无线量测系统在大当量静爆测试中的应用

郭士旭，陈晋央，周会娟，余尚江

（61489部队，河南 洛阳 471023）

无线量测系统在大当量静爆测试中的应用

郭士旭，陈晋央，周会娟，余尚江

（61489部队，河南 洛阳 471023）

大当量静爆威力试验中待测物理参数多、传感器布设区域广、人员安全距离远，给引线电测系统和存储测试系统带来诸多困难。该文研制基于WI-FI的爆炸效应无线量测系统，由数据采集仪、无线组网设备等组成。数据采集仪具备信号调理、数据采集和存储、无线通信、高精度同步等功能；无线组网设备支持802.11n/ac协议，发射功率高，内置高增益定向天线。通过大当量静爆威力试验验证系统的可靠性。整个系统能够实现远程无线管理、多设备高精度同步采样、数据高速率无线传输、大范围分布式布设，可提高静爆威力测试效率。

爆炸效应测试；无线量测系统；时钟同步；分布式组网测试

0　引　言

爆炸效应参数的测量一直是爆炸研究和应用中十分重要的问题，准确的爆炸效应参数测试是工程防护研究、武器弹药研制、毁伤效应评估等领域的重要基础和技术支撑。大当量爆炸效应参数测试中，测试参数种类较多、测试区域范围大、干扰因素多、人员安全距离达几百米甚至几千米，这些给现有的引线电测系统和存储测试系统带来极大挑战［1-3］。随着无线通信技术的发展，用于爆炸效应测试的无线量测设备不断出现，文献［4-6］提出了基于Zibgee的无线测试系统，但传输速率较低，无法满足爆炸效应参数测试中大数据量的实时或“准实时”传输需求，此外分布式布设时，难以集中管理与统一控制。文献［7-8］提出基于WI-FI技术的冲击波无线测试系统，每台设备一个通道，采用支持802.11b/g协议的无线通信模块和组网设备，传输速率和无线通信距离更适合爆炸效应测试需要。文献［9］改进了网络拓扑结构，并采用支持802.11n协议的无线通信模块和组网设备，进一步提升了无线测试系统的传输速率和覆盖范围，但适配电路只针对ICP压电传感器，此外布设多个无线测点时，并没有给出有效的同步策略。

本文分析了爆炸效应测试中，无线量测系统应具备的特性，在爆炸效应存储测试系统基础上，结合WI-FI无线通信技术，研制了爆炸效应无线量测系统，并通过大当量静爆试验证了该系统的有效性、便捷性和可靠性。

1　无线量测系统总体方案

大当量静爆威力测试对测试系统提出了很高的要求［10］，无线量测系统必须满足以下特性：

1）适调电路能够满足爆炸效应测试中多种参数的测试需要；

2）采集仪响应速度、工作频带和采样频率应能满足冲击波压力等瞬变信号的测试要求；

3）试验区域大，传感器布设分散，此外测试人员撤离的安全距离较远，无线网络覆盖范围、通信距离和传输速率应满足远程调试、参数配置、测试数据回传的需要；

4）多台数据采集仪可联网工作，而且确保采样时间的高精度同步。

研制的无线量测系统由测试PC、数据采集仪和无线组网设备等组成，无线组网设备包括无线AP（access point）和无线网桥，整个系统工作示意如图1所示。温度、压力、加速度、应变、位移等传感器，布设在爆心周围，分别通过短线缆连接数据采集仪；数据采集仪有8通道、16通道、24通道3种型号，采取防护措施后，放置于爆心附近位置；无线AP用于对测试区域的无线覆盖，每台无线AP覆盖一片区域，该区域内的数据采集仪通过内置的无线网卡接入无线网络；无线网桥用于数据的远距离传输，最终各子网络数据通过千兆交换机汇集传输至测试PC。

图1　无线量测系统爆炸效应测试示意图

2　数据采集仪设计

数据采集仪采用存储测试原理按照模块化思想进行设计，包括信号适配模块、采样模块、数字处理模块、系统管理模块和供电模块。内部信号流如图2所示，传感器将待测参数转化为电信号，通过信号调理电路完成信号的适配放大，抗混叠滤波器的截止频率比信号的最高主要频率略高，从而保证后端经过采样过程信号不发生混叠现象。通过模数转换芯片完成模数转换，工控机和FPGA作为数字处理器，完成了采样控制、通信接口控制、采样后数据在DRAM中的缓存和在FLASH中永久存储等工作，同时底层处理器需要处理响应触发电路的触发信号、上位机命令和卫星导航系统提供的同步时钟，进而控制整个存储测试系统的工作状态。其中，无线通信模块采用支持802.11n/ac协议的Wi-Fi无线网卡（mini-PCI接口），为测试PC和数据采集仪之间提供数据、命令交互的通信链路。数据采集仪采用卫星授时，确保多台数据采集仪大范围分布式布设时工作在统一的同步时钟基准下，选用的卫星接收模块1PPS同步秒脉冲精度20ns，实际性能分析与测试表明多台数据采集仪同时工作时，时钟同步误差小于100ns。

