沖擊波超壓測試在工程領域特別是軍工領域有著重要的作用[1]。沖擊波超壓測試系統主要用于以燃料空氣炸彈以及激光制導炸彈為代表的各種火箭彈、航空炸彈等大裝藥量彈藥的現場靜爆空氣沖擊波測試，同時它也可以應用于常規兵器毀傷效能的技術指標測試[2-5]。

1 總體方案設計
    沖擊波超壓測試時沖擊波場中存在電磁場干擾和超高壓，環境溫度最高時達2 600℃左右[6]。在這樣惡劣的環境下要想保證測量系統可靠工作，必須將電路、觸發控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在耐高溫高強度的保護的鋼殼內，鋼殼內灌封上蠟，將傳感器的敏感面露在外面感受被測量壓力；然后將整個測試裝置放入測試環境中，信號被記錄下來并存儲在存儲器內，記錄完畢后回收測試裝置。
    本測試系統主要由以下幾部分組成:傳感器、信號調理電路、A/D轉換器與存儲電路、中心控制電路、通信設備和計算機等。測試系統原理框圖如圖1所示。

2 存儲測試方法
    單獨的單片機控制難以實現高速運行，而單獨采用CPLD控制功耗較大且邏輯復雜。
    本文設計的存儲測試方法采用單片機與CPLD共同控制的模式，使用兩片閃存交替工作組成數據存儲器，滿足了沖擊波測試高采樣頻率和大容量記錄的要求。單片機控制測試系統向閃存發出寫入、讀取、擦除操作的命令并進行工作狀態的轉換，CPLD控制高速數據采樣轉換和轉換完畢后數據的緩存。這樣的設計充分利用了單片機功耗低、邏輯簡單、CPLD速度高的優點，提高了測試系統的可靠性和穩定性。使用CPLD對外部晶振分頻后的信號作為A/D轉換的時鐘，這樣得到的信號穩定且占用芯片資源少。
    被測物理量經過傳感器后轉換為電信號。電信號經調理電路調理后CPLD以1 MHz的采樣頻率采集并將數據交替存入兩片Flash中。
2.1 觸發電路
    超壓場對人體殺傷判據的依據是操作人員控制處的沖擊波超壓應小于0.03 MPa，距爆炸中心的距離一般為幾百米[7]。若使用引線電測試法，需要布設長距離的電纜。由于測試環境的惡劣、沖擊波破壞性大，現場固定和保護要求高，造成布線非常不方便。
    本測試系統觸發電路采用內觸發和外觸發兩種觸發同時進行。
    外觸發采用光觸發技術，炸彈爆炸時的閃光信號通過光電轉換電路觸發系統。光電轉換電路的光電器件選擇2DU型硅功率光敏二極管，將光信號轉換成電信號，結合外圍電路組成光電轉換電路。光電轉換電路如圖2所示。

    內觸發通過無線模塊手動控制無線控制平臺以廣播的方式發出觸發信號。
    無線模塊選用SZ-05系列ZigBee無線數據通信模塊。ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內、低速率傳輸的無線通信技術，主要具有功耗低、成本低、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性好等特點[8]。
　    ZigBee無線系統可組成星型、網狀以及簇狀結構[9]。為保證觸發信號的同步性，本系統采用星型結構，即一個中心節點與多個無線傳感器從節點相互通信的組網方式。引爆前計算機通過中斷方式給出觸發信號，無線主機接收到中斷信號后以廣播方式發送。無線從機接收到信號后輸出相應指令，進行判斷、執行和參數設置，完成對存儲測試裝置的觸發控制。
2.2 負延時與低功耗
　由于測試時間較長,為了滿足測試要求并降低功耗，測試過程中設計了負延遲和低功耗兩種狀態。
　負延時實現原理：將兩片閃存存儲總容量分為兩個部分，測試系統未觸發時，數據被循環記錄在第一個部分，舊的數據不斷被新的數據替換；當系統觸發后，負延時計數器開始計數，數據被存儲在第二部分。第一部分記錄的是系統觸發之前的數據，第二部分記錄的是系統觸發之后的數據。記錄完畢后系統進入休眠狀態，等待讀數和擦除。負延時功能可以將觸發前的一段信息保存，從而得到完整的超壓測試曲線，以保證數據的完整性。記錄完畢且數據擦除后測試系統處于低功耗狀態，低功耗狀態下單片機控制關掉模擬電路電源，數字電路處于休眠狀態，有效降低了功耗。
2.3  Flsah存儲電路
      存儲芯片采用兩片三星公司生產的NAND型閃存存儲器K9F4G08OM，單片容量為512 MB。NADA結構閃存的特點是：以頁為單位進行讀和編程操作，以塊為單位進行擦除操作[10]。
　由于閃存存在較長的頁編程時間，編程時無法對其進行操作，為了在高速數據轉換情況下不丟失數據，并進一步提高存儲容量，采用兩片閃存芯片交替工作組成數據存儲器，總存儲容量擴大為1 GB。
    采用寫滿一頁數據后，判斷此頁是否為該塊的最后一頁，如果是則擦除下一塊的數據。采編頻率為320 kHz，編碼為16 bit，存儲器為byte模式，寫滿一頁的2 048個單元需要時間3.2 ms。一塊地址單元的擦除時間最大需要2 ms，加上系統命令最大耗時0.5 ms，對一頁數據編程需要0.7 ms，總的時間不會超過3 ms，能滿足循環寫的要求。
　　A/D輸出為12 bit，閃存的數據線為8 bit，轉換得到的數據先進入CPLD轉化為2組8 bit數據，使數據位數匹配。對A片發出命令后，A片進行編程時對B片寫入數據，反之相同，這樣提高了測試系統的數據處理速度，滿足了測試要求。數據存儲如圖3所示。

