烟花用电点火头作用时间的测量方法

江资成，丁仲熙，张光辉，肖家勇，江放明，李建发



烟花用电点火头作用时间的测量方法

江资成，丁仲熙，张光辉，肖家勇，江放明，李建发

（国家级烟花爆竹检测重点实验室（湖南），湖南 浏阳，410300）

烟花；电点火头；作用时间；菲涅尔透镜；光电传感器

电点火头是一类通用的点火器具，广泛用于烟火、民用爆破及其他相关行业。烟花用电点火头通常由桥丝、点火药、脚线构成。电点火头的作用时间是指自桥丝通电到发火的时间间隔，该参数为电点火头的关键性能参数，它对焰火燃放的整体气势、空中效果、节奏、燃放人员的安全，都有重要影响。欧盟最新的烟火标准《烟火制品 其他烟火制品 点火装置》（EN 16265-2013）[1]规定作用时间为电点火器的主要性能参数，其测量精度要求达0.01ms。每次型试试验中作用时间的测量样品数达80次。

目前，国内相关标准[2]尚未有烟花用电点火头的作用时间测量的规定。军用电点火头作用时间的测量通常采用时间间隔法，用压力电传感器或光电传感器采集信号。成一等[3]采用光电传感器，设计了一种同时测试军用电点火头桥丝的升温时间和点火药爆发延滞期的测试系统。

烟花用电点火头主要功能是点火，其点火药量较少，且火药力弱，被引发时产生的爆压较小，若使用压力传感器采集信号，测量结果误差会较大，有时甚至会丢失数据。本文利用菲涅尔透镜聚光性能高、厚度小的特点，将电点火头发火时的光通过菲涅尔透镜汇聚到光电三极管上，再把三极管产生的电信号直接作为记时器的开关信号，结合电雷管测试仪，设计制作了烟花用电点火头测量装置，从而简单有效地实现烟花用电点火头作用时间的测量。

1 测量装置与测量过程

1.1 测量试验装置

测试装置结构简图见图1。

图1 测量装置示意图

1.1.1 毫秒雷管测试仪

型号：LGS-2A型。时间测量范围及误差：0.1×10-6～99.999s，±0.001%；输出电流及误差： 0~4.000A，连续可调，±0.5% ；输出电流波动：≤1%。

1.1.2 暗室

暗室内空450mm×300mm×350mm，由上盖和底座两部分组成。底座为一个厚度约5mm的PVC板，板上设置一“U”形不锈钢卡口，用以安放电点火头，并使点火头上端保持在距底板约50mm的位置。在距电点火头约150~200mm处安放光电传感器组件。该组件为一边长为100mm的立方体，立方体的5个面为PVC板，另一面呈现一窗口，窗口外面为一边长约100mm的薄透明玻璃，紧贴玻璃为一菲涅尔透镜（菲涅尔透镜规格：φ100mm，厚度为2mm，焦距为43mm，放大倍数为800倍），在透镜后方安置一个光电三极管，将三极管的感光面正对菲涅尔透镜中央，并固定在透镜的焦点后方适当的位置处。暗室上盖为PVC板构成的长方体槽。

1.1.3 光电传感器组件

常见的光敏器件有光电二极管和光电三极管[4]，光电二极管具有暗电流小、线性好、响应时间短（纳秒级）等优点，但其功率较小（光电流微安级）。光电三极管功率较大（光电流为毫安级），光谱范围大（波长0.4~1.1nm）。本系统传感器为开关型，对光电线性要求不高，选择响应时间为3μs以下的光电三极管，结合使用暗室，可以满足测试要求。经过试验，选用3DU型硅光敏三极管，其主要性能见表1。

表1 选用的光电三极管的主要技术参数

Tab.1 Main technical parameters of selected photoelectric triode

型号反向击穿电压/V最高工作电压/V暗电流/μA光电流/mA峰值波长/nm响应时间/μs最大功率/mW 3DU233≥75≥500.3>2880≤3100

1.2 测量过程

将待测点火头安放在暗室底板上，点火头的两极与雷管测试仪的“引爆”端口连接，并使点火头朝上对齐菲涅尔透镜的中央，将暗室的上盖板盖好，将光电三极管的脚线与雷管测试仪的“断-通”开关连接。打开雷管测试仪，按说明书引燃点火头，记录显示时间。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

