無線量測系統在大當量靜爆測試中的應用

郭士旭，陳晉央，周會娟，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

無線量測系統在大當量靜爆測試中的應用

郭士旭，陳晉央，周會娟，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

大當量靜爆威力試驗中待測物理參數多、傳感器布設區域廣、人員安全距離遠，給引線電測系統和存儲測試系統帶來諸多困難。該文研制基于WI-FI的爆炸效應無線量測系統，由數據采集儀、無線組網設備等組成。數據采集儀具備信號調理、數據采集和存儲、無線通信、高精度同步等功能；無線組網設備支持802.11n/ac協議，發射功率高，內置高增益定向天線。通過大當量靜爆威力試驗驗證系統的可靠性。整個系統能夠實現遠程無線管理、多設備高精度同步采樣、數據高速率無線傳輸、大范圍分布式布設，可提高靜爆威力測試效率。

爆炸效應測試；無線量測系統；時鐘同步；分布式組網測試

0　引　言

爆炸效應參數的測量一直是爆炸研究和應用中十分重要的問題，準確的爆炸效應參數測試是工程防護研究、武器彈藥研制、毀傷效應評估等領域的重要基礎和技術支撐。大當量爆炸效應參數測試中，測試參數種類較多、測試區域范圍大、干擾因素多、人員安全距離達幾百米甚至幾千米，這些給現有的引線電測系統和存儲測試系統帶來極大挑戰［1-3］。隨著無線通信技術的發展，用于爆炸效應測試的無線量測設備不斷出現，文獻［4-6］提出了基于Zibgee的無線測試系統，但傳輸速率較低，無法滿足爆炸效應參數測試中大數據量的實時或“準實時”傳輸需求，此外分布式布設時，難以集中管理與統一控制。文獻［7-8］提出基于WI-FI技術的沖擊波無線測試系統，每臺設備一個通道，采用支持802.11b/g協議的無線通信模塊和組網設備，傳輸速率和無線通信距離更適合爆炸效應測試需要。文獻［9］改進了網絡拓撲結構，并采用支持802.11n協議的無線通信模塊和組網設備，進一步提升了無線測試系統的傳輸速率和覆蓋范圍，但適配電路只針對ICP壓電傳感器，此外布設多個無線測點時，并沒有給出有效的同步策略。

本文分析了爆炸效應測試中，無線量測系統應具備的特性，在爆炸效應存儲測試系統基礎上，結合WI-FI無線通信技術，研制了爆炸效應無線量測系統，并通過大當量靜爆試驗證了該系統的有效性、便捷性和可靠性。

1　無線量測系統總體方案

大當量靜爆威力測試對測試系統提出了很高的要求［10］，無線量測系統必須滿足以下特性：

1）適調電路能夠滿足爆炸效應測試中多種參數的測試需要；

2）采集儀響應速度、工作頻帶和采樣頻率應能滿足沖擊波壓力等瞬變信號的測試要求；

3）試驗區域大，傳感器布設分散，此外測試人員撤離的安全距離較遠，無線網絡覆蓋范圍、通信距離和傳輸速率應滿足遠程調試、參數配置、測試數據回傳的需要；

4）多臺數據采集儀可聯網工作，而且確保采樣時間的高精度同步。

研制的無線量測系統由測試PC、數據采集儀和無線組網設備等組成，無線組網設備包括無線AP（access point）和無線網橋，整個系統工作示意如圖1所示。溫度、壓力、加速度、應變、位移等傳感器，布設在爆心周圍，分別通過短線纜連接數據采集儀；數據采集儀有8通道、16通道、24通道3種型號，采取防護措施后，放置于爆心附近位置；無線AP用于對測試區域的無線覆蓋，每臺無線AP覆蓋一片區域，該區域內的數據采集儀通過內置的無線網卡接入無線網絡；無線網橋用于數據的遠距離傳輸，最終各子網絡數據通過千兆交換機匯集傳輸至測試PC。

圖1　無線量測系統爆炸效應測試示意圖

2　數據采集儀設計

數據采集儀采用存儲測試原理按照模塊化思想進行設計，包括信號適配模塊、采樣模塊、數字處理模塊、系統管理模塊和供電模塊。內部信號流如圖2所示，傳感器將待測參數轉化為電信號，通過信號調理電路完成信號的適配放大，抗混疊濾波器的截止頻率比信號的最高主要頻率略高，從而保證后端經過采樣過程信號不發生混疊現象。通過模數轉換芯片完成模數轉換，工控機和FPGA作為數字處理器，完成了采樣控制、通信接口控制、采樣后數據在DRAM中的緩存和在FLASH中永久存儲等工作，同時底層處理器需要處理響應觸發電路的觸發信號、上位機命令和衛星導航系統提供的同步時鐘，進而控制整個存儲測試系統的工作狀態。其中，無線通信模塊采用支持802.11n/ac協議的Wi-Fi無線網卡（mini-PCI接口），為測試PC和數據采集儀之間提供數據、命令交互的通信鏈路。數據采集儀采用衛星授時，確保多臺數據采集儀大范圍分布式布設時工作在統一的同步時鐘基準下，選用的衛星接收模塊1PPS同步秒脈沖精度20ns，實際性能分析與測試表明多臺數據采集儀同時工作時，時鐘同步誤差小于100ns。

