瞬态高压多点压力测试系统

舒跃飞，李新娥，刘雪飞，梁彦斌，潘保青

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

瞬态高压多点压力测试系统

舒跃飞1，李新娥1，刘雪飞1，梁彦斌1，潘保青2

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

针对目前密闭空间内瞬态高压高温燃爆场测试中无法有效获取多点压力信息，该文在压力测试仪的基础上，研制量程为600MPa，抗3200K瞬时高温的多点压力测试系统。测试系统的塑料光纤传光器件、高强度光窗、屏蔽薄膜，使其能适应密闭空间内瞬态高压高温燃爆场测试环境。通过测试系统多路光纤的光触发信号，同步多个测试仪工作的同时，可使测试系统在强电磁环境下对多点进行压力测试。运用有限元仿真软件LS-DYNA，对密闭空间内瞬态高压高温燃爆场进行压力仿真并获取多点的压力信息，仿真结果与已有的实验数据吻合较好；某些区域压力有多个峰值，某些区域间波形差异很大，这些区域压力特性可为测压器的布置数量与位置提供参考。

燃爆场测试；同步触发；数值模拟仿真；压力测试

0　引　言

火炮膛压是火炮系统的重要指标，可靠的膛压数据对内弹道与装药结构的合理性，弹体、引信、火炮的结构设计具有重要意义。膛压测试包括了密闭空间内瞬态高压高温燃爆场测试。由于测试环境恶劣，且不适合引线，国内尚无多点同步测试方法[1-3]。国外有研究人员利用脉冲X光研究压力波机理与抑制技术。美国犹他州立大学的研究人员利用算法与实测数据，重建火箭发动机内部压力场[4]。为更进一步获取膛内压力信息，本文在中北大学壳体与传感一体化压力测试仪的基础上，开展了基于光触发的多点压力测试系统的研制。由于密闭空间内瞬态高压高温燃爆场测试环境的复杂性，瞬时高温（2500~ 3600K）、高压（250~700MPa）、强电磁场[5]，在设计测试系统时，都必须考虑。

1　测试系统原理

密闭空间内瞬态高压高温燃爆场中发生极其复杂的动态变化过程，是一个多维、瞬态、非定常、两相流体力学变化过程。以火炮发射为例，火炮发射过程虽然是瞬态不可逆转且只有十几毫秒，但各种现象的发生仍然有着先后顺序。通过机械作用使底火药着火，从而引燃火药床中的点火药，它将靠近点火源的发射药点燃。在视觉上不可能分辨出火药燃烧产生气体的3个阶段，但起始时刻的光信号传播到膛内任意位置的时间更短，远小于后续火药产生的巨大压力作用到压力传感器上的时间。因此，本文设计了基于光触发的密闭空间燃爆场多点压力测试系统，如图1所示。

图1　基于光触发的多点压力测试系统

2　光触发可行性分析

由于被测瞬态信号一般只有几十毫秒，这对测试系统的响应速度提出极高要求。而单个测试仪的时间响应满足要求[6]，只需考虑光触发的时间延迟。

采用光触发后，光在光纤传播时间为纳秒级，光敏器件响应时间＜100 ns，触发信号在电路板上传输时间＜100ns。系统触发中断响应时间是从外部中断请求有效开始到进入中断程序入口点的时间[7]。整个系统状态过程的转换在TI公司的MSP430单片机控制下进行，MSP430单片机的低功耗、微体积特性极其优越[8]。由于中断控制器的时钟与系统时钟一致，系统时钟选择8MHz，这样中断触发后，后续采样数据将会被存储在Flash里。系统触发响应时间如下式所示：

式中：fMCLK——系统时钟频率；

m——系统响应执行时钟周期数，m=6。

由式（1）计算可知系统触发响应时间为0.75μs，可见采用光触发后，延迟为微秒级。已知膛压信号频率在5kHz以内，膛压作用时间为几十毫秒。为了分析改进后压力测试仪压力载荷环境，表1为某靶场试验的单个压力测试仪实测的不同火炮膛压波形数据。