3 傳感器選擇
    傳感器是測試系統的一個重要組成部分[11]。爆炸沖擊波的壓力信號變化一般在微秒量級，因此對傳感器的動態性能要求較高[12]，對某典型爆炸信號進行的頻譜分析如圖4所示，爆炸信號在62 460 Hz以后幅度幾乎可以忽略。
    目前，可以考慮用來進行沖擊波壓力檢測的傳感器主要壓電式和壓阻式傳感器。壓電式傳感器的諧振頻率比較低，輸出阻抗比較高，需要經過電荷放大器進而變換為阻抗較低的電壓信號。由于周圍的環境因子可能會降低絕緣阻抗，使信號產生漂移。連接傳感器和電荷放大器的電纜、接頭需要很高的絕緣性。壓阻式傳感器具有較高的諧振頻率。但是，壓阻式壓力傳感器的光效應太強，爆炸產生的強火光會嚴重干擾壓力測試信號[11]。
    經綜合考慮,傳感器選擇型號為CA-YD-205T的壓電式壓力傳感器，這種傳感器的特點是：大沖擊加速度傳感器，底部安裝螺紋M5，重量輕，溫度特性好。傳感器主要性能指標：
　壓力范圍：5×106 Pa
   過載能力：120%
   參考靈敏度：0.000 090 8 pC/Pa
　自振頻率：≥100 kHz
　非線性：≤1 %FS
　絕緣電阻：≥1013 Ω
　工作溫度：-40~250 ℃
4 系統硬件設計
4.1 信號調理電路
    信號調理電路由三部分組成：電荷放大器、儀表放大器和低通濾波器。   
    由前文可知壓電傳感器輸出的信號為電荷信號,不便于進行處理和存儲，所以需要使用電荷放大器把電荷信號轉化為電壓信號，放大倍數根據公式計算得出。在時間域，放大倍數可以近似為1/C2。如圖5所示。

4.2 A/D轉換器
    根據圖4對典型被測信號的頻譜分析研究得出結論：被測信號的頻率在60 kHz以下。根據香農采樣定理，原則上使用120 kHz的采樣頻率即可實現對被測信號的采集。系統為了更好地對被測信號進行采集，留出了一部分余量，編程設置將采樣頻率設定為500 kHz。因此本系統選用了高速、低功耗、逐次逼近的12位A/D轉換器AD7492，它可在2.7 V~5.25 V的電壓下工作，其數據通過率高達1 MSPS。它內含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器,它可以處理高達10 MHz的寬頻信號。
5 實驗結果
     該系統對某TNT藥柱的爆炸沖擊波進行了多點測試，分別測量距爆心14 m和19 m的沖擊波超壓值，捕獲數據完整可靠。圖8為距爆心14 m沖擊波超壓值， 圖9為距爆心19 m沖擊波超壓值。

    與傳統的引線測試系統相比，沖擊波超壓存儲測試系統具有體積小、功耗低、穩定性高、抗干擾性強的優點,可嵌入爆炸現場實時完成沖擊波超高壓測試，特別適宜于惡劣環境下大范圍多測點的沖擊波測試試驗場合。本測試系統為武器系統的爆炸威力評價提供了可靠有效的測試手段。
參考文獻
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