电点火头参数光敏传感测试方法及系统

李京昊，朱从贵，刘江涛，陈荷娟

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094；2.深圳市珈玛纳米技术有限公司， 广东 深圳 518102； 3.贵州梅岭电源有限公司， 贵州 遵义 563003)

电点火头以桥丝电阻、工作电流、发火时间、安全电流、输出能量为主要技术指标。其中，发火时间对人员、武器系统(特别是引信)的安全性影响重大。发火时间的测试方法主要有声发射法、靶线法和工作电流通断法。声发射法是通过测试电点火头爆炸声时间而获得发火时间的被动测试方法，来自爆炸声源的弹性波传播到达声传感器，引起其表面位移，声传感器将这种弹性波的机械振动转换为电信号，记录信号持续时间，近似等于发火时间，由于爆炸声的滞后和传播的高动态性，信号持续时间误差较大；靶线法是通过测试参照物熔断电流起止时间而获得发火时间的“通-断”靶式测试方式，将测试参照物固定于电点火头上，爆炸时记录流过参照物电流的突变脉冲宽度时间，近似作为发火时间，该方法操作繁琐，存在参照物烧不断而导致测试失败、参照物炸断与桥路断开误差大等问题；工作电流通断法记录工作电流通电时间，也是一种“通-断”靶式测试方式，不同的是记录桥路电流的起止时间，会出现桥丝未融断致使桥路不能断开的现象。

国内军用电点火头发火时间测试，通常采用工作电流通断法，用压力电传感器或光电传感器采集信号[1-4]。文献[1]采用光电传感器设计了一种电发火过程时间结构分析测试系统，同时测试电点火头桥丝的升温时间和点火药爆发延滞时间，从实验结果发现发火时间大于通电时间的现象，认为发火时间不等于通电时间的原因是点火药爆发延滞期造成的，从而提出了发火过程的基本时间结构。

在民用电点火头发火时间测试方面，目前也没有统一标准，只是对出口烟花爆竹产品规定了电点火参数的测定方法[5]。2015年欧盟制定了烟花用电点火头的作用时间测试标准：《烟火制品其他烟火制品点火装置》(EN 16265—2015)[6]，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0.01 ms。文献[7]采用菲涅尔透镜和光电传感器设计了一种测试烟花用电点火头作用时间的装置，结果与高速摄像法测量结果一致，符合欧盟烟火标准的相关要求，适合烟花用电点火头的检验。

无论是声发射法、靶线法和工作电流通断法，还是民用烟花用电点火头的光学测试方法，都是采用恒定工作电流方式，测试结果与实际存在较大误差[8-10]。为此，提出采用光敏传感技术的电点火头发火动态参数精确测试方法，研制一种高精度参数测试系统，通过实时测量桥丝电阻、个性化产生工作电流、爆炸光检测的一体化设计，实现多样品、多种参数测试，可为电点火头的设计和产品质量控制提供技术手段。

1 发火过程基本时间结构

电点火头的发火过程分为桥丝升温、点火药吸热分解和燃烧3个过程。一般地，由于发火过程很短，忽略桥丝热损失，桥丝温度升高所需热量等于外界通入电流产生的热量，那么，桥丝升温时间等于电点火头上通过工作电流的时间(即通电时间)。设t为发火时间，t1为通电时间，t2为点火药爆发延滞时间。如图1所示[1]，发火时间t为桥丝升温时间t1(A～C段)和爆发延滞时间t2(C～E段)之和，即：t=t1+t2。

图1 发火过程基本时间结构

图1中B～E段是点火药的爆发延滞期，B点尽管桥丝的温度已足够高，但桥丝附近药剂不立即燃烧，达到D点才能起爆、E点完成爆燃，B～C段是桥丝升温时段与爆发延滞期的重叠区。根据电雷管热起爆机理，当通过桥丝的电流为恒定电流时，按焦耳-楞次定律由电能转换热量为

J=0.24I2Rt1

(1)