圖2　數據采集儀內部信號流圖

為減少數據采集儀與傳感器間的線纜，數據采集儀布設位置距爆心較近，因此在結構設計時不但要考慮通風散熱、防塵防水等特性，還應著重考慮抗沖擊、防爆炸顆粒物的特性。為此，針對每種型號數據采集儀，專門進行了隔震與防護罩設計。加裝隔震措施的數據采集儀在SY11型氣壓驅動垂直沖擊碰撞試驗臺上進行沖擊試驗，沖擊脈寬10～15ms，輸入荷載達1300ms-2時，數據采集儀工作正常，隔震率可達77%以上。

利用標準信號源對數據采集儀電壓測量誤差進行分析。電壓測量誤差來源主要包括直流標準電壓的最大允許誤差、數據采集儀測量重復性引入的測量誤差、數據采集儀AD量化精度引入的測量誤差、工作環境引入的測量誤差等。直流標準電壓分辨力為1μV，最大允許誤差±0.000 8%；重復性條件下獨立測量1，5，10V各10次，利用貝塞爾公式分別計算標準偏差，最大相對標準偏差為0.014%；數據采集儀電壓量程（-10V，10V），AD量化位數為16bit，假設分辨力引入的測量誤差在（-0.5×LSB，0.5×LSB）內服從均勻分布，則量化精度引入的測量誤差為0.0005%；工作環境引入的誤差忽略不計。因此數據采集儀電壓測量誤差0.028%。數據采集儀整體技術指標如表1所示。

表1　數據采集儀主要指標

3　無線通信網絡組建

無線組網設備物理層的編碼與調制方式的不同決定了傳輸速率大小，然而接收信號的強度直接影響到物理層的調制方式和編碼方式的選擇。隨著距離增加，無線AP設備的信號強度和數據采集儀Wi-Fi無線網卡的信號強度均迅速降低，無線AP設備到數據采集儀的下行速率往往較高，但數據采集儀到無線AP設備的上行速率受距離因素影響大。

為此，無線量測系統中，通過提高無線組網設備的發射功率、選用高增益天線、規劃無線信道、組建多個無線子網絡等措施確保無線覆蓋范圍和數據傳輸速率滿足爆炸效應測試需求，無線網絡拓撲結構如圖3所示。無線AP支持802.11n協議，無線網橋支持802.11n/ac協議，兩者發射功率500 mW，采用MIMO雙極化天線，天線增益27dbi。一個無線子網絡包括一臺無線AP和兩臺無線網橋，無線AP與無線網橋A通過網線（RJ-45）連接，安裝于測試現場周邊；無線網橋B安裝于測試人員所在的安全區域，與無線網橋A實現點對點通信，兩者確保天線對準，中間無遮擋；多個子網絡時，無線網橋B通過網線與千兆交換機連接，實現各子網絡的融合；此外，相鄰多個子網絡可共用一臺無線網橋B。

無線AP設備工作在2.4GHz頻段，無線網橋設備工作在5.8GHz頻段，通過現場測試無線信道擁堵情況，進行無線信道規劃，確保各無線組網設備信道不交疊。每個無線子網絡通信指標如表2所示。爆炸效應測試中，可根據傳感器布設規模，確定無線子網絡劃分個數。此外，無線信號在傳輸過程中，樹木、建筑等障礙物會吸收、反射信號，引起信號的衰減和多徑傳輸，從而造成信號的衰落，因此應根據爆炸試驗場地的地形、周圍環境規劃好無線組網設備的布設位置以及架設高度，一般組網設備收發天線架設的高度要滿足障礙物不超過菲尼爾區［11］的40%。

表2　無線子網絡通信指標

4　測控軟件設計

測控軟件包括在測試PC上運行的服務器軟件和在數據采集儀底層工控機上運行的客戶端程序，兩套軟件采用統一接口、協議進行消息通信。測試PC和數據采集儀之間采用客戶端/服務器（Client/Server）的網絡模型，客戶端和服務器之間采用UDP協議的Socket通信機制，通過網絡廣播消息和向指定IP設備發送消息兩種形式進行數據通信。

工控機是測試PC與數據采集儀底層電路交互的平臺，客戶端程序主要功能是消息處理，即將數據采集儀發送的上行消息和測試PC發送的下行消息進行接收、解析、封裝、發送，實現測試PC對底層設備的管理、數據存儲、無線接入等功能。

