冲击波超压存储测试中无线可编程技术研究

杨佩宗　畅丽红

摘要：冲击波超压值和持续时间随测试半径的变化而显著变化，且测试现场的测试节点多、分散性大、难以集中管理。另外，测试时，一旦设定好测试节点的参数，现场就难以更改，即存储测试系统的可控性和灵活性较差。基于以上两点，提出一种用于冲击波超压测试的无线可编程存储测试技术。设计并实现存储测试电路及智能无线测试节点；开发基于LabVIEW平台的上位机软件；通过WLAN无线网络和上位机来灵活设置测试节点的工作参数，并对测试节点的工作状态进行实时监测，从而完成冲击波超压测试。将此无线可编程技术应用到弹药爆炸的静爆试验中，所得30m处超压值分别为60，90，120，150m处超压值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，超压值随测试半径变化显著，通过灵活设置放大倍数，大大提高现场测试的稳定性和灵活性。

关键词：冲击波超压；测试节点；WIAN；存储测试系统

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2018）02-0088-05

0引言

进行冲击波超压测试时，目前国内外研究人员所采用的测试方法大致分为有线电测法和存储测试法两种。采用有线式电测法进行测试时，不仅布线耗时费力，而且传感器电缆存在阻抗，很容易造成信号衰减和幅值相位的失真，从而严重影响测试精度，所以，现在多采用存储式测试法。存储式测试法是一种将传感器与数据采集存储仪集成于一体对冲击波超压进行测试的方法。其测试系统不仅体积微小，而且具有很高的抗冲击能力，可有效避免有线式电测法的弊端。然而，这种方法无法对多个测试节点进行实时监测。据Henrych J经验分析可知：在多点测试的爆炸场环境中，弹药当量和测试半径对冲击波超压值和持续时间的影响很大（本文只讨论测试半径对超压值和持续时间的影响）。因此，传统测试系统中固定的参数设置已不能满足多点测试的需求。为此，本文将WLAN技术与存储测试原理相结合，设计并实现了参数可编程的无线存储式测试系统，将其用于测点多、分散性大且难以集中管理的冲击波超压值测试中。由于此技术的实现可以使测试人员在安全的掩体内通过无线网络对测试节点进行灵活的参数设置和实时的状态监测，这就大大提高了现场测试的可靠性和灵活性。

1参数可编程理论基础

冲击波是评价武器杀伤力的重要媒介。通过测试不同半径下冲击波的超压峰值、持续时间、传播速度及衰减规律就可以对武器系统的杀伤力进行评价。据Henrych J经验公式，对不同测试半径和弹药当量下的冲击波超压值和持续时间进行理论分析，结果列于表1中。

由表可知：1）在弹药当量相同的情况下，当测试半径相差3倍时，冲击波超压峰值会增加10倍左右；2）当弹药当量相同、测试半径不同时，冲击波超压持续时间差别会很大。

在实际工程测试中，为了获取更高的测试精度，通常将量程范围的1/3～2/3作为信号读取的最可靠范围。由于传感器的量程范围一定，因此测试系统中电路的增益可以根据测试半径和弹药当量的大小来合理地设置，进而提高测试的准确度和灵活性。

2存储测试系统的设计

本文所设计的无线可编程存储式测试系统主要由无线测试节点、无线接入点和主控制端组成，如图1所示。

图中，多个无线测试节点与无线接人点组成了无线局域网络。通过无线局域网络，主控端不仅可以对各个测试节点的各项参数进行设置，还可以对各节点的状态进行实时监测。无线网络主要负責下达主控端的指令并进行数据回收。

试验时，需按照测点分布图将无线测试节点分别布设在爆心周围以完成冲击波超压测试工作。此测试系统中，测试节点上还设有USB接口，是为了进一步提高系统的稳定性：当无线网络出现故障时，可以通过USB来获取冲击波的数据，从而确保数据不丢失。

具有无线传输功能的测试节点是系统的核心。其主要包括电源管理模块、传感器、适配电路、滤波放大电路、A/D转换电路、存储电路、FPGA控制电路、USB接口、充电接口、无线传输模块及天线等部分，如图2所示。