表1　火炮膛压波形参数

由表可知，所获取的多种火炮膛压的上升沿时间分布范围主要在2~7ms之间，脉宽均在25ms以内[9]。可见采用光触发的测试系统响应速度满足测试要求。

3　压力测试系统

3.1压力测试仪结构

压力测试仪采用的传感器是圆筒变极距型电容传感器，感压可动一极是全封闭的金属外筒。外筒采用可以承受高压、高冲击的马氏体时效钢。集防护与感压于一体的空心圆柱外壳，同薄型圆内筒组成同轴圆柱体。在壳体外筒与内筒之间，在内筒两端外壁上，缠绕2个聚四氟乙烯环，使内筒与外筒紧密配合，并起到绝缘防护的作用。在内外筒的上下端面间都有橡胶垫片，上端面还有青稞纸与铁片，起到缓冲、电磁屏蔽（防止电磁干扰造成的误触发）的作用，上端面的垫片需留通光孔，使透过光窗的外界光能作用在用于光触发的光电器件上。当被测压力作用在外筒上，外筒将发生形变，而内筒不受影响，这样两筒间的相对位移会发生改变，使两筒间的电容值发生改变。通过检测改变的电容值大小，就可以测量出作用在外壳体的外压力。与外筒同轴的内筒内的测量电路，可以实现该压力信号的采集存储。整个系统体积＜25cm3，如图2所示。

图2　压力测试仪结构图

3.2测试电路原理

基于电容充放电原理而设计的微小电容调理电路是压力测试仪的重要组成部分。测试电路主要由电源管理模块、模拟调理电路、Soc处理器、高频晶振和非接触式接口电路组成。当压力由壳体感知后，形变信号将变为电容信号并由模拟调理电路转换和放大为电压信号，输入到Soc内部进行采集与存储。数据存满预留的存储器空间后采样结束，并自动复位。当系统满足正常的通信条件时，就可以把压力测试仪内部的测试数据，通过非接触式接口很方便地上传到上位机中，进行后续数据处理，其原理如图3所示，流程如图4所示。

图3　压力测试仪原理图

图4　压力测试仪工作流程图

3.3光纤选取

以聚合物PMMA光纤为代表的有机光纤，较无机光纤在挠曲性、强度、耐寒性、相对密度、加工、使用大直径传输以及经济性上有优势[10]。本文选用直径3mm的PMMA塑料光纤传光。但是塑料光纤不耐热，每次测试都需更换光纤。

3.4光窗选取与设计

选取的光窗为南京神童特种玻璃技术有限公司生产的铝硅玻璃，能抗1 500℃高温和1 150 MPa高压。

测试环境要求选取的封接应当具有抗瞬时高压高温的特性，同时封接技术不应过多影响光窗的光学性能，以保证传光效果与测试仪的正常工作。结合成本考虑，高频封接技术较好符合各种要求。

3.5电磁屏蔽薄膜

由于在要求屏蔽材料具有较好电磁屏蔽效果的同时，还希望屏蔽材料对光敏器件工作的电磁波段具有低损耗的特性。满足这一要求的有透明电磁屏蔽材料。常见的透明电磁屏蔽材料有薄膜型材料。薄膜型材料利用薄膜的透明性传光，薄膜中导电粒子形成的导电通道达到屏蔽的目的。导电膜的方块电阻（X）与膜对电磁波的反射率（R）及屏蔽效能关系如下式所示：

由于氧化物膜系中的氧化铟锡薄膜（ITO膜）技术成熟、性能稳定，且具有低电阻率、与玻璃有较强附着力、较好的透光率、较好的化学稳定性及耐磨的特点，本文选取一种方电阻为3~5 Ω/□，透光率为71.6%~76.3%，屏蔽效能为54.8~63.2dB的高性能ITO膜[11]。同时镀膜的速度对电磁屏蔽效果也有着较大影响，光窗度膜时，应控制好速度。

3.6光电转换电路

设计时，采用了北京敏光科技有限公司的LSSPDSMDBlue1.5PIN硅光电二极管。该光电二极管的响应波长为300～1250nm，与火药燃烧的光谱范围匹配较好[12]，同时该型号光电器件，具有微体积的特点，大小仅为1.5mm×1.5mm，易于安装在测压器面板上，基于此所设计的光电触发电路如图5所示。

图5　光电触发电路图

图中的光电转换电路实现了光电转换，并与控制单片机实现信号通信。当系统在循环采样时，单片机检测到该电路输出的高电平信号后，系统便进入触发态，实现对膛压信号的采集存储。

图6　信号调理电路

3.7恒压源桥式电容检测电路

恒压源采用电压跟随器结构，并使用单片机内部的运放以减小电路板体积，其输出为2.5V以提供电容充电电压。控制时序采用早期恒流源桥式电路中的时序控制[13]。同时差动结构很好地避免了恒压源震荡电容电路中分布电容与杂散电容的影响。当被测壳体电容变化时，其与固定的标准电容在采样时刻到来时，两个电容的充电电压差值也会改变，通过检测出该电压差值便可检测出电容变化信号，进而达到获取膛压信息的目的。