选用了几种常见的烟花用电点火头，按上述方法进行测量，均采集到了作用时间的结果，结果数据见表2。

表2 几种常见电点火头作用时间的测量结果

Tab.2 The measurement results of function time of some common igniters

样品名称点火药主要成分药量/mg测量结果平均值/ms测量次数标准偏差/ms高速摄像法测量结果/ms 样品AKClO4, KClO3, Zr, KSCN, Al60±108.95121.788.77~43.55 样品BKClO4, Al-Mg, C, C48H42O740±626.42122.7625.4~277.0 样品CKClO4, Bi2O3, B, Ti40±57.26121.526.48~29.34 样品DKClO4, S, C48H42O30±310.73121.2910.00~77.3 样品GKClO4, Sb2S3, Ti，C12H16N4O1825±312.73121.54-

由表2可知，烟花用电点火头的作用时间一般为5~30ms，不同工艺生产出的产品的测试结果相对标准偏差不同，一般为10%~20%，这是因为作用时间的测量为破坏性测试，每个产样品只能检测一次，通常电点火头的加工工艺使点火药与桥丝之间的接触状态有较大的差异，导致其作用时间变化较大[5]。

2.2 结果讨论

2.2.1 测量结果的比对

表2的样品均在西班牙烟火实验室Laboratorio Official Madariaga (LOM)进行了作用时间比对测试，LOM的测试方法采用高速摄像法，其对点火时间的判定依据是从通电至产生一定高度的火花为止，由表2可见其测量结果变化较大。本方法测量的是自点火头通电到其被点燃后产生的首个火光的时间间隔。而点火到被点燃产生一定高度的火苗还需一定的时间，这个时间也会因样品的不同而差异较大。将本方法的测量结果与LOM的高速摄影法测量结果的最小值进行了比对，其结果是一致的。

2.2.2 测量误差分析

参照欧盟烟火标准EN16265对电点火头发火时间的测试方法，对上述结果进行了测量误差分析。测量误差主要来源于以下几个方面：待测电点火头的个体差异、记时器的误差、方波电源的上升沿时间带来的误差、光电三极管的响应时间、测试电路的物理长度、测量装置的光路长度。第1项为样本带来的误差，为毫秒级，后5项为测量仪器带来的误差，为10-2毫秒级。所以，仪器带来的误差远小于样本。

3 结论

（1） 本文设计的通过光电传感器测量电点火头作用时间的测试系统，符合欧盟烟火标准对电点火头作用时间的测量仪器的要求，适合烟花用电点火头的测量。

（2）菲涅尔透镜聚光效果好，光路短，其与光电三极管组成的光电传感器组件可用于电点火头的测量，系统结构简单，易于实现，测量过程简便。不需用到价值昂贵、操作繁琐的高速摄像系统，更适合检验量较大、价值较低的出口烟花检验。

（3）本装置用于烟花用电点火头作用时间的测量时，系统误差较小，测量误差主要来源于样品的不均匀度。

[1] EN 16265-2015, Pyrotechnic articles-Other pyrotechnic articles- Ignition devices [S]. European Committee for Standardization, 2015.

[2] SN/T 3081.2-2012, 出口烟花爆竹产品检验方法 第2部分: 电子点火头测定方法[S].国家质量监督检验检疫总局,2012.

[3] 成一,陈守文,等.电点火头发火过程的时间结构的研究[J]. 爆破器材, 2001(5): 22-23.

[4] 张文涛.光电仪器原理及应用 [M].西安:西安电子科大出版社, 2014.

[5] 陈守文,成一,等.涂覆式桥丝电点火头的研究[J].火工品, 2002 (3): 17-19.

The Measurement Method of Function Time of Igniter Used in Fireworks

JIANG Zi-cheng，DING Zhong-xi，ZHANG Guang-hui，XIAO Jia-yong，JIANG Fang-ming，LI Jian-fa

(China Pyrotechnics Testing Laboratory(Hunan), Liuyang, 410300)

A measurement device for function time of electric igniter in fireworks was designed, by use of Fresnel lenses and photoelectric sensors, and the function time of some general electric igniters used in various fireworks was measured. Meanwhile, the results of the measurement were compared to that of the high speed photography method. The study indicated that the measurement results are consistent with the high-speed photography method, and comply with the relevant requirements of the EU fireworks standards.

Fireworks；Electric igniter；Function time；Fresnel lens；Photoelectric sensors

TQ567

A

2015-11-30

江资成（1971- ），男，高级工程师，从事烟花爆竹等危险化学品检验。

基金课题：国家质检总局课题（2014IK080）。