图2　数据采集仪内部信号流图

为减少数据采集仪与传感器间的线缆，数据采集仪布设位置距爆心较近，因此在结构设计时不但要考虑通风散热、防尘防水等特性，还应着重考虑抗冲击、防爆炸颗粒物的特性。为此，针对每种型号数据采集仪，专门进行了隔震与防护罩设计。加装隔震措施的数据采集仪在SY11型气压驱动垂直冲击碰撞试验台上进行冲击试验，冲击脉宽10～15ms，输入荷载达1300ms-2时，数据采集仪工作正常，隔震率可达77%以上。

利用标准信号源对数据采集仪电压测量误差进行分析。电压测量误差来源主要包括直流标准电压的最大允许误差、数据采集仪测量重复性引入的测量误差、数据采集仪AD量化精度引入的测量误差、工作环境引入的测量误差等。直流标准电压分辨力为1μV，最大允许误差±0.000 8%；重复性条件下独立测量1，5，10V各10次，利用贝塞尔公式分别计算标准偏差，最大相对标准偏差为0.014%；数据采集仪电压量程（-10V，10V），AD量化位数为16bit，假设分辨力引入的测量误差在（-0.5×LSB，0.5×LSB）内服从均匀分布，则量化精度引入的测量误差为0.0005%；工作环境引入的误差忽略不计。因此数据采集仪电压测量误差0.028%。数据采集仪整体技术指标如表1所示。

表1　数据采集仪主要指标

3　无线通信网络组建

无线组网设备物理层的编码与调制方式的不同决定了传输速率大小，然而接收信号的强度直接影响到物理层的调制方式和编码方式的选择。随着距离增加，无线AP设备的信号强度和数据采集仪Wi-Fi无线网卡的信号强度均迅速降低，无线AP设备到数据采集仪的下行速率往往较高，但数据采集仪到无线AP设备的上行速率受距离因素影响大。

为此，无线量测系统中，通过提高无线组网设备的发射功率、选用高增益天线、规划无线信道、组建多个无线子网络等措施确保无线覆盖范围和数据传输速率满足爆炸效应测试需求，无线网络拓扑结构如图3所示。无线AP支持802.11n协议，无线网桥支持802.11n/ac协议，两者发射功率500 mW，采用MIMO双极化天线，天线增益27dbi。一个无线子网络包括一台无线AP和两台无线网桥，无线AP与无线网桥A通过网线（RJ-45）连接，安装于测试现场周边；无线网桥B安装于测试人员所在的安全区域，与无线网桥A实现点对点通信，两者确保天线对准，中间无遮挡；多个子网络时，无线网桥B通过网线与千兆交换机连接，实现各子网络的融合；此外，相邻多个子网络可共用一台无线网桥B。

无线AP设备工作在2.4GHz频段，无线网桥设备工作在5.8GHz频段，通过现场测试无线信道拥堵情况，进行无线信道规划，确保各无线组网设备信道不交叠。每个无线子网络通信指标如表2所示。爆炸效应测试中，可根据传感器布设规模，确定无线子网络划分个数。此外，无线信号在传输过程中，树木、建筑等障碍物会吸收、反射信号，引起信号的衰减和多径传输，从而造成信号的衰落，因此应根据爆炸试验场地的地形、周围环境规划好无线组网设备的布设位置以及架设高度，一般组网设备收发天线架设的高度要满足障碍物不超过菲尼尔区［11］的40%。

表2　无线子网络通信指标

4　测控软件设计

测控软件包括在测试PC上运行的服务器软件和在数据采集仪底层工控机上运行的客户端程序，两套软件采用统一接口、协议进行消息通信。测试PC和数据采集仪之间采用客户端/服务器（Client/Server）的网络模型，客户端和服务器之间采用UDP协议的Socket通信机制，通过网络广播消息和向指定IP设备发送消息两种形式进行数据通信。

工控机是测试PC与数据采集仪底层电路交互的平台，客户端程序主要功能是消息处理，即将数据采集仪发送的上行消息和测试PC发送的下行消息进行接收、解析、封装、发送，实现测试PC对底层设备的管理、数据存储、无线接入等功能。

