基于PCB壓電傳感器的小型沖擊波存儲測試系統(tǒng)*

梁 頔，馬鐵華*，劉一江，梁志劍，秦珍珍

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

基于PCB壓電傳感器的小型沖擊波存儲測試系統(tǒng)*

梁 頔1，2，馬鐵華1，2*，劉一江1，2，梁志劍1，2，秦珍珍1，2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

針對沖擊波超壓測試存在的問題，設(shè)計(jì)了一套小型沖擊波存儲測試系統(tǒng)。系統(tǒng)選取了美國PCB公司的壓電傳感器，并針對此傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電荷放大器，放大器和濾波器。系統(tǒng)以FPGA為核心驅(qū)動外圍AD和FIFO完成數(shù)據(jù)采集。對關(guān)鍵時序采用Modelsim軟件進(jìn)行了仿真。使用該系統(tǒng)對某爆炸20 m處的沖擊波超壓信號進(jìn)行了檢測，并給出了波形。

存儲測試;沖擊波;FPGA;modelsim

沖擊波超壓峰值是衡量各類彈藥毀傷威力的重要技術(shù)指標(biāo)，所以對于沖擊波超壓峰值的準(zhǔn)確檢測顯得尤為重要。在爆炸環(huán)境之中，環(huán)境比較惡劣，對于此情況下沖擊波壓力信息的獲取十分不易。沖擊波超壓數(shù)值模擬方法經(jīng)常采用。［1-6］引線電測法是目前沖擊波超壓的主要測量方法，它精確性高，也能夠計(jì)算沖量，但是它布線繁雜，測試前必須有所準(zhǔn)備，而且成本也相對較高。［7-10］為了解決此問題本文設(shè)計(jì)了一套微型化的沖擊波存儲測試系統(tǒng)，系統(tǒng)以FPGA為主控芯片，以自適應(yīng)的采樣頻率對沖擊波壓力信號進(jìn)行獲取。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測量沖擊波壓力信號，測試系統(tǒng)需要埋于地下。測試系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)都被金屬外殼包裹，測試系統(tǒng)埋于地下，傳感器和觸發(fā)二極管露出金屬外殼。測試系統(tǒng)工作時，爆炸前測試系統(tǒng)以最高采樣頻率，將數(shù)據(jù)都實(shí)時存入FIFO并在FIFO中空轉(zhuǎn)，但并不往FLASH存儲器中寫入。爆炸時爆炸的強(qiáng)光使光電二極管感受強(qiáng)光，觸發(fā)測試系統(tǒng)并將FIFO中的數(shù)據(jù)以同樣高的采樣頻率存入FLASH。采用這樣的設(shè)計(jì)方案可以使存儲測試系統(tǒng)能夠采集并存儲觸發(fā)之前的一部分信息，因此這部分的設(shè)計(jì)被稱為負(fù)延遲系統(tǒng)。存儲完畢之后，整個系統(tǒng)自動處于低功耗狀態(tài)，等待外部接口讀取信息。

圖1 測試系統(tǒng)工作示意圖

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 壓力傳感器選型

測試系統(tǒng)的壓力傳感器采用美國PCB公司的壓電傳感器PCB113A22型壓電傳感器。此種傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍為6.9 kPa～34 500 kPa，線性度%FS≤1，諧振頻率≥500 kHz，上升時間≤1μs。沖擊波的上升時間為微秒(μs)量級，文獻(xiàn)［11］又對此種傳感器的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，此種傳感器可以滿足對于沖擊波信號檢測的要求。

1.2 電荷放大器設(shè)計(jì)

由于傳感器是壓電傳感器輸出成容性，因此需要對此種傳感器設(shè)計(jì)電荷放大器來使傳感器輸出的微小的電荷量轉(zhuǎn)化為電壓變化，為后續(xù)的信號處理和記錄創(chuàng)造條件。電荷放大器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電荷放大器原理圖

1.3 二級放大電路的設(shè)計(jì)

