆炸场多参数测试系统有引线电测法和存储测试法。引线电测法是在诸如战斗部静爆、炮弹、火箭弹或导弹等动爆特殊测试环境下，通过测点布置传感器，通过电缆将信号统一接入采集系统［3］。这种测试方法存在的不足是:①干扰噪声大。②现场布设不方便。存储测试法是将传感器、适配电路、A/D转换器、存储器、控制电路、接口电路以及电源等集合在一起，组成一个微型化测试系统［4］。该方法依然存在的不足是:①无法实时监测系统状态。单存储测试系统无外接电缆又存在无法准确掌握各个测点信号的强度，存储电路触发量程不易设置，多个装置无法具有统一测试信号的作用时间零点信息。②不能第1时间获取测试数据。在试验结束后需要回收记录装置读取数据。回收过程可能存在耗时长的不足。

为提高测试系统评估炸药的毁伤效能的存活性、可靠性、便捷性，研制了一种基于无线控制的爆炸场多参数存储测试系统。该系统将无线传感器网络技术［5-8］与存储测试技术融合，在数据采集存储的基础上，设计了一种可实现电路同步触发、参数设置、数据传输的爆炸场远距离多参数数据采集系统。准确测量爆炸产生的各种冲击波超压、振动加速度信号、爆炸温度、时间等参量［9-11］，弥补了现有方法的不足，实现了具有无线控制功能和数据实时传输的冲击波场多参数多测点测试新方法。

1 系统组成及工作原理

本测试系统主要由现场测试探测头和远端主控台组成，两者之间通过无线模式进行通信。探测头具有抗高压、抗高冲击、抗高温特性，用于测量温度、振动、压力、爆炸时刻的探测头分别布设于爆炸场内，在试验作用前主机通过无线设置各智能探测头的采样参数掌握探头的状态;在爆炸过程中屏蔽无线信道，在爆炸过程结束后，多参数冲击波测试系统主机通过无线通讯信道，控制接收各个智能探测头压缩和加密后的测试数据，进行解压、解密及相应的显示和存储及数据处理。系统原理框图如图1所示。

图1 测试系统原理框图

2 测试装置的设计

2.1 电源管理电路

由于冲击波测试环境比较恶劣，系统体积和功耗受到限制，并且各模块之间上电需遵循一定的顺序，否则会因上下电不合理导致误触发，空采等现象。因此本系统采用Xilinx公司的CoolrunnerXPLA3系列芯片XCR3064设计了一个低功耗、低噪声、高效率的可编程电源管理模块，使电路上电顺序为模拟适配电路、晶振、光模块、数字板、通信模块。这样就能保证模拟适配电路完全上电以后数字电路才上电，避免上电瞬间模拟信号过大而引起电路的误触发。为防止在测试过程中意外关闭电源，实行延时下电控制，利用CPLD编程实现延时6 s下电，冲击波信号从爆炸起始测点的用时均在1 s以内，保真在爆炸前5 s发生误关电操作存储电路也能采集到完整的参数。

2.2 存储模块的设计

本装置是集传感器、模拟适配电路、电源管理电路、采集存储电路、USB接口电路和无线模块为一体的测试系统。对各个探测头而言，数据采编存储模块是相同的，不同探测头仅传感器和模拟适配模块不同。通过更换传感器及适配模块完成不同信号的测试，测试电路具有通用型。通过更换传感器及适配模块完成不同信号的测试，测试电路具有通用型。数据采编存储模块由单片机结合CPLD共同协作完成。测试系统结构如图2所示。

图2 数据采编模块框图

3 无线通信的设计

本文采用星型结构组网形式，即一个中心节点与多个无线传感器从节点相互通信的组网方式。在整个测试系统中，无线模块的作用主要是完成主机与探测头之间的无线数据传输，从而对探测头进行参数设置，进行数据无线收发。这些功能用无线模块进行操作，大大增强了系统的灵活性、使测试系统装置简单、控制方便、增加了系统可靠性、减少了外界干扰等。

