光觸發電子測壓器的設計*

溫星曦，李新娥*，王美林(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

光觸發電子測壓器的設計*

溫星曦1，2，李新娥1，2*，王美林1，2
(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

針對現有采用內觸發方式的殼體電容式電子測壓器，裝配過程中殼體電容易受干擾，從而造成誤觸發或不觸發等問題;同時為了獲取火炮膛內壓力場信息，需要進行膛內多點壓力測試，但用內觸發方式時間機制難以統一，由此提出了基于爆炸場光信號外觸發測壓器的設計，通過改造測壓器的端蓋，設計可靠的光觸發電路，利用爆炸場光信號作為采樣觸發信號，將處理過的與壓力信號有關的電信號進行采集并存儲到單片機flash中。經模擬實驗，該光觸發測壓器能夠準確觸發，為解決現有測壓器容易誤觸發，獲取膛內多點壓力等問題提供了可行的方案。

測壓器;光觸發;光電轉換;多點壓力

火炮膛內動態壓力是火炮在研發、設計和驗收時的重要參數之一［1］，但先前研制的殼體電容式電子測壓器采用內觸發方式，對標準電容與殼體電容的匹配程度要求非常高，匹配不當容易造成觸發范圍比較小或不觸發等問題，同時由于在裝配過程中電路內筒容易發生傾斜，使殼體電容初值發生變化［2］，而這極易造成誤觸發現象，致使實驗失敗，獲取不到正常的膛壓數據。而且目前的電子測壓器只能測得某一點膛底壓力，膛內壓力場分布信息至今尚不明確，所以，為了獲取膛內不同位置的壓力，進而獲得壓力場信息，有必要進行多點壓力的測試，但目前測壓器都是采用的內觸發，采用內觸發不能保證不同位置的測壓器同時觸發，時間機制難以統一，由此提出了基于爆炸場光信號的外觸發測壓器的研制。

1 整體方案的設計

1.1 系統結構

火藥在炮膛內燃燒爆炸時會產生瞬態高壓和火光，同時炮膛內會產生劇烈振動。光觸發電子測壓器通過爆炸場光信號觸發采樣存儲，記錄膛內壓力信息。它主要由傳感器、電路模塊、電池、光窗、高強度殼體、光電轉換模塊以及紅外通信模塊組成。光電傳感器通過光窗接收到光信號經放大處理后送至單片機P2.5管腳，系統響應這個中斷后，開始采集膛壓信號存儲到FLASH中，測試完成后通過紅外接口模塊讀取數據，經過上位機專用軟件處理得到膛壓P-t曲線［3］。外觸發系統結構框圖如圖1。測試儀最外部是高強度的保護殼體，它能夠耐高溫、高壓、高沖擊，對電路起保護作用，同時與內筒一起組成壓力電容傳感器。測試儀上端蓋是高強度光窗，以便爆炸場光信號的傳輸以及上位機與紅外接口模塊通訊的需要。

圖1 外觸發系統結構框圖

1.2 測壓器的改進

首先，在原有測壓器［4］的面板位置增加高效可靠的光電轉換電路模塊，使傳輸過來的光信號轉換為電信號。其次，為實現外部光信號與系統內部電路的傳遞。需要改造原有測壓器的端蓋，即在測壓器的端蓋上開設一個光窗，所采用的光窗能夠承受高溫高壓高沖擊等惡劣環境，而且更重要的是透光率高，同時采用特殊的封接技術，如釬焊封接、壓力封接、高溫熔封等［5］，保證光窗與測壓器端蓋有效定位密閉配合，防止存在漏氣的風險，以免對保護殼內的電路等內部部件造成損壞，圖2即為經過改進的端蓋部分的示意圖。其中1為高強度殼體，2為光窗，3為光電器件，4為面板。最后，由于光窗封接后不能打開，所以把測壓器的后端蓋設計成可拆卸結構，便于測壓器的充電與維修。

圖2 經改進后的端蓋示意圖

1.3 光電轉換電路的設計

實現基于光信號外觸發的關鍵是光信號的捕捉、有效傳輸和光—電信號的可靠高效轉換以及系統控制電路的工作。用光做媒介的觸發方式的缺點是:一般情況下，光信號只能傳遞很小的功率，所以必須對轉化后的電信號進行相應的放大、濾波、降噪等處理，以達到觸發系統采集存儲所需要的信號要求。所以，光電器件的選擇和光電轉換電路的設計是實現系統正常工作的重要環節。光電轉換模塊需要選擇合適的光電器件。根據已有文獻，火藥燃燒產生的光信號主要以可見光為主，波長范圍比較大，持續時間短，瞬時變化很大［6］。為此選擇了北京敏光科技有限公司LSSPD-SMDBlue1.5光敏二極管，它的響應波長為300 nm～1 250 nm，峰值波長為940 nm，靈敏度為0.5 mA/MW［7］，由此可以看出，可以滿足火藥燃燒的光譜范圍，同時LSSPD-SMDBlue1.5PIN型硅光電二極管，體積微小，大小為1.5 mm×1.5 mm，很適合的安裝在測壓器面板上，基于此所設計的光電觸發電路如圖3所示。

