激波传播速度测量用光探针信号处理电路设计

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(1.西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021；2.黑龙江北方工具有限责任公司，黑龙江 牡丹江 157000)

0 引言

弹丸底火在膛内击发时，引燃发射药开始燃烧，产生高温高压气体，推动弹头在枪膛内进行加速运动，为了有效评判发射药的性能，需要测试膛内压力[1-3]。目前常用的测压方法主要有铜柱测压法和电压力传感器测压法，其中铜柱测压法只能测量膛内最大压力，操作复杂；压力传感器可测量膛内压力在一段时间内的变化规律，为分析发射药的燃烧特性提供技术支撑。由于压力传感器具有一定的参数分散性，为了保证测压数据的一致性，需在使用前对传感器进行动态标定[4]。常见动态标定参数有频率响应参数和瞬态响应参数[5]，激波管可在瞬时产生高压气体作用于传感器，模拟火炸药爆炸时产生的压力，是目前瞬态响应标定压力传感器的常用装置。激波的压力与其在管内的传播速度存在一定的对应关系，因此需要在标定时准确测量激波的传播速度[6-7]。管内激波以平面波的形式高速传播，对测速方式和测量仪器有较高的要求。光电探测技术具有非接触、响应快、灵敏度高等特征，因而可用于测量激波在管内的传播速度。在此，采用点状激光器配合点状光电探测器形成线状探测光幕，在沿激波传播方向上等间隔的放置若干个光探针，根据定距测时原理，实现激波测速。

1 激波管光探针测速

1.1 激波管工作原理

激波管主要由高压室和低压室组成，其中间用膜片隔开。在对激波的传输速度测量时，根据实验要求分别对高压室和低压室充以不同压力的气体。当2个压室内的气体差值达到一定程度时，位于2个压室之间膜片在压差的作用下破裂，使高压室内的气体立刻冲入低压室，在低压室内形成激波，而激光管的结构设计可控制激波传播方向。

1.2 光探针构建

如图1所示，光探针主由发射装置(点状激光光源、耦合光纤1和激光准直镜1)、接收装置(激光准直镜2、耦合光纤2和光电探测器件)、信号处理电路，以及辅助调节机械结构等组成。发射装置发出的激光在光学系统作用下可准直地照射到光电探测器件上，因此把发射装置与接收装置之间的准直光束定义为光探针。如图2所示，多路光探针依次排列在管壁上所形成的探测光幕与传统光幕[8]相比，其形状为线状光幕。当激波穿过光探针视场时，因气体密度差异引起光电探测器件所接收的光能量变化，经信号处理电路处理输出激波过幕信号。信号采集装置同步采集每路光探针输出的信号，利用相关测时法计算出激波穿过每路光探针的时间，结合光探针的间距计算出激波传播速度。

图1 光探针组成

图2 光探针测速装置总体设计

2 光探针信号处理电路设计

为保证光探针工作性能的可靠性，在设计电路时必须考虑信号处理电路的频率响应、放大增益和信噪比等特性。为满足这一要求，前级放大电路采用高速响应的OP27运算放大器，将光电探测器所接收的光电路信号进行放大。但该信号在前级放大电路作用后仍比较微弱，因此后级放大电路使用具有高共模抑制比、高增益带宽的仪表放大器INA128，将信号进行再次放大。考虑到信号采集装置与激波管间有一定的距离，设计了模拟信号的驱动电路，确保信号在传输过程中不衰减。

2.1 前级放大电路设计

基于探测器件设计需求，前级放大电路采用运算放大器OP27，其输入失调电压为10μV，输入失调电流约为2 nA，CMRR大于120 dB。如图3所示，为了使得探测器件与放大器阻抗相匹配，在前级放大电路中加入了12 V偏置电压，C1和C2形成高通滤波。则可得下限截止频率为：

(1)

当设定fL=3 kHz时，C1=0.001μF，R2=51 kΩ，无源滤波电路将电路中的低频噪声滤除。探测器件输出电压经R3输入到OP27的同相端。当通过调节比例电阻的阻值，使得放大倍数为6，即可保证信号的有效通频带宽。

图3 前级放大电路

2.2 后级放大电路设计

因前级放大电路输出的信号微弱，为提高信噪比，设计了相应的后级放大电路，如图4所示。经前级放大电路输出的信号，在C4和R6形成的阻容滤波作用下，最终输出信号OUT1连入到INA128的同相输入端。在该电路中可依据式(2)来改变外接电阻的阻值，以实现放大倍数的调节。

(2)

为确保放大电路在实现放大功能的同时不产生自激现象，R7为10 kΩ，可满足有效通频带宽要求。仪表放大器输出信号通过耦合电容C5，进入OP27的同相端再次被放大3倍。为能有效提取信号的特征时刻，需要保证激波信号的幅值在5 V左右。

图4 后级放大电路

2.3 驱动电路设计

在实际测量过程中，光探针与信号采集设备有一定距离，因此需要设计相应的信号驱动电路，以确保长线传输过程中信号不发生失真现象。依据光探针激波信号的特征，后续驱动电路应具有高还原率、低失真、频率宽和输出电流幅值大的性能，同时还需有模拟缓冲器。为了达到以上要求，使用BUF634芯片设计相应的模拟驱动电路，其输出信号经C16隔直处理后传输给信号采集装置，如图5所示。

图5 驱动电路

3 试验结果分析

通过示波器采集信号波形，以验证信号处理电路的稳定性。按照设计要求，设置激光光源的电压值为3 V、输出光功率值>10 mW，根据光能大小调节发射端与接收端之间的距离为30 cm。当激波从探测光幕穿过时，各级信号处理电路输出的信号波形如图6所示。其中，CH1为探测器输出信号，CH2为放大电路输出信号，放大后的信号幅值和探测器输出信号的比例与设定的比例相同。

由图6可知，输入信号幅值为50 mV，经过前级放大电路后输出信号幅值为300 mV，经过仪表放大器INA128后输出信号幅值为1.8 V，后级放大电路后输出信号幅值为5.1 V，与设定的放大倍数基本吻合，表明在光探针装置下，激波信号经过信号处理电路可以被检测。

图6 各级电路输出信号波形

4 结束语

基于区截测速原理构建了光探针探测装置，用于测量激波在激波管内的传播速度。依据所选探测器件的特性与信号调理电路要求，设计了激波探测前级放大电路、后级放大电路和驱动电路；通过实验验证了所设计电路满足激波穿过光探针要求，信号处理电路性能可靠。