二級放大電路用儀表放大器INA128，INA128的輸入阻抗很大，對前級的影響很小。放大倍數(shù)滿足，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4所示的電路圖中Rg為51 K，因此二級放大電路的放大倍數(shù)接近于2。

圖4 二級放大電路

1.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)

因?yàn)楸粶y沖擊波信號有一定的帶寬，為了提高儀器的信噪比儀器中需要設(shè)計(jì)一個低通濾波器。設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 二階低通濾波器

集成運(yùn)放采用OP4340集成運(yùn)放，引入“虛短”和“虛斷”以后運(yùn)放的正端的電平

在Uz點(diǎn)處的電流滿足

上式中R是5.1 kΩ的電阻，C是1 nF的電容。

式(1)～式(3)聯(lián)立可以得出

由上式的傳遞函數(shù)可以得出二階低通濾波器的幅頻和相頻特性如圖6所示。

幅頻特性的半功率點(diǎn)的頻率為23 kHz，濾波器的截止頻率為23 kHz。

1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過模擬調(diào)理電路后的信號需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而后對其進(jìn)行存儲。采樣頻率原則上滿足采樣定理即可，即采樣頻率大于等于原信號不失真最大高頻分量頻率的兩倍。本文的AD轉(zhuǎn)換器選取為AD7492，編程設(shè)置采樣頻率為100 kHz。

AD轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖7所示。

圖6 二階低通濾波器幅頻特性

圖7 AD轉(zhuǎn)換器原理圖

FPGA只需按100 kHz的時序給CONVST管腳控制AD轉(zhuǎn)換頻率。當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)后，數(shù)據(jù)存儲完畢，F(xiàn)PGA控制TC管腳拉高，使AD轉(zhuǎn)換器停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換器的控制邏輯圖如圖8所示。

圖8 AD轉(zhuǎn)換器控制邏輯圖

圖8中和D觸發(fā)器相連接的模塊為分頻時鐘產(chǎn)生模塊，采樣頻率的實(shí)現(xiàn)由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，CONVST為啟動A/D轉(zhuǎn)換器的信號。采樣頻率給定電路的時序如圖9所示。圖9中第一行信號為8 M的系統(tǒng)時鐘。

圖9 A/D轉(zhuǎn)換器采樣時序圖

1.6 FIFO的控制邏輯及時序

在A/D轉(zhuǎn)換完成后系統(tǒng)要將數(shù)據(jù)實(shí)時存入高速FIFO中等待抽取，邏輯實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

圖10 FIFO控制邏輯圖

圖10中rst為復(fù)位信號，noten為控制FIFO讀寫的信號允許位，ADCRD為FIFO的寫信號線，busy為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后的信號線。A/D轉(zhuǎn)換完成以后，busy信號由低變高，電路產(chǎn)生125 ns的FIFO寫信號。圖9的FIFO控制邏輯用Modelsim仿真后如圖11所示。

圖11 實(shí)時存入FIFO時序圖

圖11中第1行的clk是FPGA系統(tǒng)的8 M時鐘。第2行的busy信號為AD7492轉(zhuǎn)換完成的輸入信號。第3行的m2信號為FPGA內(nèi)部分頻產(chǎn)生的2 M的時鐘。第5行的adcrd為FIFO的寫信號。第7行的noten信號為FIFO的片選信號。AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，F(xiàn)IFO的片選使能，然后產(chǎn)生125 ns的寫信號。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

使用設(shè)計(jì)好的測試系統(tǒng)對某爆炸沖擊波信號進(jìn)行檢測后，對一個單獨(dú)的測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，20 m處沖擊波超壓信號如圖12所示。

如圖12所示系統(tǒng)可以捕獲觸發(fā)前的完整數(shù)據(jù)，證明系統(tǒng)的負(fù)延遲電路運(yùn)行完好。對于爆炸過程中沖擊波信號的變化趨勢，系統(tǒng)的采集也趨于完美。得出在13.02 ms處，沖擊波信號的超壓峰值為0.434 MPa。