3.8无线通信模块

无线红外收发器选用了SHARP公司生产的GP2W0116YPS芯片，该红外收发器具有功耗低（处于关闭模式时的最大功耗仅为0.1μA）、抗干扰能力强、输入灵敏度高以及封装体积小（尺寸仅为1.8mm× 7.2 mm×2.75 mm）等特点，并支持红外IrDA1.2的标准,数据传播速率可达115.2Kb/s。该收发器由红外线发射器、光电二极管及控制IC封装而成。而设计中选用的单片机内部集成了编解码器，使用时只需要使能红外模块，就可以方便对要发送以及接收的数据进行相应的编解码，该红外收发器的外围扩展连接电路如图7所示。

图7　GP2W0116YPS外围连接电路图

3.9上位机软件

上位机软件可以实现对测试仪采样频率等参数的编程控制，同时读取测试仪采集存储的压力数据，并对压力数据进行滤波等处理。

4　仿真研究与实测

利用专业的显示动力分析有限元软件LS-DYNA，通过数值模拟与仿真技术，能初步了解膛内火药燃烧产生的气体压力分布。

从火炮发射过程可以看到，在弹丸带未进入膛线时，身管空间模型类似于规则柱形密闭容器，如图8所示。

图8　封闭容器模型图

用LS-PREPOST完成仿真分析，图9为起爆前仿真静态分布图。根据对称性，仿真过程中选取A，B，C，D，E，F，G分别代表待考察的特征点。

图9　起爆前仿真静态分布图

实测时，利用压力测试仪可以获取膛底压力，利用弹载测试仪可以获取弹底的压力，其曲线如图10所示。

图10　膛底弹底压力图

利用软件进行的数值模拟仿真，能够呈现膛内火药燃烧过程中，流体所形成的压力传播过程与分布等压力场动态变化，而这些是无法实际测量的。膛内在火药燃烧产生燃气的同时，也伴有燃压气体的反射叠加作用，造成了膛内某些区域压力时程曲线的多峰现象。如图11所示，选取的特征点中，A与F、D与G，除了压力峰值的差异，曲线轮廓基本一致，这对膛内多点压力同步实测时电子测压器的位置安放及测压器数量的确定具有指导意义。同时，A与F点的曲线轮廓与实测的膛底、弹底压力曲线吻合。实验表明电容式压力测试系统能在3 200 K瞬时高温下测量600MPa以内的压力。

图11　参考点压力时程曲线

5　结束语

本文提出了基于光触发的密闭空间内瞬态高压高温燃爆场多点压力测试系统，该方法能对密闭空间内瞬态高压高温燃爆场不同点的压力同时进行压力测试。并用软件对密闭空间内瞬态高压高温燃爆场不同点的压力进行了仿真，对获取的结果与已有的实测结果进行了比较。本系统可用于获取膛炸事故有关的压力波信息，有助于提高新型火炮的安全与可靠性。

[1]李新娥，祖静，马铁华，等．用于火炮膛内压力测试的电容式传感器的设计 [J]．仪器仪表学报，2011，32（3）：640-645．

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[5]田慧，林庆华，栗保明．压电式压力传感器的光纤传输技术应用研究[J]．传感器与微系统，2006（2）：18-20．

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[7]金浩，韩江洪，李阳铭．基于ARM的嵌入式系统中断处理机制研究[J]．现代电子技术，2006，28（22）：1-3．

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[12]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．

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（编辑：刘杨）

Transient high-pressure multi-point pressure testing system

SHU Yuefei1，LI Xin’e1，LIU Xuefei1，LIANG Yanbin1，PAN Baoqing2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100094，China）

Presently，multi-point pressure information cannot be obtained in the test of high pressure and temperature transient explosion fields in confined space.To solve this problem，this paper has designed a multi-point pressure testing system based on the pressure tester.This 600 MPa system can be used at a transient temperature of 3 200 K.The system is adaptive to severe testing environments due to its plastic optical fiber，high strength optical window and electromagneticshieldingfilm.Thelight-triggeredsignalsfrommultiplexopticalfibersare measured to synchronize the work of multiple testers and help the system to get the pressure information at different points under strong electromagnetic environment.LS-DYNA，namely finite element simulation software，is used to simulate the pressure at transient high-pressure hightemperature burning and explosion fields within confined space and obtain multi-point pressure information.The simulation results agree with existing experimental data.The pressure of some regions has several peaks，and there is a big difference between the waveforms of some regions. The pressure characteristics of these regions can be used as a reference for determining the numbers and positions of pressure measuring devices.

explosion field test；synchronous trigger；numerical simulation；pressure test measurement

A

1674-5124（2016）03-0067-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.016

2015-06-29；

2015-08-11

国防科技重点实验室基金（9140C1204011007）

舒跃飞（1989-），男，湖北咸宁市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。