艦用動爆振動記錄裝置的設計與應用*

丁永紅，尤文斌，張晉業

(1中北大學電子測試技術重點實驗室，太原 0 30051;2中北大學信息與通信工程學院，太原 0 30051;3晉西集團技術中心，太原 0 30027)

0 引言

掌握爆炸沖擊對艦船結構的破壞作用，為艦船抗爆炸沖擊的設計提供幫助[1]。艦船及其設備的抗沖擊能力是艦船生命力和戰斗力的重要組成部分，也是衡量艦船戰術技術性能非常重要的指標[2]。對于梁、板等較簡單的基本構件，已能較精確的預估出最大殘余變形[3]。而對工程中較復雜的結構，尤其是艦船結構中廣泛采用的加筋板結構，理論分析尚處于初步階段[4－5]，目前研究多采用 ABAQUS、ADINA、DYTRAN等有限元分析程序進行數值方法[6]。當前關于水下爆炸對船體結構影響的文章較多，而采用實彈動爆船體結構振動參數測量的報道很少。文中采用存儲測試的方法記錄動爆過程中船體結構的振動參數。

1 總體方案設計

測試系統的結構框圖如圖1所示，由安裝在測試點的探測頭、遠端備份模塊、控制單元模塊、傳輸數據的光纖、傳輸控制信號的電纜組成。探測頭具有實時采集存儲測試點的振動信號能力。實彈測試中，為避免船體沉沒后不易打撈，探測頭的數據在甲板備份。探測頭將采集轉換后的數字信號經串行化處理后經光纖傳輸給遠端的備份模塊存儲。存儲電路在控制單元的作用下，使存儲采集電路在觸發前循環采樣，存儲器中始終保持最新的1MB的數據。觸發信號到來后，順序記錄4MB的數據后進入低功耗。為了使各個測點具有統一時間基準信息，控制單元的觸發信號同時作用各個探測頭。

圖1 總體框圖

2 電路設計

2.1 探測頭設計

探測頭存儲測試電路的結構框圖如圖2所示。探測頭由加速度傳感器、適配電路、A/D變換器、CPLD、單片機、Flash存儲器、光電轉換接口組成。存儲電路每通道采樣頻率500kHz，分辨率12bit，記錄容量5MByte。加速度傳感器選用隔離型加速度計CAYD-111GM，量程為20000g。輸出的電荷信號在傳感器的輸出端就近轉換成電壓信號，避免電荷信號經導線傳輸引入的干擾。

圖2 探頭框圖

探測頭的機械結構如圖3所示。加速度傳感器和存儲電路安裝在一起，傳感器與外殼剛性連接，并采用灌封材料將電路傳感器固定。采集存儲電路與外界連接的光纖接頭、航空接頭布置在鄰近的外殼里，采用柔性材料固定，起到減振、屏蔽的作用。

圖3 探測頭結構

2.2 觸發控制設計

圖4 觸發控制框圖

觸發控制由探測頭與控制單元兩部份組成，如圖4所示。探測頭能接收控制單元發送的觸發記錄信號，同時探測頭將測試信號與設定的電平比較得到的內觸發信號發送給控制單元模塊。控制單元模塊通過檢測探測頭的觸發信號和斷線信號作為判斷觸發是否到來。當64個探測頭中大于等于3個探測頭輸出內觸發有效，或者斷線觸發控制連線斷開，同時經3次檢測連續有效，控制單元輸出觸發信號觸發所有探測頭及備份模塊。圖5為檢測探測頭觸發控制的CPLD程序仿真圖。

圖5 探測頭觸發控制仿真圖

3 現場試驗及數據分析

探測頭布置在船的龍骨和艙壁上，其中布置在龍骨上裝置如圖6所示。探測頭通過螺栓與船的龍骨剛性連接。實驗結束后，船體沉沒，備份單元丟失。在經過2個月后船體打撈上岸，從船艙中取出探測頭，讀取了記錄的加速度響應曲線，數據捕獲率達到91%。

圖7(a)、圖7(b)分別為探測頭在艙壁和龍骨上獲取的加速度響應曲線。圖7(c)、圖7(d)是分別對圖7(a)、圖7(b)中曲線進行FFT變換得到的頻譜。比較圖7(c)、圖7(d)的頻譜可知，在艙壁和龍骨上獲取的加速度曲線頻譜在20kHz以下部分相似，在25～40kHz區間，艙壁上的頻譜有較大的分量，而龍骨上這部分分量很低。

圖7 沖擊振動曲線

圖6 安裝照片

4 結論

采用甲板觸發控制單元控制探測頭統一觸發，采集存儲電路在測試點記錄加速度信號，并通過光纖實時傳送到甲板的備份單元的記錄儀能有效記錄動爆過程中船體結構的加速度信號。記錄儀能有效防水、抗電磁干擾、抗沖擊、長時間保存數據。

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