圖12 某爆炸20m處的超壓曲線

與引線測試系統(tǒng)相比，存儲測試系統(tǒng)可以更加方便、高效地嵌入與被測信號相同的惡劣環(huán)境中工作。它功耗低、可靠性高、經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明:它的數(shù)據(jù)捕獲成功率可以達(dá)到95%以上，可以為多種彈藥的研制和實(shí)驗(yàn)提供可靠的評估依據(jù)。

［1］屈康康，閆石聚，劉洋，等.爆炸沖擊波在長直坑道和復(fù)雜坑道內(nèi)傳播規(guī)律的對比研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2011，28(4):434 -438.

［2］高軒能，劉穎，王書鵬.基于LS-DYNA的大空間柱殼結(jié)構(gòu)爆炸波壓力場分析［J］.振動與沖擊，2011，30(9):70-75.

［3］龔順風(fēng)，夏謙，金偉良.近爆作用下鋼筋混凝土柱的損傷機(jī)理研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2011，45(8):1405-1410.

［4］盧紅琴，劉偉慶.空中爆炸沖擊波的數(shù)值模擬研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31(19):105-108.

［5］賈憲振，胡毅亭，董明榮，等.基于ANSYS/LS-DYNA模擬水下爆炸沖擊波的等效質(zhì)量法［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2008，28(3): 159-162.

［6］張亞軍，徐勝利.中心內(nèi)爆引起的圓柱殼流固耦合問題數(shù)值模擬［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，37(1):6-12.

［7］陳昌明，李建平，白春華.一種新的沖擊波超壓測試方法-壓力響應(yīng)膜片［J］.中國水運(yùn)，2013，13(1):104-106.

［8］杜紅棉，祖靜.無線沖擊波超壓測試系統(tǒng)研究［J］.火力指揮與控制，2012，37(1):198-200.

［9］王代華，宋林麗，張志杰.基于ICP傳感器的存儲式?jīng)_擊波超壓測試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(4):478-482.

［10］董冰玉，杜紅棉，祖靜.基于無線控制的沖擊波超壓測試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(2):279-281.

［11］杜紅棉，祖靜.常用沖擊波壓力傳感器動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32(4):214-216.

A Small Stored Measurement System for Shock Wave Based on PCB Sensor*

LIANGDi1，2，MA Tiehua1，2*，LIU Yijiang1，2，LIANG Zhijian1，2，QIN Zhenzhen
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Considering the deficiency ofmeasuring method for shock wave，a small stored measurement system for shock wave is designed.A PCB piezoelectric sensor is used in the system.The charge amplifier，amplifiers and filters is designed for the PCB piezoelectric sensor.The peripheral AD and FIFO are driven by FPGA to accomplish the data acquisition.The critical timing simulation is done on the Modelsim software.The system is selected tomeasure a shock wave signal at20 m，and the waveform is drawn.

storagemeasurement;shock wave;FPGA;modelsim

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.028

TP212.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0119-04

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50730009)

2013-04-14修改日期:2013-05-06

EEACC:7230

梁 頔(1989-)，女，北京人，碩士研究生，主要從事動態(tài)測試與儀器方面的研究，lyqc.2008@163.com;

劉一江(1987-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事智能控制、動態(tài)信號獲取與實(shí)時處理等方面的研究，yi9jiang@163.com。

馬鐵華(1964-)，男，教授，1996年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)科獲博士學(xué)位，2001年被評為博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任信息與通信工程學(xué)院副院長、民盟中北大學(xué)主委，是電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動態(tài)測試研究方向負(fù)責(zé)人、山西省委聯(lián)系的高級專家。主要研究方向是動態(tài)測試與傳感技術(shù)。近年來取得省部級科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)、獲國家發(fā)明專利1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文68篇，其中被SCI、EI和ISTP收錄19篇;