低功耗瞬態火炮膛壓存儲測試儀設計*

馬英卓，祖 靜，張 瑜

(中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

火炮膛壓數據是分析內彈道和裝藥結構合理性、炮彈各部件強度設計、炮架強度和剛度設計、炮彈外彈道初速預測以及發射藥性能的基本依據。各種不同口徑的火炮在完成整體裝配和全火炮系統靜態動能調試后，都需在出廠前進行射擊試驗以檢驗其動態性能[1－2]。如何實時實況地獲取火炮系統在發射過程中的動態參數，是火炮研制單位和測試技術研究單位尤為關心的問題。目前國外已有幾家公司研制出了放入式的電子測壓器，如奧地利AVL公司、HPI公司等。進口的電子測壓器可以滿足中、小口徑火炮膛壓測試的要求，但價格非常昂貴，且其利用定時器倒計時開啟采樣電路的設計對進行測試試驗的現場組織性要求很高，操作不夠靈活，不利于推廣使用。

基于上述原因，利用動態存儲測試技術研制了一種低功耗、微小體積的內置式瞬態火炮膛壓存儲測試儀。此瞬態膛壓存儲測試儀可放入藥室中隨火炮的發射直接測量膛壓變化信號，無需改變炮彈的本身結構，具有自供電，掉電保持數據等特點，測試精度高，可重復使用，并且設計了智能上電技術，大大減小了系統功耗，提高了保溫試驗中的使用可靠性，廣泛適用于大、中、小口徑火炮的膛壓測量。

1 瞬態膛壓存儲測試儀設計

1．1 系統構成

瞬態膛壓存儲測試儀由殼體、壓電式壓力傳感器、電路模塊、智能倒置開關、電池、緩沖結構構成。壓電傳感器是在Kistler公司訂制的石英高壓傳感器，具有體積小、精度高、工作溫度范圍寬的優點，能夠測量0 bar～6000 bar范圍的壓力。電路模塊包括模擬適配電路、電源管理電路、外部高頻晶振、控制電路、通信電路。其中控制電路以高集成度的MSP430xG46x單片機做核心，包含12 bit的ADC和116 kB的內部FLASH。智能倒置開關為系統上電控制器件。電池為專門訂制的帶過充、過放、過流保護功能的聚合物鋰電池，能夠耐高低溫、抗沖擊和振動，可重復多次使用。圖1是瞬態膛壓存儲測試儀的系統構成示意圖。

圖1 瞬態膛壓存儲測試儀系統構成示意圖

1．2 工作原理

進行膛壓測量時，石英壓電傳感器通過感知壓力變化輸出相應的電荷信號;模擬適配電路將電荷信號轉換成電壓信號輸入給單片機，單片機內部的OA對微小電壓信號進行放大，放大倍數根據量程可選;ADC對放大信號進行采集并存儲到內置FLASH中，記滿50KW的膛壓信號后停止采樣。采樣結束后，通過紅外通信接口或串轉USB接口將數據傳輸給上位機進行數據分析。

此內置式存儲測試儀完全采用無接觸式控制，采樣量程、觸發閾值、采樣頻率等工作參數的設置以及數據讀取都采用紅外通信技術，并且儀器能夠自動記錄使用壽命，實現了智能化控制和無接觸式操作，降低了用戶的使用難度，增強了儀器的可靠性。

2 系統低功耗設計

根據國軍標和試驗勤務的需要，在進行火炮發射試驗前，常需要對彈藥進行2～3天的保溫，內置式瞬態膛壓存儲測試儀需固封在藥室中隨彈進行保溫，并且測試儀的體積不能超過藥室容積的2．5%。嚴格的體積要求限制了電池容量，為解決有限的電池容量和長久工作時間的矛盾，必須降低系統的整體功耗，以保證其能順利完成火炮膛壓的測量。

2．1 器件選擇

選擇低功耗的貼片器件是降低系統功耗、減小電路體積的有效措施。針對復雜的測試環境，對存儲測試系統的主要器件進行了篩選。表1列出了主要器件的電氣參數和封裝體積。器件的表貼封裝結合印制電路板的合理布局，電路模塊體積可做到僅為 0．358 cm3。