式(1)中，J为通过桥丝电流产生的热量(J)；0.24是热功当量数；I是工作电流值；R是桥丝电阻；t1是通电时间。

式(1)表示桥丝通电流后升温达到灼热状态，加热桥丝周围炸药并引爆的热量，它与工作电流值I平方、桥丝电阻R、通电时间t1成正比关系。式(1)中I、R、t1三个参数决定了电点火头产品的热量J。方案设计阶段，它们的数值可以根据电雷管设计要求估算得到的。通常，电点火头发火时间测试中，I、R、t1三个参数是事先设定的恒定值，见文献[1-3]等，它们介绍的发火时间测试中，设定工作电流为恒定的单个矩形脉冲(脉宽即为通电时间)。然而，实际电点火头产品的个体差异，会导致桥丝电阻、点火药剂、电极塞等参数存在偏差，因而引爆电点火头的工作电流是各不相等的，若按文献[1-3]的测试方法，由式(1)计算得到的每个产品的热量J相同，显然，这是不符合实际的。造成发火时间不符合实际的原因，除了测试方法因恒定的工作电流、桥丝电阻、通电时间的带来的随机误差外，还有测试技术方面精度不高造成的误差。为此，提出了图2所示的光敏传感电点火头发火时间测试方案，具有在线桥丝电阻测量、实时工作电流和通电时间调整、爆炸光信号高速采集与处理功能，测试精度可达纳秒级。

2 电点火头光敏传感参数测试原理及系统

图2所示的光敏传感电点火头参数测试系统，由桥丝电阻测量电路、工作电流可编程控制系统、光敏传感爆炸光检测系统三大组件组成。桥丝电阻测量电路与桥丝两个输出引脚并联连接；工作电流可编程控制系统由计算机和可编程直流发生器组成，可编程直流发生器包括电子负载、可编程电压源；光敏传感爆炸光检测系统包括光敏传感器、信号处理器、高速信号采集器和电流采集电路。

图2 光敏传感电点火头参数测试方案原理框图

光敏传感电点火头参数测试系统采用在线检测工作模式。桥丝电阻测量电路，完成被测样品桥丝电阻测量，在恒流源下检测桥丝两端电压，其控制电路根据欧姆定律算出桥丝电阻值，输出表征桥丝电阻的等值电压信号VR，通过A端传输给计算机。工作电流可编程控制系统的计算机，其输入接收VR，为适应计算机信号通信端口硬件要求，将VR值转换为对应的工作电流控制信号VRj数值，通过计算机仿真模拟试验，得到产品工作电流通电时间t1；计算机D端输出2路电压信号，一路为峰值Vg、脉宽t1的可编程电压源工作电压；另一路输出工作电流控制信号VRj，该电压是对应VR的一个等值电压信号，用于调节电子负载输出电流。可编程直流发生器采取CV+CC工作模式，即可编程电压源是恒压工作模式(即CV模式)，电子负载是恒流工作模式(即CC模式)，可以实现数控恒流电子负载控制。通过计算机E端给电子负载设定工作模式、电流范围。

可编程电压源输出恒定电压Vi表达式为

Vi=V0+V1+IR

(2)

式(2)中，V0为电子负载的最小工作电压(对应最小工作电流)，其值在0.5～1 V之间；V1是线损电压，约1～2 V；R是桥丝电阻；I是电子负载电流。

应当注意此为理想情况，实际上由于飞行器处于一个未知的开放环境当中，往往会存在某方向的自然风，在这个自然风的影响下，飞行器会处于一个不平衡状态，可能会引起定向漂移或者失控，因此需要通过改变相应电机转速来引入一个反向分量去平衡这个自然风所引起的偏移量[18]。

假设V0和V1不变，取V0=0.5 V、V1=1 V。因工作电压Vg控制的输出电压Vi恒定，那么，由式(2)得到I计算式为

I=[Vi-(V0+V1)]/R

(3)

式(3)中Vi、V0、V1的值恒定，可见，电子负载电流I与桥丝电阻R之间有确定的反比例关系。按图2系统工作原理，电子负载是恒功率工作模式，那么，当电压恒定时，测试的每个样品的起爆点火的工作电流是不同的，这个工作电流等于I。这就是光敏传感电点火头参数测试系统的桥丝电阻可编程工作电流调节原理。