图中，测试节点的工作流程如下：1）给系统上电，通过USB接口或无线局域网对测试节点的工作参数进行设置，如对节点的定时时长、采样频率、增益放大倍数、触发电平等参数进行设置。2）参数设定后，系统进入定时状态，此时系统处于低功耗工作模式。3）定时结束后，系统自动启动数据采集模块，节点进入全速工作模式，并开始循环采样，处于待触发状态。4）当压力信号发生时，传感器就将采集到的压力信号转化为电压信号，然后对该信号进行调理，再经A/D进行模数转换，转换后的数字信号与触发电平相比较，此时节点处于触发判断状态。5）触发后，系统便将有效数据按顺序写入存储器中。当存储结束后，采集模块自动关闭，节点进入等待读取数据状态。6）打开无线模块或接上USB，就可通过上位机对数据进行读取。读取完数据后，重新上电即可进行下次试验。

3无线模块的实现

本文采用韩国Wiznet公司生产的串口传输型模块实现无线传输，该模块支持IEEE802.11b/g规范，集成了TCP/IP协议栈和WLAN网络通信驱动。该模块具有4个显著的特点：1）支持IIC、UART、USB和SPI接口；2）内置TCP/IP协议栈，既可设为客服端模式，也可设为服务端模式；3）内置了加密协议，可以保证数据的安全传输；4）体积小、功耗低、串口发送协议简单，操作方便，管脚占用率少。

在进行具体的设计时，本文选用UART传输方式。所设计无线模块与FPGA的硬件连接关系如图3所示。

图中，CTS和RTS实现的是数据流的控制，可防止数据传输引起的拥堵。TX和RX分别为数据发送信号和数据接收信号。

WLAN网络搭建好后，测试节点链接到该无线网络，并通过主控端发送指令给AP，然后再通过此无线网络将指令下达给各个测试节点，节点收到指令后就可根据已设定好的程序来执行相应的任务。这里需要指出的是，无线模块在使用前需要对其工作参数进行相应的配置，具体参数设置如表2所示。

4上位机参数可编程功能的实现

节点的参数设置主要通过上位机和无线传输模块来完成。上位机软件是整个测试系统的控制管理中心，一切指令的传达都是通过上位机来完成。本设计中，上位机主要实现对测试节点定时时长、采样频率、数据长度及负延时长度等参数的设定，具体如图4所示。

本设计中，上述功能均在LabVIEW平台上实现，上位机界面如图5所示。

由于LabVIEW内部集成了大量的数据处理工具包，不仅可以大大节省开发时间，还能进行很好的人机交互。具体实现时，整个程序采用事件结构来编写，即一个事件执行一个对应的功能。

5现场实验验证

为了验证无线可编程存储测试系统的稳定性和可靠性，在试验现场按30°、60°、150°3个径向方向对测试节点分别进行布置，如图6所示。

图中，在30°径向方向分别放置了1#，2#，3#，4#，5#5个测试节点；在60°径向方向布置了6#测试节点；在150°径向方向布置了3个节点，分别为7#，8#，9#测试节点。节点所在测试半径间隔为30m。测试前，根据不同当量弹药和测试半径通过无线方式对测试节点进行参数设置，如表3所示。

设置好各测试节点的参数并将其安置在各自对应的测试位置后，进行现场爆炸试验，测试结果列于表4中。

由表4可知：当测试半径为30m时，超压持续时间为2.681ms。当测试半径分别为60，90，120，150m时，超压峰值分别为175.28，88.983，57.599，35.147kPa，而持续时间分别为37.650，46.181，56.374，57.603ms；超壓值分别为30m处超压值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，持续时间为30m处的14倍、17倍、21倍和21.5倍。冲击波超压值随着测试半径的增加而依次减小、且持续时间会增长，冲量也随之减小。另外，超压值和持续时间会随测试半径的增加而变化显著。

图7和图8分别为4#、8#和5#、9#测试节点的超压值曲线。可以看出，当测试半径相同、但测试场地不平坦时，冲击波超压值也会相差很大。

所以，在冲击波超压值的测试中，测试人员应根据弹药当量和测试半径利用无线网络来对测试节点的增益进行合理地设置，这样才既可以提高测试的灵活性，还可以提高测试的准确度。

6结束语

与传统的存储测试系统相比，本文采用WLAN技术，设计并实现了一种新型的无线存储式测试系统。在减少系统误差以及提高系统的灵活性方面，参数可编程无线存储测试技术在多点测试中起了很大的作用，充分体现了其现场测试的灵活性。此外，WLAN技术的应用，不仅提高了测试效率及测试人员的安全性，同时也为弹药毁伤效能的评价提供了有力的支撑。在冲击波超压现场试验中的测试结果表明，本文所研究的无线可编程存储式测试系统具有很好的灵活性和稳定性，实用性很强。