表1 主要器件篩選信息

2．2 智能倒置開關

智能倒置開關是瞬態膛壓存儲測試儀中重要的電源控制器件，是存儲測試儀能夠實現隨彈保溫試驗的關鍵器件。此智能倒置開關以數字加速度計為核心器件，可通過感知三軸重力值來判斷方向的變化，從而控制系統上電。帶有防抖動延時功能，可通過I2C總線與控制電路進行數據傳輸。較傳統倒置開關降低了80%的功耗，減小了97%的體積，將抗沖擊能力提高在10 000 gn以上，大大增強了存儲測試儀的使用性能。

智能倒置開關內置于瞬態存儲測試儀中，正式試驗前隨存儲測試儀放入火炮藥室中隨彈保溫。此時為節省能源關閉系統模擬電路、存儲電路和通信電路，僅開啟智能倒置開關，單片機進入超低功耗態。在火炮準備發射前5 min，利用翻彈機旋轉彈丸，使彈丸姿態處于非常規姿態(彈丸前端朝下)0．5 min以上，智能倒置開關判斷z軸重力值在此連續時間內都小于－0．8gn，則發出開啟命令使能各功能模塊，使存儲測試儀進入循環采樣狀態。

防抖動延時功能和智能判斷功能可識別外界動作的類別，防止彈丸在運輸過程中由于車輛顛簸或人為誤操作導致的誤上電現象。智能倒置開關的運用使膛壓存儲測試儀在連續保溫3天后仍有足夠的電量進行火炮發射時的膛壓測量，提高了儀器的工作可靠性。圖2顯示了智能倒置開關z軸所受的重力值與擺放姿勢的關系。

圖2 智能倒置開關z軸所受重力值與擺放姿勢的關系示意圖

2．3 電源管理設計

為保證供電可靠性和靈活性，瞬態膛壓存儲測試儀采用數字電路和模擬電路分別供電方式，由電源管理芯片LP5996SD提供兩路獨立、穩定的2．8 V電壓。存儲測試儀在值更狀態僅為數字電路提供電源，并在采樣狀態開啟模擬適配電路的電源。這種電源分支管理方法可消除無用的損耗，避免不用的器件一直消耗電量，降低功耗同時提高了工作的穩定性。

特別訂制的聚合物鋰離子電池不僅在體積上輕巧，還具有單體容量大、壽命長、工作溫度范圍寬等優點，為膛壓存儲測試儀在高溫、常溫、低溫下正常工作提供了保障。

2．4 系統時鐘選擇

CMOS電路中工作電壓和時鐘頻率對系統整體功耗的影響較大[3－4]。在本系統中，時鐘主要提供給單片機控制電路，MSP430單片機功耗與時鐘頻率的關系如式(1):

由式(1)可知MSP430單片機系統選擇最高8M時鐘頻率時的功耗是最低時鐘頻率時功耗的8倍以上。為降低晶振對電流的消耗，在系統對時鐘要求不高的情況下選擇MSP430內部的DCO(數控振蕩器)做系統時鐘，在系統高速采樣和通信的時候選擇外部高頻晶振做系統時鐘[6]。圖3是瞬態膛壓存儲測試儀系統時鐘源隨工作狀態切換的示意圖。

圖3 瞬態膛壓存儲測試儀工作狀態與系統時鐘源對照示意圖

3 抗沖擊設計

3．1 防護結構設計

瞬態膛壓存儲測儀在測試環境中要承受高壓、高沖擊的作用，為保護內部電路和傳感器等敏感元件，設計了國中國防護機構。即選用高強度材料做外部殼體，并用能很好分散受力的筒形鋼殼單獨保護核心電路模塊。殼體材料選用超高強度的馬氏體時效鋼，具有兩千兆帕以上的屈服強度和抗拉強度，并經過熱處理達到額定強度，保護整體測試系統不受損壞。

3．2 護膛環設計

護膛環是具有高硬度的環形鋼體，套在膛壓存儲測試儀最外部殼體的前、后端，車有螺紋，可靈活更換。在火炮發射時，膛壓存儲測試儀會受到氣體的沖擊而碰撞藥室壁，護膛環阻擋了機械碰撞對傳壓端面的傷害，進而保護了壓力傳感器。圖4是殼體外形設計的三維效果圖。

圖4 外形三維效果圖

3．3 緩沖技術

環氧樹脂凝固后具有高強度、高硬度、絕緣的特點，運用真空灌封工藝和環氧樹脂將電路模塊固封在內部筒形鋼殼中，避免電路在高沖擊過載作用下因灌封材料塑性變形造成的導線崩斷、焊盤脫落等損害，還可以防止焊點之間的短路，能夠大大增強電路的抗沖擊能力[7－8]。同時在電路模塊和傳感器的不同部位放置緩沖墊和青稞紙，能夠有效起到緩沖、隔熱、絕緣的作用[9]。

