爆炸场热流信号存储测试系统的设计*

陈爱艳,范锦彪,,杜红棉,,李玲玲,王永峰

(1　中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原　030051;2　仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原　030051)



爆炸场热流信号存储测试系统的设计*

陈爱艳1,范锦彪1,2,杜红棉1,2,李玲玲2,王永峰2

(1中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;2仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051)

摘要:温压炸药爆炸时伴随着极大的破坏作用,加大了热流测试的难度。为有效评估温压弹药的热毁伤效应,采用接触法测量并结合无线传感网络技术进行智能化测试。具体介绍了该系统总体方案的设计思路,通过戈登型热流传感器和存储装置测量,对测试测量的数据进行了简单分析。实验结果表明所设计的系统操作简单、使用安全,对以后热通量传感器(HFM)信号的测量有一定的参考价值。

关键词:温压炸药;无线传感网络;测试装置;热通量传感器

0引言

温压炸药是一种同时含有大量燃料和特殊氧化剂的富燃料高爆炸药[1]。在爆炸过程中会有爆炸波和冲击波的超压作用、高温场的燃烧和热作用以及破片作用[2],具有比常规炸药更高的毁伤威力,故其已成为当前国内外研究与应用的热点。然而,目前对温压炸药的研究大部分集中在冲击波和破片毁伤方面,在热分析方面的研究则很少。尹福炎[3]提出了热流的测量方法;南京理工大学的黄磊[4]对不同炸药的爆炸进行了分析与测试。

文中介绍了一种通过接触法测量爆炸场热流的系统装置,它基于存储测试技术和无线传感网络技术,较其它装置更可靠和安全。在爆炸过程中,测试人员可以远程监控,通过无线传输对测试装置进行上电、下电、触发等操作。在爆炸结束后,可回收记录仪,通过计算机对采集到的数据做进一步的处理分析。

1测试系统设计方案

测试装置分为热通量采集和控制台两大部分。热通量采集部分:爆炸现场测到的热通量信号由信号调理电路部分(放大、滤波等)进行处理,通过模拟开关的选择,由A/D转换芯片将模拟信号变为数字信号。无线传感网络控制的单片机对FPGA传输指令,使数字信号存储于Flash中,待爆炸结束后,利用USB读数口将数据读取到电脑予以进一步的分析。控制台部分:主要是通过计算机的上位机监控程序对无线中心传感网络传输命令,进而给热通量采集部分的单片机下达指令。测试装置的原理框图如图1所示。

2测试系统的关键技术

2.1信号处理模块

热通量传感器的信号以差分的形式输出,故本系统使用INA128将其放大。INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器。反馈电流输入电路即使在高增益条件下(G=100时,带宽为200kHz)也可提供较宽的带宽。INA128的内部设定增益为1,可通过外部的电阻设定更高的增益。由于INA128能将共模干扰降到很低的程度,因此能有效抑制线路谐波和线路噪声[5]。将INA128输出的信号经过电压跟随器输出,从而对信号起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。模块设计如图2所示。

图2　信号处理模块

2.2无线传感模块

无线传感模块包括中心传感和终端节点两部分。终端节点主要用来接收并执行中心传感网络发送的控制信号对测试系统的远程控制以及实现系统状态的反馈[6]。实现对存储测试系统的参数设置、状态检验、增益、装置触发及上下电的功能。系统所选用的SZ05系列无线传感模块最大的传输距离为2km。实验测试,在500m的范围内均能顺利的实现信号的发送。确保测试人员能远距离操控并且可靠的完成测试任务。无线传感的流程如图3所示。

2.3数据采存模块

对信号处理模块输出的模拟信号进行采集和存储是本系统设计的关键部分。转化得到的模拟信号经A/D转换器(A/D7484)变成数字信号,在FPGA的控制下储存到Flash里。介于所选的闪存存储器K9F4G08U0A具有非易失性、下电不丢失数据等优点,因此,即使爆炸时破片等击坏装置,只要能回收到被损坏的测试系统,取出闪存芯片,亦可通过读数装置得到实验的数据。数据存储的流程如图4所示。

图3　无线传感网络状态图

图4　数据存储流程图

3传感器选型及工作原理

3.1传感器选型

本装置选用的是G-25系列戈登辐射热流传感器。其广泛应用于传热研究、火灾实验、可燃性试验等领域[7]。传感器外壳为铜体,能确保传感器的寿命和信号的稳定性。其表面镀有的耐高温黑漆发射率接近0.94,且在有实测意义的大部分波长范围内变化不大。传感器所测热通量范围高达2 000kW/m2,能满足爆炸场高热流的测量。传感器的主要性能指标如表1所示。