由于无线模块和测试系统之间需要完成数据和命令的收发，并且都是模拟量的电信号，这种信号在测试环境恶劣的爆炸场是极端容易受干扰的，若此信号受到干扰，将会造成系统误触发、测试信号受噪声干扰大等使测试失败。因此本系统设计了基于短光纤传输信号的通信模块电路。光纤传输包括损耗小，速率高，成本低，保密性好，价格低廉，传输容量大等优点。

无线模块与测试电路之间采用光纤通信，极大地提高了数据的精度，避免电信号被干扰。由于光纤传输的是光信号，测试装置与无线模块之间传输的是电信号，因此我们选用武汉元创光电科技有限公司OCB6343/OCB2343型收发合一光模块。该模块为SC插拔式光接口，多模单纤双向光收发一体，单+3.3 V供电，接口电平兼容标准 TTL电平和CMOS电平，极低功耗设计，传输速率低至直流，上限速率可选，最高可达10 Mbit/s，可以有效地防止外界噪声导致系统误触发以及外界噪声叠加在信号中进入A/D采集电路中。其通信电路连接框图如图3无线通信探测头状态图如图4所示。

图3 通信电路设计框图

图4 无线通信探测头状态图

4 试验及结果

本测试系统经实验室标定和多次模拟试验后，在靶场进行了TNT实爆试验，分别将探测头分布在距爆心3 m和10 m的圆弧上，爆心离地面高度为1.5 m，主控台置于离爆心300 m的掩体内。打开探测头电源，无线开关，同时启动主控设备及笔记本电脑，通过无线通信对探测头进行自检和相关参数设置，炸药爆炸后，主控节点发送指令读取测试数据，现场装置分布及安装如图5所示。

图5 试验现场布设图

本次试验分为1 kg TNT和3 kg TNT两次试验，分别捕获了有效数据，表1为3 kg TNT当量作用下多种探测头所测数据统计表。图6为3 m处10#压力探测头和14#振动探测头所测数据，通过无线数据传输读取到计算机，经过滤波等处理后的曲线。

表1 3 kg TNT试验多种探测头数据统计表

图6 试验测试曲线

从表1可以看出不同测点的瞬态温度和加速度基本符合衰减规律，同时可以看出相同距离的测点冲击波到达时间基本一致，爆炸时的闪光信号作为所有探测头接收信号的时间基准信号［12］，可根据爆炸时刻信号到达时间与压力探测头信号到达时间的差值估算超压的传播速度。由图6可以看出该系统的无线传感网络技术在测试中的可靠性和实用性。

5 结论

本文提出了基于无线控制的爆炸场多参数存储测试方法，经试验表明该测试系统操作简单，灵活多用，稳定可靠，抗干扰能力强等优点。在环境恶劣的爆炸场中能够完整存储测量数据，实现测试装置实时远程监控，及时获取测试数据。多类型多测点的测试装置，快速便捷的获取爆炸场各类参数，能更精准的评价爆炸场的毁伤效能。因此，该系统在爆炸测试系统领域有很好的应用前景和推广价值。

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许其容(1987- )，女，汉族，四川泸州人，在读硕士研究生，研究方向为测试计量技术及仪器，xurong5250@126.com;

马铁华(1964- )，男，汉族，山西交城人，中北大学教授、博士生导师，主要研究方向为动态测试与传感技术，matiehua@nuc.edu.cn。

Based on the Wireless Control Parameters of Shock Wave Storage Test System

XU Qirong，YOU Wenbin，MA Tiehua*，LI Wanrong
(Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory/Instrument science and dynamic test laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

To satisfy the demand for assessing the extent of damage in the research and testing process of big powerful weapons，ammunition etc，an universal shock wave test system based on wireless control was proposed.The system can measure ammunition explosion pressure，temperature，moment of explosion and acceleration respectively.It consists of sensors，analog adapter module，power management module，acquisition encoding，storage，and communication module.This design can be widely used in explosion field multi-parameter multi-point test.The experimental testing data in shooting range show that this testing system is stable and reliable can effectively capture a variety of parameters and realize the wireless control and wireless data transmission.

impulse wave;memory testing;wireless control;explosion field;multi-parameter measuring point

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.030

TJ410.6

A

1005－9490(2014)02－0307－04

2013-05-29修改日期:2013-07-16

EEACC:7210B