输出回路上设计了一个电流采集电路，将I转换为脉宽等于t1的单个矩形脉冲电压信号Vh，简称作回读电压。通过B、H端将Vh同时传输给高速信号采集器和计算机内的接收信号模块，因Vh脉冲上升沿很陡，故将其设计为控制触发电平，实现通电、爆炸光采集、计算机接收的同步。

通入工作电流I后电点火头爆炸，光敏传感器捕捉到爆炸光S(反应时间在ns级)，光电转换后V1经过信号放大与处理后得到V2。高速信号采集器首先在Vh上升沿触发后开始采集信号，M端V2信号到来后至V2信号结束，完成发火时间测试的信号采集，在Vh上升沿同步控制下通过F端将Vh、V2合成信号V3传给计算机，经计算机处理后输出R、I、t1、t、t2等测试值。测试过程共设计了11个操作步骤：设备上电、输入产品信息、设置点火头参数、桥丝电阻测量、设置采样参数、系统安全回路检测、启动点火、读取数据和保存、处理数据、曲线和数据可视化、测试结束，其中，“设备上电、输入产品信息、设置电点火参数、设置采样参数”为人工控制，其余皆由系统自动完成。

3 电点头火参数测试试验

根据图2工作原理，由深圳市珈玛纳米技术有限公司研制了一套光敏传感电点火头参数测试系统样机，桥丝电阻范围为 0.5～20 Ω，高速信号采集器采样速率为2 ms/s，可编程直流发生器直流脉宽可调节范围为0.1 ms～20 min。试验在贵州梅岭电源有限公司试验场进行。

1) 发火过程基本时间结构试验。测试一组样品，下面选取其中一个样品测试结果说明，如图3所示(图中横坐标T1、T2、T3等为时间，0点为设备上电时刻，纵坐标为电压信号幅值)。图3的V4是经计算机信号处理V3后提取的爆炸光信号。t1为单个矩形脉冲回读电压曲线Vh的脉宽，等于根据实测样品桥丝电阻得到的电子负载电流I脉宽；t2为V4信号出现到终止的时间，等于爆炸光持续时间；t为Vh的上升沿起点到V4结束的时间；V4晚于Vh出现，两者起始点差为Δt，且Δt

图3 发火过程时间结构测试曲线

2) 多参数测试同步控制试验。选择8#、3#、4#、9#四个同型号电点火头，用光敏传感发火时间测试系统样机同时测试。4个样品的工作电流Ii(i=1,2,3,4，表示4个样品)不相等，是由系统可编程电流发生器根据桥丝电阻测量电路实测桥丝电阻值Ri自动确定的。电流采集电路将可编程电流发生器产生的电流Ii转换为对应的4路回读电压Vhi，用Vhi的上升沿触发高速信号采集器，使得每个样品的Vhi与采集V2i信号起始点同步。

图4是9#样品的回读电压曲线和爆炸光采集信号(计算机显示单个矩形脉冲Vh和采集信号V2)。计算机显示结果：I=2.4 A、t1=22.393 ms、t2=132.521 ms、t=154.914 ms。见图6～图8是8#、3#、4#样品的Vh和V2信号曲线，有同样的变化规律。

图4 光敏传感发火时间测试系统测试曲线

试验结果表明：光敏传感电点火头参数测试系统可以可靠地同时测试多产品、多发火参数，样品数量视用户需要而设计。

3) 光敏传感爆炸光采集试验。采用高速摄影拍摄验证爆炸光采集的可行性，拍摄速度为20 000帧/s。图4是采用光敏传感电点火头参数测试系统样机测试9#电点火头的结果，工作电流2.4 A、通电时间22.393 ms。图5是高速摄影机同时拍摄到9#电点火头的光照片截图。

