应用于炮口冲击波的生物表面压力测试系统

陈学文，赖富文，牛博怀,高 赫,王文廉

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点试验室， 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点试验室， 太原 030051；3.中国人民解放军63853部队， 吉林 白城 137000)

1 引言

火炮作为现代军事的主要武器装备之一，研究炮口冲击波对人体的损害对操作人员的健康防护具有重要意义。目前国内关于炮口冲击波生物效应的研究还较少，一般是通过解剖试验动物，从生理学角度分析冲击波对各器官的损伤[1-2]。

为获取生物效应试验中靶标动物所受冲击波压力的数据，可将存储测试技术应用于生物效应试验中。现有的炮口冲击波测试系统一般只针对火炮连发测试的冲击波信号采集[3-5]，而生物效应试验中多个损伤部位压力数据同步采集、试验装置安装不便的问题未得到解决。经调查，相关研究人员在冲击波生物毁伤试验中基本没有能够在生物体表面对冲击波压力进行直接测量，而是近似地将附近测点的冲击波压力作为靶标动物所受压力[6-8]，这种间接测量方式所得的数据不能够准确地评估冲击波的毁伤效应。本文针对冲击波生物效应试验的需求，设计了一种可穿戴的多通道多重触发式炮口冲击波测试系统，实现了对生物体表面各部位所受冲击波压力的直接测量。

2 炮口冲击波生物效应特征

火炮类武器通常处于连续射击状态，而人体在火炮连续射击中所受冲击波损害明显具有叠加效应，炮口冲击波对人体的损伤阈值也会有所下降[9]。炮口冲击波测试系统应具有多重触发功能，避免单次触发的测试装置在连续测试中需要不断上下电导致的效率低下问题。

炮口冲击波对人体最普遍的伤害是听力损伤，此外有试验研究表明，炮手长期经受炮口冲击波可能会造成上呼吸道、肺部和胃肠道损伤[10-11]。听器的损伤主要为鼓膜充血、出血，严重时造成鼓膜穿孔；肺是冲击波致伤的重要靶器官，肺部损伤主要表现为肺出血；上呼吸道对冲击波也较为敏感，上呼吸道损伤主要表现为喉头与气管的点状出血[12]。为研究试验动物各部位于炮口冲击波作用下的受力情况，测试系统需具有多个传感器通道，以实现对多个部位冲击波压力数据的同步采集。

3 可穿戴冲击波压力测试系统

3.1 整体方案

针对炮口冲击波生物效应试验的需求，设计的测试系统具有以下特点：具有多重触发功能可满足火炮连发测试；具有多个传感器通道能同时采集多个部位的冲击波压力数据；系统小型化，可对生物体表面压力进行直接测量。

测试系统原理如图1所示，系统由多个微型压力传感器、多通道转换电路、数据采集存储电路、上位机组成。本测试系统以FPGA为控制核心，使用了多路模拟开关与高速A/D转换器构成的分时复用的多路采集架构，将试验动物身上4个部位的冲击波压力信号采集到测试系统中，SDRAM在FPGA的控制下划分出64个存储区间实现了4个通道16次触发的数据存储。测试装置与上位机之间通过433 M无线模块进行信息交互，在上位机软件中可实现对测试装置的远程监测与控制。

图1 测试系统原理框图

3.2 传感器与调理电路

为实现对生物体表面压力的采集，首先要考虑压力传感器的类型。一般的压力传感器如陶瓷压电传感器、压阻式硅压力传感器大多都是体积较大的圆柱形，不适宜安装在生物体表面。本测试系统选用了一种薄片型的压阻式压力传感器，传感器的安装如图2所示，微型压力传感器两个一组粘贴在腰带上以便固定在实验羊的颈部、腹部等部位。

图2 微型压力传感器的安装位置示意图

该微型压阻式压力传感器具有结构坚固、灵敏度高的特点，测量范围为0～344.8 kPa。该传感器的厚度为0.76 mm，直径为6.35 mm，具有高过载能力、高频响应的特点，适合瞬态、窄脉宽的冲击波信号的测量。由于其体积很小，可以通过简易方法安装在各种微小曲面和狭窄表面上，故将该传感器应用于冲击波生物效应试验中，实现对生物体表面压力的直接测量。

由于该传感器为表压式压力传感器，其零位输出不为零，同时每个传感器的灵敏度也不相同，各传感器的零位输出差异经过仪表放大器放大后导致了多通道测试系统的基线不统一，这一问题影响了测试系统触发电平的设置，增大了多通道数据处理与比较的难度。针对这一问题，测试系统设了一种自适应的基线调节电路。

为了提高基线调节的精度，由两个数字电位器构成了粗调+细调的调节电路。系统选用非易失性的数字电位器X9C103，其共有100个档位。在FPGA控制下，数字电位器1在0～2.5 V的范围进行粗调，调节精度为25 mv；数字电位器2在数字电位器1的输出电压基础上浮动0～100 mv，调节精度为1 mv。基线调节的过程首先是比较传感器的零位输出与预设基线，该值默认为1 V也可以根据情况在上位机软件中设置，然后将两者之差ΔV除以粗调精度得到数字电位器1的档位，再将余数除以细调精度得到数字电位器2的档位。传感器基线调节电路如图3所示。

