导爆管起爆电路设计与验证技术研究∗

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型便携式智能化野外远程起爆控制设备按照要求需要对多路8号工业电雷管和导爆管两种起爆器材进行精确延时起爆，为了配合该型起爆设备的总体研制工作，特将导爆管的起爆特性、控制方法及起爆控制电路作为关键技术之一预先开展研究，设计了电路原理图、加工了电路板样机，并对其进行了实际工作环境下的起爆性能验证。由于对导爆管的特性和起爆原理的公开研究文献相对零散，不利于火工品使用及起爆控制设备的研制等人员全面认识该型起爆器材。为满足工程实际需求，本文从导爆管的特性分析［1～3］、起爆控制电路设计、实物样机性能验证等方面进行系统介绍。

2 导爆管特性分析

导爆管［4～5］为内径约1.5mm、外径约3mm，内壁均匀涂有混合高能炸药薄层（黑索粉或奥克拖金、铝粉及其他添加物）的挠性塑料中空细管，每米约涂有14mg～16mg炸药薄层，当导爆管被激发瞬间，管内产生爆炸冲击波，内壁薄层［6］炸药便以1650m/s±50m/s（或 1750m/s±50m/s、1850m/s±50m/s、1950m/s±50m/s）的速度沿管线径向向后传播引爆雷管。导爆管本身没有炸药的特性［7］，不会因为振动、冲击、摩擦、火焰作用而发生爆炸，具备良好的抗电性、抗爆性、抗冲击性和抗水性，性能稳定良好。传爆过程中，只能看到管内闪光，管体并不会破裂，具有操作简单、可靠性高、成本低、使用方便等优点。

导爆管起爆系统［8～9］由激发元件（含控制单元、储能单元及专用起爆针）、传爆元件（导爆管）、起爆元件（雷管）和联结元件组成，激发元件应向专用起爆针（两根漆包铜丝按照特殊工艺保持绝缘互相缠绕形成的两根放电尖端）提供的瞬间脉冲点火电压≥1600V、瞬间放电总能量 ≥25mJ，通过瞬间输出脉冲高压使得起爆针末端放电产生爆轰波［10］，进而引爆导爆管及雷管网络。

3 起爆电路设计

根据导爆管的性能和技术参数可知，起爆导爆管基本的激发条件为控制电路向专用起爆针提供≥1600V的脉冲点火电压及 ≥25mJ的瞬间放电能量，起爆电路［11～13］的框图如图1所示。

图1 导爆管起爆电路框图

电路框图表明，导爆管起爆电路由升压电源模块、常闭继电器、储能电容、高压检测模块组成，被控制对象为专用起爆针及导爆管。各组成部分的作用为:升压电源模块负责将外部接口输入电路板的12V直流电压升高到1600V以上，给储能电容提供充电电压；常闭继电器默认是接通充电回路，收到控制信号后切换接通放电回路；储能电容负责充电蓄能，用于给专用起爆针提供脉冲高压起爆能量以产生爆轰波；高压检测模块负责采样检测升压电源模块是否有高压输出，若检测到高压输出、则向控制单元输出高电平信号。工作原理为当控制单元收到“高压充电”命令后，12V电源进入导爆管起爆电路板并经升压电源模块并产生高压给储能电容充电蓄能，同时控制高压指示灯常亮发出光告警。当控制单元收到“起爆”命令时，控制常闭继电器吸合接通放电回路，储能电容瞬间放电产生高压脉冲，并在起爆针末端形成爆轰波引爆导爆管，起爆完成后将不再向导爆管起爆电路板输入12V电源。

为保证起爆的可靠性，电路设计中将点火电压脉冲幅值设定为2000V，升压电源模块型号为DW-P202-5CW74（12V转2000V）。继电器需耐高压大电流，选择能承受40A大电流的Q91F-1Z。根据起爆能量计算出储能电容为1uF/2000V，精度为1%。高压检测模块的核心为LM193比较器。基于Cadence软件设计的起爆电路原理图如图2所示。

图2 导爆管起爆控制电路原理图

图中12V+、12V-为电路的12V输入直流电压信号，升压电源模块M1通过满量程100K的电位器Rp1调节输出电压值Vo为2000V。通过四个串联电阻R04、R05、R06、R07对2000V分压并取R04两端电压作为参考电压与12V+信号比较，若参考电压高于12V+，则该比较器向控制单元输出接近5V的高电平信号TEST_H，否则输出低电平。由于继电器为常闭，默认情况下接通充电回路，即只要M1输出2000V电压，储能电容C1立即开始充电，当控制单元下发起爆控制信号时，BOM1端子输出低电平信号，光电耦合器IC2导通，继电器吸合接通放电回路，储能电容C1将储存的能量瞬间释放，通过插座XS1在起爆针末端形成爆轰波引爆导爆管。

4 实物样机技术验证

将四路导爆管的起爆电路集成到1块PCB［14］上，经过PCB制板、元器件焊装、三防处理等步骤后加工形成的导爆管起爆电路样机如图3所示。将样机进行板级调试后，部分输出通道用导线连接专用起爆针、导爆管，未连接导爆管的通道连接耐高压的示波器用于监测输出端口的高压脉冲波形，准备工作完成后开始通电实施起爆测试，并详细记录了起爆结果。

图3 导爆管起爆控制电路板

5 实验结果及数据分析

整理起爆后的测试结果如表1所示。

表1中可以看出导爆管起爆电路产生的起爆脉冲能量充足，由于电容放电时两端电压逐渐下降，故示波器监测到脉冲幅值在1.5s内由2000V降低到1600V起爆界限值，能在起爆针末端形成爆轰波，并进一步引爆导爆管。由于导爆管传爆速度极快，有限较短长度的导爆管基本看不到闪光移动，管外部均不会发生破裂，起爆现象符合实际情况。

由于导爆管基于高压脉冲起爆，在起爆瞬间通过示波器可观测到在起爆针周围辐射产生了多次振荡且幅值较大的干扰电场信号，当控制单元离起爆针距离较近时，偶尔会造成控制单元内的单片机受辐射和串扰信号影响复位重启，经统计发现重启率约为3%左右。经过2000次反复试验验证发现，当控制单元距离起爆针距离 ≥1m时，可使辐射和串扰信号极大衰减，不会造成单片机复位重启。在整机设备工程研制阶段，应考虑在起爆针和设备对外起爆接口之间增加点火电缆，且电缆长度 ≥1m，可有效避免上述控制单元受干扰重启问题。

表1 导爆管起爆电路测试结果

6 结语

根据对导爆管特性的认识，本文进行了电路原理图设计并进行了PCB制板，通过对样机进行起爆性能测试，测试结果表明导爆管起爆电路设计合理，满足导爆管起爆要求，对导爆管起爆控制设备的总体研制、多套起爆设备协同工作和该类火工品的使用具有重要的参考和借鉴意义。