服務器程序實現無線量測系統與用戶間的交互，通過發送配置參數和控制命令控制整個無線量測系統，完成數據采集儀自動檢測識別、采集參數設置、采集模式選擇、命令下發、數據回傳、數據圖形顯示處理、采樣過程控制、信號分析等功能。服務器程序工作流程如圖4所示。

圖4　服務器程序工作流程

5　測試實例

某次化爆試驗中，沖擊波壓力傳感器、沖擊加速度傳感器、結構位移傳感器安裝于距爆心徑向15，20，25，30m區域內的效應靶標（鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土墻）上，通過短線纜（10m和20 m兩種）接入數據采集儀。傳感器按照規范要求，在某計量測試站利用φ100mm激波管動態壓力校準裝置、沖擊加速度測量標準裝置、位移傳感器校準裝置分別對壓力傳感器、加速度傳感器和位移傳感器進行了校準。按圖3組建1個無線子網絡，無線AP和無線網橋A距爆心160m，離地高度3m，無線網橋B和測試用PC距爆心直線距離2 000 m，如圖5所示。數據采集儀加裝隔震措施和防護罩后，放置于距爆心25 m的溝槽內，用沙袋墻進一步防護，如圖6所示。

圖5　無線組網設備布設圖

圖6　數據采集儀布設現場

測試用PC在現場接入無線通信網絡進行調試，無線通信網絡、數據采集儀工作正常，之后人員撤離至2000m外的安全區域，遠程監測無線量測系統狀態，采用示波模式（采樣頻率20kS/s以下）實時觀察噪聲干擾情況，確定正常后，遠程設置采樣頻率、采樣長度、觸發方式、信號調理參數等。爆炸結束后，數據采集儀回傳數據正常，無線傳輸速率在42.5～47.8Mb/s。

部分測試數據見圖7～圖9，較好反映了沖擊波作用下結構的振動響應。圖7為某塊鋼筋混凝土墻上的沖擊波壓力測試波形，出現兩個壓力峰值是由于反射沖擊波在入射沖擊波衰減時到達所致［12］，此外破片、土石打在效應靶標上，對沖擊波壓力流場會有一定影響；壓力波形未歸零，原因是傳感器處于爆炸場火球區，傳感器受高溫影響，出現漂移所致。通過進一步分析其他壓力、加速度、結構位移等參量的測試數據，上升沿時間、峰值、持續時間真實反映了大當量靜爆沖擊波的傳播規律，測試數據有效。

圖7　沖擊波壓力波形

圖8　結構沖擊加速度波形

圖9　結構位移波形

6　結束語

無線量測系統在存儲測試系統基礎上結合無線傳感器網絡技術和設備封裝防護技術，適用于各種規?；囼灥谋ㄐ獏禍y試，與有線電測系統、存儲測試系統和現有的其他無線量測設備相比，本系統具有以下特點：

1）數據采集儀測試通道有8通道、16通道、24通道3種類型，適合大型化爆試驗中傳感器數量多的測試需要。

2）無線數據傳輸速率高、無線通信距離遠，縮短了有線線纜，減少了測試準備工作量，此外測試人員在幾千米外的安全區域可遠程監測和控制測試系統運行狀態。

3）多臺數據采集儀組網測試時，同步精度高，各臺數據采集儀的同步誤差在100ns以內。

4）采取了隔震和防爆炸飛散物的防護設計，大當量靜爆試驗中，在距爆心較近的距離內工作狀況良好。

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（編輯：莫婕）

Application of wireless measurement system for explosive effect test in large equivalent static burst power test

GUO Shixu，CHEN Jinyang，ZHOU Huijuan，YU Shangjiang
（Unit 61489 PLA，Luoyang 471023，China）

In static detonation tests，there are many physical parameters needed to be tested，sensors are placed in a large area，and safe area is far away，which bring many difficulties to the usual down-lead electronic measurement system and the storage measurement system.A wireless measurementsystembasedonWI-FIisdeveloped，whichiscomposedofdataacquisition instruments and wireless networking equipments.The data acquisition instrument has the functions ofsignalconditioning，dataacquisitionandstorage，wirelesscommunication，highprecision synchronization，and etc.The wireless networking equipment supports the 802.11n/ac protocol with a high transmission power and a high gain internal antenna inside.The whole system can be monitored and controlled remotely and wirelessly.Furthermore，it has the advantages of direct measurement for multiple parameters，synchronous trigger and acquisition of multiple channels and multiple equipments，wireless data transmission in high speed，and distributed layout in large scale，which greatly improve the test efficiency.The proposed system has been applied to several explosive effect tests and its high reliability has been verified.

explosive test；wireless measurement system；clock synchronization；distributed network test

A

1674-5124（2016）10-0132-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.025

2016-04-20；

2016-05-23

郭士旭（1987-），男，河南洛陽市人，助理研究員，碩士，主要從事測試技術方面的研究。