圖3 光電觸發電路

該光電轉換電路中A1運算放大器可以將光電檢測器件產生的微弱光電流通過相應的電路轉換為電壓信號［8］，同時其后連接另一個低噪聲主放大器A2，目的是將光電探測器件的微弱電信號進行放大，使后置處理電路與探測器件之間的阻抗相匹配［9］。在實驗室環境下，利用可燃物燃燒的光照射到光電器件上，對此光電轉換電路進行了模擬實驗，得到如圖4所示的波形，信號的上升時間為微秒級，并且可產生2.3 V左右的電壓。

圖4 光電電路調試波形

由于MSP430x4xx系列單片機工作電壓3.3 V時，管腳響應電平在1.5 V～2.0 V，根據MSP430 F G4618芯片資料［10］，P2.5口可以在1.5 V的條件下便可響應中斷，使系統進入觸發態，進行FLASH儲存，同時根據LSSPD-SMDBlue1.5光敏二極管的芯片資料可以看到該光敏二極管在工作電壓為5 V，入射光波長為940 nm條件下，產生的光電流與輻照度Ee呈線性關系。根據所設計的光電電路可以計算出該光電二極管接收的光輻照度理論值Ee為4 MW/cm2，而爆炸場光強遠遠大于可燃物燃燒的光強。由此說明了該光電電路產生的電壓幅值以及火藥爆炸的光強可以使系統有效觸發進行采集存儲。而且經過理論計算，火藥燃燒的光信號從到光敏器件開始時刻到系統觸發的時間Tz總和小于膛壓傳遞和作用的時間Ty，即Tz＜Ty，而此條件是壓力測試儀能夠正常觸發獲取完整膛壓p-t曲線的關鍵之一。

由此可以看出:該光電電路保證了在膛壓作用到傳感器之前，系統能夠準確及時觸發，為基于爆炸場光信號外觸發測壓器的設計可行性提供了依據。

1.4 測量電路與邏輯控制時序

在瞬變微小電容測量電路中，設計了一個與電容傳感器電容值Cy相匹配的標準電容Cs，設計2個完全相同的恒流源分別對待測電容Cy和標準電容Cs進行充電［11-12］，如圖5所示，通過充放電小電容測量電路將火炮膛壓作用引起的傳感器電容信號的變化轉換為電壓信號的變化，在相同的時間內，電容值決定了電容兩端的充電電壓，故兩電容兩端充電電壓由于傳感器電容值和標準電容值的不同而不同，兩電容兩端電壓經過電路的差分放大后，由單片機完成采集和存儲。采集存儲電路將電壓信號采集并存儲到單片機內部的FLASH中，由此完成了與膛壓信號有關的電信號的采集與存儲。

主從單片機組控制該測量電路的邏輯時序，它分別產生電容的充放電信號CON、采數時間標志信號ADT以及采數脈沖信號PWM，具體設計為使用單片機Timer_B模塊的增計數模式，通過調節CCRx的值，便可以產生所需要的邏輯控制時序，如圖6所示。

圖5 瞬變微小電容測量電路

圖6 測量電路的邏輯時序

充放電信號CON控制模擬開關斷開和閉合，以達到控制電容充電和放電的目的。模擬開關斷開，電容兩端的電壓處于線性上升階段;模擬開關閉合，電容兩端的電壓以指數規律放電至零電壓。根據設計要求，CON信號的頻率為100 kHz，占空比為90%。時間標志信號ADT的上升沿觸發了采數脈沖信號PWM方波電平變化。在理想的設計中，總希望充電時間盡量長，最好為9μs，但在本系統過程中，從第9μs開始，電容兩端電壓將以指數形式放電。為了避免ADC出現錯誤的采樣，本設計中，ADC將在充電8μs后開始采樣轉換，這個時間的標志即為ADT信號。采數脈沖信號PWM是占空比為50%的方波，當PWM方波信號的上升沿到來后，單片機主機進入相應中斷服務程序:啟動一次ADC并進行數據存儲。單片機從片響應采數脈沖信號PWM的下降沿進入中斷服務程序進行ADC采樣及數據存儲。