4 模擬應用環境下的校準

為保證瞬態膛壓存儲測試儀的測試精度，需進行模擬應用環境下的準靜態校準試驗，得到膛壓存儲測試儀的動態靈敏度[10]。

模擬應用環境下的準靜態校準系統由模擬膛壓發生器、標準傳感器、電荷放大器、多通道數據采集卡和數據處理系統構成?；ハ嗥ヅ涞臉藴蕚鞲衅骱碗姾煞糯笃鞫冀涍^兵器工業集團204所溯源。模擬膛壓發生器能夠產生幅值在120 MPa～800 MPa的壓力，可對膛壓存儲測試儀進行高溫、常溫、低溫下的準靜態校準試驗。校準時，將被校存儲測試儀同標準傳感器一同安置在模擬膛壓發生器中，膛內壓力同時作用在其上，采集卡將采集到的電壓信號傳輸至計算機中進行處理，當標準測試系統兩兩間相關系數均在0．999 7以上，可認為標準測試系統受到同一壓力源的激勵[11]。當標準測試系統的標準偏差估計值不大于標準測試系統的誤差判定值時，則認為試驗壓力值可做為靈敏度計算值。在同一溫度環境下進行不同壓力值的多次試驗，利用最小二乘法擬合采集的數據，得到動態靈敏度直線方程y=ax+b。

表2是常溫下3#瞬態膛壓存儲測試儀動態靈敏度直線方程計算值與實測數據的對比。從表中可看出，動態靈敏度直線方程得到的壓力值與實測值相差較小，在0 MPa～3 MPa以內，瞬態膛壓存儲測試儀誤差范圍滿足國軍標要求。

表2 3#瞬態膛壓存儲測試儀動態靈敏度直線方程計算值與實測數據對比表(常溫)

5 實測結果

5．1 實測功耗分析

根據國軍標GJB2973A—2008的要求，膛壓存儲測試儀上電前等待的時間不小于72 h;循環采樣、等待觸發的時間在常溫和高溫下不小于4 h，在低溫下不小于1 h;等待讀數的時間不小于1 h。對20個瞬態膛壓存儲測試儀進行不同溫度環境下的靜態測試并記錄不同狀態下的功耗，根據式(2)

計算常溫(25℃)、高溫(+55℃)、低溫(－40 ℃)下的系統總功耗 PC、PH、PL為:

內置電池在常溫和高溫下容量為45 mAh，低溫下容量為33 mAh。由計算數據可以看出，內置式瞬態膛壓測試儀完全能夠勝任不同溫度下的保溫試驗。

5．2 實測膛壓曲線

利用模擬膛壓發生器對瞬態膛壓存儲測試儀進行動態測試。具體操作時，將裝配好的瞬態膛壓存儲測試儀與銅球測壓器一同放入模擬膛壓發生器中，點燃黑火藥引燃發射藥，產生模擬的膛壓信號[12]。膛壓存儲測試儀采集并記錄此壓力信號后，取出其與上位機相連，讀取數據可分析火藥燃燒過程中壓力的變化規律。圖5是所測的壓力曲線，兩條壓力曲線的峰值分別是384．6 MPa和423．8 MPa，相應的銅球測壓器所測壓力分別為386．8 MPa和425．2 MPa，兩種方法測得的壓力值具有較好的一致性。上升時間分別為3．23 ms和3．87 ms，脈寬分別26．8 ms和31．2 ms，從圖中可看出:所測的膛壓信號完整，曲線平滑，符合內彈道設計和國軍標的要求。

圖5 膛壓測試曲線

6 結論

數據顯示，通過對系統主要器件的合理選型，并運用多種電源管理技術和系統時鐘交換方法，在保證測試精度和可靠性的前提下有效地降低了存儲測試系統的整體功耗，很好地解決了存儲測試儀工作時間短的瓶頸。此瞬態膛壓存儲測試儀體積小于22 cm3，測壓范圍0 MPa～600 MPa，能夠測試 57 mm口徑以上的火炮，使用靈活方便，對火炮內彈道研究、身管設計等提供了重要的參考價值。

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