3.2工作原理

图5为传感器原理的结构简图。一条铜引线连接到康铜箔的中心,这样就得到一个由铜引线—康铜箔—铜热沉体组成的差分热电偶对——热电堆。传感器的信号通过位于康铜箔中心的铜引线与铜热沉体上的引线输出。

表1　传感器的主要性能指标

当有热辐射投射到传感器上时,会被康铜箔上表面的黑漆(高吸收率)吸收,吸收的辐射热会使康铜箔的温度升高,并且沿着径向传到铜热沉体上。当传感器处于某一瞬时热平衡,康铜箔中心的温度会高于周围的温度,这个温度差很容易被上述所说的差分热电偶对检测到并以与之对应的电压信号方式输出。那么再根据辐射热通量与电压信号之间的函数关系,就可以得到所需测量的热通量值[8]。

图5　戈登式热流传感器结构示意简图

4实验及测试结果分析

为了验证装置的可靠性,该系统对1.5kg的温压炸药进行了实爆测试。按照相关军标[9]要求,在距离爆心0.6m、1.5m、2.0m处分别放置了两组测试装置。继而给每套装置上电,通过无线主控台进行增益、触发方式、采样频率等参数的配置,待爆炸结束后读取数据,部分数据如图6所示,数据统计如表2所示。热毁伤准则一般包括:热通量准则、热剂量准则、热通量-热剂量准则,由于炸药爆炸的持续时间是很短暂的,因此它符合热剂量破坏准则[10]。

图6　测试曲线

距离/m热通量/(W/cm2)热剂量/(kJ/m2)0.6191.2839.60.6195.1859.01.5122.0243.41.5188.7251.82.022.70143.52.022.25143.4

5总结

文中介绍了一种基于无线传感技术和存储测试技术的温压炸药热通量测试的方法。测试装置可以

实现远程监控,大大的提高了测试人员的安全性,解决了传统测试无法实时监控的问题。同时测试装置也适用于其它爆炸物热通量的测量,具有较大的实用性和可靠性,为以后的测试提供了一定的参考。

参考文献:

[1]WILDEGGER-GAISSMAIERAnna.Aspectsofthermobaricweaponry[J].ADFHealth, 2003, 4(1): 3-6.

[2]惠君明, 郭学永. 云爆弹与热压弹 [C]∥中国工程物理研究院化工材料研究所. 2002火炸药技术及钝感弹药学术研讨会论文集. 绵阳: 中国工程物理研究院化工材料研究所, 2001: 333-336.

[3]尹福炎. 热流传感器及其应用概况 [J]. 传感器世界, 2000(11): 7-13.

[4]黄磊. 不同炸药爆源的爆炸场热效应分析与测试 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[5]王大钢. 瞬态超高温测试技术研究 [D]. 太原: 中北大学, 2010.

[6]余凯凯. 基于ZigBee无线传感网络瞬态温度存储测试系统的研究 [D]. 太原: 中北大学, 2011.

[7]黄磊, 何中其, 李春光. 热通量传感器在爆炸场热辐射测试中的应用 [J]. 火炸药学报, 2011, 34(5), 38-39.

[8]由富恩. 热流测试方法与圆箔式热流计 [J]. 宇航计测技术, 1984(4): 71-79.

[9]北京总装备部军标出版发行部. 燃料空气炸药(FAE)类弹种爆炸参数测试及爆炸威力评估方法:GJB5412-2005 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

[10]BAKERWE,COXPA,WESTINEPS,etal.Explosionhazardsandevaluation[M].Amsterdam:ElsevierSciencePubCo., 1983: 35-36.

*收稿日期:2015-02-02

作者简介:陈爱艳(1989-),女,山西太原人,硕士研究生,研究方向:爆炸场温度测试研究与分析。

中图分类号:TQ564 TP274

文献标志码:A

DesignofHeatFluxSignalMeasuringSystemBasedonMemoryTestTechnologyinBlastingField

CHENAiyan1,FANJinbiao1,2,DUHongmian1,2,LILingling2,WANGYongfeng2

(1NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2KeyLaboratoryofInstrumentationScienceandDynamicMeasurement(NorthUniversityofChina),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China)

Abstract:It is difficult for heat flux test because of damage caused by thermobaric weaponry exploding. In order to effectively evaluate thermal damage effect, contract measurement was adopted with intelligent test by wireless sensor network technology. The design idea of overall scheme was elaborated, the measured data were analyzed according to the garden heat flux sensors and test devices. Experimental results show that the designed system is simple and safe for operation, can be used for referrence to measurement of heat flux sensor(HFM) signal.

Keywords:thermobaric weaponry; wireless sensor network technology; test device; heat flux sensor