内置式压力测试方法的研究

2016-03-22中北大学电子测试技术国家重点试验室李新娥

电子世界 2016年2期

中北大学电子测试技术国家重点试验室　刘　磊　李新娥

内置式压力测试方法的研究

中北大学电子测试技术国家重点试验室刘磊李新娥

【摘要】为了完成在恶劣环境下的压力测试，本文基于实验室设计的内置式压力测试仪，提出并改进了一种基于测试仪壳体电容充放电原理的微小电容检测系统。该系统电路主要包括三个部分：信号调理电路、电源管理电路和数据采集存储电路。通过理论分析与计算，确定了电路的各个参数。分析了在不同时刻的采样波形和同一采样周期内电容不同充放电振荡周期的数据采集情况，读取系统采集的数据获得了完整的压力p-t曲线，验证了该内置式压力测试方法的有效性和可行性。

【关键词】内置式；压力测试；检测系统

0　引言

在恶劣环境下的压力测试，如火炮膛内压力的测试[1]，在测试过程中瞬时高温可达3000ºC，并且火药燃烧伴随巨大的电磁噪声及震动。这对测试系统的环境适应性要求极高[2]，而且需要将测试系统置于炮膛内部。为了适应这种高温度、高压力、强磁场的测试环境，需要设计一种微小体积、低功耗、高可靠性的内置式压力测试系统。

1　内置式压力测试仪

本实验室设计的内置式压力测试仪[3]，由外部壳体及其内部的测试电路构成,结构如图1所示。其中外筒与内筒构成同轴圆柱型电容器，当测压仪受到外部压力作用时，其外壳发生弹性形变，导致壳体电容发生变化，微小电容检测系统通过检测并存储电容两端电压值的变化情况，通过运算即可实现对外部压力的测量[4，5]。

图1 内置式压力测试仪实体结构示意图

2　微小电容检测系统的设计

基于测试仪壳体电容充放电原理的微小电容检测系统框图如图2所示，主要包括有单片机、电源管理模块、信号调理电路、8M高速晶振、面板和串行接口。信号调理电路负责将系统采集到的电容信号转变成相应的电压信号，再将相应的变化情况记录下来，其中对于信号的采集、处理和存储均由单片机完成。电源管理模块儿为整个测试系统提供稳定的工作电压，并且在单片机的控制下实现功耗的控制。面板提供电路模块与外界的连接。

图2　检测系统整体框图

2.1信号调理电路

信号调理电路是整个检测系统的核心部分，完成电容信号到电压信号的转变，故信号调理电路的设计直接影响检测系统的性能。其主要由运算放大器、RC充放电电路、电压跟随器和电压比较器组成。其中运算放大器和电压比较器由单片机内置模块提供，同轴圆柱壳体作为RC充放电电路的电容，电压跟随器采用高带宽的OPA365，模拟开关采用高响应速率的ADG719。

2.2电源管理电路

考虑到测试环境对测试系统的要求，电池的选用原则是：容量尽可能大，体积小且能够在－40ºC环境下正常工作3～4小时，具有极强的抗冲击能力。本电路中选用的是兵器213所研制的可充电耐低温聚合物锂离子电池，该电池空载电压4.2V，容量40mAh，体积仅为0.8cm3。

电源管理电路采用芯片LP5996，电路的主要作用体现在减小系统功耗上。其中芯片的VCC和VDD分别为模拟电路供电电压和数字电路供电电压，EN1和EN2为VDD 和VCC的使能端，EN1连接电池始终处于使能状态，使数字电路持续供电，而EN2接单片机的I/O口，受单片机控制，使模拟电路只需要在采样期间才受到供电。

2.3晶振

为了满足测试系统较高的采样频率，必须外接高频晶体振荡器，该电路使用的是SG-310-SCF8M，晶振的ST管脚同样接单片机的一个I/O口，当ST使能高电平时，输出时钟频率为8MHz，其工作电流仅为1.5 mA。