图3 传感器基线调节电路示意图

3.3 关键技术

3.3.1 多重触发技术

分析炮口冲击波测试的特点可知，试验过程中测试系统需连续记录多个瞬态信号，为了更灵活地利用存储空间以记录更多有效数据，测试系统采用与无线技术结合的多重触发技术。433 M无线模块是基于IEEE 802.15.4g标准的高频射频模块，具有传输距离远的优势，其传输距离于开阔地可达 5 km，符合炮口冲击波测试中对远程控制及监测的需求。基于远距离的无线技术，测试系统具有远程参数设置、远程复位、系统状态监测等功能。如图4所示，测试系统能够在火炮连续射击中，采集并存储多次射击的炮口冲击波，然后在上位机软件中完整显示。

图4 火炮连发冲击波测试示意图

多次触发测试流程如图5所示，进行炮口冲击波试验时，火炮每发射1枚炮弹，触发测试系统记录1次，然后转为待触发状态；当火炮再发射1枚炮弹时，再作1次记录，直到测试系统内全部存储空间被占满。在测试过程中，试验人员可以随时通过上位机监测系统的触发状态和触发次数，根据具体情况进行远程控制，选择是否进行参数更改或系统复位。

图5 多重触发系统流程框图

本测试系统具有最多16次的触发次数和4个传感器通道，故测试系统需要能够存储最多64条冲击波压力曲线的数据。测试系统将SDRAM划分出64个存储区间，在每个区间内都要完成循环写入、触发、地址记录等步骤。每次触发测试系统会写入4个存储区间，触发结束则转到下一组存储区间，重复存储过程。

3.3.2 小型化安装设计

生物效应试验的目标对象一般是活体动物，在冲击波生物效应试验中测试装置的安装较为繁琐，因此设计一种可穿戴式结构以简化试验准备工作的操作。要使测试系统能够安装于试验动物身体表面，首先需要实现测试系统的小型化。山羊是冲击波试验中常用的靶标动物，体长一般在56～60 cm，市面上常见的通用信号采集仪器的尺寸一般较大，长宽可达20～30 cm，体积与重量都不适合直接在试验动物身体表面进行数据采集。

本系统从芯片选型和PCB设计两方面实现测试系统的小型化。测试系统的A/D转换器选用AD7482，芯片尺寸为9 mm×7 mm；存储芯片选用MT48LC8M16 A2，芯片尺寸为8 mm×16 mm。为了进一步减小电路的面积，测试系统采用6层PCB的设计，在测试系统的PCB设计中，通过对器件紧凑性与线宽线距之间平衡的把控，尽可能地缩减了PCB板的面积，实现了多种功能的高度集成。

测试系统采用模块化的设计，由一块主板将多个模块连接到一起，模块经规划分布在主板的两面，缩小了测试系统电路的整体面积。测试系统的外部结构采用以光敏树脂为材料的3D打印外壳，总体尺寸为72 mm×115 mm×28 mm，树脂外壳在保证测试系统在炮口冲击波测试环境中的可靠性的前提下，缩减了系统整体体积与重量，测试系统整体重量为284 g，便于安装在试验动物上且不会对试验有所影响。测试系统的穿戴式结构如图6所示，主要结构为两条腰带，每条腰带上具有两个安装传感器的导线孔，固定好压力传感器后，腰带式的结构可以简便地安装在实验动物的头颈部、腹部等测试部位，两两一组的传感器可以测得各部位受冲击面与背面的冲击波压力。

图6 可穿戴式结构示意图

4 试验与结果分析

4.1 试验方案

为了验证多通道多重触发式存储测试系统的可靠性，在靶场进行了炮口冲击波生物效应的实弹测试，试验现场布置示意图如图7，火炮射击角度为25°，试验羊以站立姿势固定在支架上，位置距炮口的地面投影直线距离为8.3 m。试验羊右侧腹部面向炮口，压力传感器分别固定在试验羊的颈部正面、颈部背面、腹部正面及腹部背面，各部位压力传感器距地面约为0.6 m。

图7 试验现场布置示意图

4.2 试验数据与分析

弹丸出炮口后，膛内的高温高压气体在炮口周围膨胀会产生第1次峰值，若条件适宜此高温高压气体还可能发生燃爆现象产生第2次峰值。图8、图9可以明显看到压力曲线具有2个超压峰值，是典型炮口冲击波，数据很好地反应了炮口冲击波的衰减规律。如表1所示，两次射击的冲击波特征值相近，测试结果符合预期。

图8 第1次压力测试数据曲线Fig.8 First test data

图9 第2次压力测试数据曲线Fig.9 Second test data

表1 2次测试的冲击波压力特征值

5 结论

设计了一种可穿戴式的多通道冲击波测试系统，通过小型化的结构设计与微型传感器的应用实现了对生物效应试验中试验生物体冲击波表面压力的直接测量。测试系统具有多个传感器通道能够同时采集试验动物体表各部位的冲击波压力数据；多重触发功能与无线技术的结合，满足了火炮连发测试的需求，同时减小了试验操作的工作量，提升了试验效率。经过现场实弹测试，测试系统具有安装与操作简便、数据准确完整、使用灵活、稳定可靠的特点，解决了在炮口冲击波生物效应试验中冲击波压力数据不准确与试验布置及操作繁琐的问题，在冲击波测试领域具有良好的应用前景。