高速摄像拍摄到爆炸光照片显示图5 (a)无火光、(b)有零星火光、(c)有强烈聚光、(d)有较强散光。对比图4，图5(b)～(d)出现爆炸光时间(图5照片截图未示出时间)与图4的V2信号t2时段吻合。约在0.5t1(一半通电时间)前无V2信号，对应图5(a)电点火头未爆炸；通电时间结束前约0.75 s时，V2信号出现，图5(b)显示有火苗出现，判断电点火头未爆炸；t1后V2信号越来越强，约在0.78 s处突变强烈，对应图5(c)出现强烈的爆炸光；在0.882 521 s处V2信号消失，表示桥丝已断，但是，图5(d)仍有较强且分散的光，这是爆炸后的火药四溅现象。

图5 高速摄影测试爆炸光照片

试验结果表明：光敏传感电点火头参数测试系统的光敏传感爆炸光检测系统可以快速、精确地采集电点火头瞬时爆炸光信号。

4) 可编程工作电流测试验证试验。同批次(即同时)测试8#、3#、4#，根据实测桥丝电阻R可编程工作电流通电，图6～图8计算机输出的工作电流回读电压Vh、爆炸光V3曲线(这里的V3就是图2中由Vh、V2合成信号后传输给计算机的信号)，其参数值见表1。固定工作电流I=1.75 A，同批次测试同型号1#、2#产品，结果见图9和图10，其参数值见表1。同样，固定工作电流I=2.50 A，测试与1#、2#产品同型号的6#产品，结果见图11和表1。图12是由表1数值得到的t1、I、t曲线。

图6 8#电点火头测试曲线

图7 3#电点火头测试曲线

图8 4#电点火头测试曲线

表1 样品测试参数值

图9 1#电点火头测试曲线

图10 2#电点火头测试曲线

图11 5#电点火头测试曲线

图12 不同条件测得的t1、I、t变化示意图

从图6～图12可以得到如下结果：

1) 本样机具有不同型号样品、多参数同时测试功能。进行了可编程工作电流和固定工作电流控制发火的多样品测试，即8#、3#、4#电点火头一组和1#、2#另一组，测试表明，可以同时测得多样品的t1、I、t测试值，以及工作电流回读电压和爆炸光电压信号，且一体化设计的光敏传感发火时间测试系统工作可靠、操作简单。

2) 可编程工作电流控制发火测试技术符合电点火头作用机理。由图12可见，采用可编程工作电流控制发火测试技术，所测8#、3#、4#电点火头的t1、t2、t有差异，其中，同型号的3#、4#电点火头的差异明显，4#的I是3#的两倍，但其t1、t都比3#的短，t2略长于4#。从能量守恒定律角度，由式(1)电能转换热能公式变换得到工作电流I表达式(3)来看，在恒定电压和一定桥丝电阻下，工作电流I与通电时间t1成反比，上面结果符合电点火头作用理论。至于t2的细微差别，主要是点火药剂的影响所致。

3) 光敏传感发火时间测试系统测试精度较高。为估算测试系统的精度，重复测试同一型号桥丝电阻相近的12个样品，固定工作电流为1.5 A，得到通电时间t1的平均值为1.661 ms，标准差为0.234 ms。因此，光敏传感发火时间测试系统测试精度较高。

4 结论

采用光敏传感、可编程控制电流、高速数据采集、数字化和可视化等技术，研制了光敏传感电点火头参数测试系统，可靠地测得发火时间、桥丝升温时间、点火药爆发延滞期、爆发延滞期重叠区的发火过程基本时间结构，同时获得发火时间t、工作电流通电时间t1、点火药爆发延滞时间t2等性能参数；桥丝电阻测量电路和计算机在线自动测得不同样品桥丝电阻，可编程直流发生器可靠地输出每个电点火头实际工作电流和爆炸光采集同步控制信号；光敏传感爆炸光检测系统，快速采集到了电点火头瞬时爆炸过程，精确地捕获到爆炸光的出现与消失时刻；同时测试不同型号样品发火参数，可编程产生工作电流范围较大、通电时间精确度较高，验证了发火参量、爆炸光一体化测试方案可行，光敏传感电点火头参数测试系统样机的研制，为今后进一步工程化设计和产品化，电火工品的智能制造、大数据中心建设提供有效的技术支持，具有重要意义。