服务器程序实现无线量测系统与用户间的交互，通过发送配置参数和控制命令控制整个无线量测系统，完成数据采集仪自动检测识别、采集参数设置、采集模式选择、命令下发、数据回传、数据图形显示处理、采样过程控制、信号分析等功能。服务器程序工作流程如图4所示。

图4　服务器程序工作流程

5　测试实例

某次化爆试验中，冲击波压力传感器、冲击加速度传感器、结构位移传感器安装于距爆心径向15，20，25，30m区域内的效应靶标（钢筋混凝土板，钢筋混凝土墙）上，通过短线缆（10m和20 m两种）接入数据采集仪。传感器按照规范要求，在某计量测试站利用φ100mm激波管动态压力校准装置、冲击加速度测量标准装置、位移传感器校准装置分别对压力传感器、加速度传感器和位移传感器进行了校准。按图3组建1个无线子网络，无线AP和无线网桥A距爆心160m，离地高度3m，无线网桥B和测试用PC距爆心直线距离2 000 m，如图5所示。数据采集仪加装隔震措施和防护罩后，放置于距爆心25 m的沟槽内，用沙袋墙进一步防护，如图6所示。

图5　无线组网设备布设图

图6　数据采集仪布设现场

测试用PC在现场接入无线通信网络进行调试，无线通信网络、数据采集仪工作正常，之后人员撤离至2000m外的安全区域，远程监测无线量测系统状态，采用示波模式（采样频率20kS/s以下）实时观察噪声干扰情况，确定正常后，远程设置采样频率、采样长度、触发方式、信号调理参数等。爆炸结束后，数据采集仪回传数据正常，无线传输速率在42.5～47.8Mb/s。

部分测试数据见图7～图9，较好反映了冲击波作用下结构的振动响应。图7为某块钢筋混凝土墙上的冲击波压力测试波形，出现两个压力峰值是由于反射冲击波在入射冲击波衰减时到达所致［12］，此外破片、土石打在效应靶标上，对冲击波压力流场会有一定影响；压力波形未归零，原因是传感器处于爆炸场火球区，传感器受高温影响，出现漂移所致。通过进一步分析其他压力、加速度、结构位移等参量的测试数据，上升沿时间、峰值、持续时间真实反映了大当量静爆冲击波的传播规律，测试数据有效。

图7　冲击波压力波形

图8　结构冲击加速度波形

图9　结构位移波形

6　结束语

无线量测系统在存储测试系统基础上结合无线传感器网络技术和设备封装防护技术，适用于各种规模化爆试验的爆炸效应参数测试，与有线电测系统、存储测试系统和现有的其他无线量测设备相比，本系统具有以下特点：

1）数据采集仪测试通道有8通道、16通道、24通道3种类型，适合大型化爆试验中传感器数量多的测试需要。

2）无线数据传输速率高、无线通信距离远，缩短了有线线缆，减少了测试准备工作量，此外测试人员在几千米外的安全区域可远程监测和控制测试系统运行状态。

3）多台数据采集仪组网测试时，同步精度高，各台数据采集仪的同步误差在100ns以内。

4）采取了隔震和防爆炸飞散物的防护设计，大当量静爆试验中，在距爆心较近的距离内工作状况良好。

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（编辑：莫婕）

Application of wireless measurement system for explosive effect test in large equivalent static burst power test

GUO Shixu，CHEN Jinyang，ZHOU Huijuan，YU Shangjiang
（Unit 61489 PLA，Luoyang 471023，China）

In static detonation tests，there are many physical parameters needed to be tested，sensors are placed in a large area，and safe area is far away，which bring many difficulties to the usual down-lead electronic measurement system and the storage measurement system.A wireless measurementsystembasedonWI-FIisdeveloped，whichiscomposedofdataacquisition instruments and wireless networking equipments.The data acquisition instrument has the functions ofsignalconditioning，dataacquisitionandstorage，wirelesscommunication，highprecision synchronization，and etc.The wireless networking equipment supports the 802.11n/ac protocol with a high transmission power and a high gain internal antenna inside.The whole system can be monitored and controlled remotely and wirelessly.Furthermore，it has the advantages of direct measurement for multiple parameters，synchronous trigger and acquisition of multiple channels and multiple equipments，wireless data transmission in high speed，and distributed layout in large scale，which greatly improve the test efficiency.The proposed system has been applied to several explosive effect tests and its high reliability has been verified.

explosive test；wireless measurement system；clock synchronization；distributed network test

A

1674-5124（2016）10-0132-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.025

2016-04-20；

2016-05-23

郭士旭（1987-），男，河南洛阳市人，助理研究员，硕士，主要从事测试技术方面的研究。