1.5 紅外通訊模塊

本系統選用的紅外收發器為SHARP公司生產的GP2W0116YPS，該紅外接發器是具有功耗低，抗干擾能力強，輸入靈敏度高的特點。它支持紅外Ir-DA1.2的標準，數據傳播速率2.4到115.2 kbit/s，該收發器由一個光電二極管，紅外線發射器和控制IC封裝而成。同時MSP430FG461x系列的單片機內部集成了編解碼器，可以將要發送的異步串行二進制代碼轉換成3/16歸零碼以及接收的3/16歸零碼轉換成二進制代碼，基于此紅外收發器的電路設計如圖7所示

圖7 紅外傳輸電路

為了實現系統與上位機之間的數據傳輸，在接收端也應該有這樣一個可以實現數據碼制轉換的編解碼器，本系統選用惠普公司生產的HSDL-7001編解碼器，在需要讀取數據時，測試系統將存儲的二進制數據經過內部編碼成3/16歸零碼通過紅外收發器發送出來，此時接收端的收發器將接收到的3/ 16歸零碼的數據發送給HSDL-7001編解碼器，經過解碼后數據送給USB接口轉換芯片，通過USB2. 0接口將數據傳送到計算機，由此完成了測壓器與上位機的通訊。

2 測試系統軟件設計

火炮壓力測試儀主要以TI公司生產的MSP430系列單片機為系統控制器，將設計的軟件嵌入電路模塊，實現對系統的自動控制，從而完成系統運行狀態轉換、觸發、采集、存儲以及和上位機通信等工作。

為了實現壓力測試儀基于光信號準確可靠地觸發，根據改造之后壓力測試儀的結構和硬件電路設計，設計了基于光信號的外觸發狀態轉換圖。圖8即為基于爆炸場光信號的外觸發狀態轉換圖。它包含了①接通電源態，②延時上電態，③待觸發態，④觸發態，⑤等待讀數態，⑥讀數態。

上述各狀態即是完成一次壓力測試的狀態轉換過程。根據系統要求和上述狀態過程設計了如圖9所示的系統軟件整體流程圖。

圖8 外觸發系統狀態轉換圖

圖9 所示的系統軟件整體流程圖

3 測試驗證及數據分析

模擬膛壓發生器利用發射藥快速燃燒產生壓力的同時，產生瞬間的高溫高沖擊以及電磁場等，這些環境都與實炮環境相當，因此模擬膛壓發生器產生的壓力能夠很好的模擬火炮膛壓［13］。由于采用了光觸發。在安裝測壓器做模擬實驗時要保證測壓器光窗位置恰當，使其能盡早接收到光信號，從而觸發工作，保證測試信號的完整。圖10為某次模擬膛壓所測得P-t曲線。

由圖10可以看出，該光觸發電子測壓器能夠有效觸發，可以記錄完整的膛壓曲線。

圖10 模擬膛壓所測得P-t曲線

4 結束語

光觸發電子測壓器的設計，實現了用爆炸場光信號去觸發測壓器的的工作，避免了內觸發容易誤觸發等問題，同時為獲取膛內多點壓力，研究火炮膛內壓力分布信息提出了設計思想與研究方法。

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［13］何強，馬鐵華，張瑜，等.存儲式電子測壓器應用環境下動態校準［J］.中國測試，2009，35(1):43-45.

溫星曦(1989-)，男，漢族，河南寶豐人，中北大學碩士研究生，主要從事動態測試與智能儀器研究，wenxingxi89 @163.com;

李新娥(1971-)，女，漢族，博士，教授，主要研究方向為動態測試與智能儀器，lixine@nuc.edu.cn;

王美林(1986-)，女，漢族，山西省大同人，中北大學碩士研究生，主要研究方向為動態測試與智能儀器，598846794@qq.com。

Design of Light Trigger Electronic Manometer*

WEN Xingxi1，2，LI Xin’e1，2*，WANG Meilin1，2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

For currentshellcapacitive electronic manometer，the shellcapacitance is easily disturbed during assembling in internal trigger mode.This issue may cause error trigger during measuring.In order to analyze the cannon breech pressure，there is a need for multi-pointpressure test.However，the time is difficultto unity in internaltrigger mode.We designed a reliable external trigger manometer which is based on the explosion field optical signals.In this design，We transform the end cover of manometer，design a reliable light trigger circuit.We use the explosion field light as the trigger signal，gather the processed signal which is related to the cannon breech pressure to store in the MCU flash.signal will be related to the pressure signal processed by the electrical signals are collected and stored in the microcontroller in the flash.The simulation experiments show that the light trigger pressure measuring device can trigger accurately.So this design provides a feasible scheme for the acquisition ofmultipointpressure signal in cannon breech.

manometer;optical trigger;photoelectric conversion;multi-point pressure

TN06;TJ3

A

1004－1699(2014)05－0591－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.004

項目來源:重點實驗室基金(04011007)

2014-02-20

2014-04-15