火工品電參數測試技術研究

張莉莉 吳永紅 張月魁 馬 琛 戴宜霖

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界刺激后產生燃燒或爆炸，以引爆炸藥或做機械功能的一次性使用的元器件[1]。常用于引燃火藥，引爆炸藥，還可作為小型驅動裝置，用以快速打開活門、解除保險及火箭級間分離等。隨著對火箭(導彈)各項性能的要求越來越高，裝載于箭(彈)上的火工品數量也在不斷增加，通常包括發動機點火、級間分離、彈翼展開、尾翼展開等，火工品正常工作與否直接影響到火箭發射任務、導彈飛行情況及靶標的命中率。

火工品電參數對火工品來說是最重要的參數，它是決定火工品的特性和功能的重要指標，它的測試是一項重要測試內容。目前，火工品電參數的測試主要有阻值、電流的靜態測試，對其熔斷時間、回路電流及阻值瞬態變化特性尚無相應的測試規范及測試標準設備，因而現有測試不能滿足對火工品性能指標的測試需求。

針對以上問題，本文根據火工品電參數特性，研制了火工品電參數測試系統，從火工品點火輸出方法、火工品點火控制電路、點火回路電流測試、點火回路阻值測試、火工品橋絲熔斷時間測試等方面對火工品電參數測試技術進行了論述。

2 系統組成

火工品電參數測試裝置采用分體式設計結構，系統結構如圖1所示。設備分為近端驅動設備與遠端控制設備兩部分，控制設備與驅動設備之間通過150m控制電纜連接，驅動設備與火工品之間通過點火電纜連接。測試系統框圖如圖1所示。

圖1 測試系統框圖Fig.1 Test system block diagram

用于火工品測試的儀器必須確保測試安全，除限制測試電流的大小外，系統還采取了各種措施來保證測試安全，防止意外引起的異常電流施加到被測對象上。開機時有自檢功能；在電流接入端，器件電源端、電路板引出測試線纜端加限流電阻；機殼采用金屬機殼，引出的測試線纜采用屏蔽線纜；電路板絕緣處理；控制電纜長達150米，實際操作中，線纜長度對測試沒有影響，因此，采用較長電纜以實現遠距離測量，確保測試操作的安全。

2.1 控制設備

控制設備由自檢按鈕、點火按鈕、解鎖旋鈕、“自檢好”指示燈、“充電好”指示燈組成，通過按鍵與旋鈕開關實現點火電流輸出功能操作。控制設備能通過自檢按鈕、點火按鈕、解鎖旋鈕對電參數測試系統進行自檢和點火的控制；控制設備能夠對自檢情況、近端驅動設備的充電情況進行檢測，能夠給出當前的充電情況，并且在控制設備通過充電好、自檢好指示燈進行狀態指示。

2.2 驅動設備

驅動設備主要完成負責火工品電參數測試系統的自檢、點火、具備測試點火回路阻值功能，具備記錄點火回路電流值功能，記錄點火回路電流持續時間功能以及數據采集存儲等功能。驅動設備測試原理框圖如圖2所示。

圖2 驅動設備測試原理框圖Fig.2 Driving device test schematic diagram

CPU板在PC104總線基礎上通過FPGA控制時序及I/O口的輸入輸出，自檢命令、點火命令的發送、驅動設備采集、存儲數據的發送。驅動板輸出10V、準確度0.5%的控制電壓，控制點火電流輸出， A/D采集卡將點火電流輸出的電流轉化為電壓值，采樣后傳輸到CPU，進行數據存儲。

3 系統功能及實現

3.1 點火電流輸出

火工品需要較大的點火電流和瞬間功率才能實現正常起爆。傳統的火工品點火電路采用大容量供電電池直接放電的方法實現對電爆管的激活，由于大容量供電電池的質量和體積較大，在對質量和體積有苛刻要求的應用場合難于滿足。因此，本文采用電容放電式火工品點火電路，體積小，重量輕。先給電容器進行充電，將火工品點火用的能量儲存在電容器中，并利用電容的瞬間放電能力實現電起爆器的激活，可以達到減小點火電路重量和體積的目的。

儲能電容的充電電壓和放電電流是由時間常數控制并按指數規律變化的[2]。

電容的放電過程是電流和電壓按指數規律衰減的零輸入響應過程。其電壓值按公式(1)計算

(1)

式中：Vt——t時刻電容上的電壓值，V；V1——電容最終可充到或放到的電壓值，V；t——電容的放電時間，s；R——電容放電回路的電阻值，Ω；C——電容的電容值，F。

根據公式(1)，本文選用容量為2.46×105μF，耐壓值為50V的鋁電解電容。當放電時間為140ms，由公式(1)得出電容放電后的壓降為：Vt=13.6V。由主控板產生控制電壓，工作零點時刻開始計時，驅動點火電流輸出開啟，且開始計時，CPU利用內部計時器，當達到所需時間時，程序產生中斷，切斷控制電壓輸出，點火電流輸出關閉。CPU計時器精度為0.04μs，控制通斷時間為0.4μs，完全滿足點火電流時序要求。反饋控制電路時間常數約為1μs；運算放大器等模擬電路延時小于1μs；5m點火電纜的電流輸出延時小于1μs,整個系統的傳輸延時小于10μs,即電流輸出信號上升沿小于1ms。實現持續時間40ms，60ms，80ms，100ms，120ms，140ms：采用電容作為儲能元件，其放電曲線如圖3所示。

圖3 電容放電曲線圖Fig.3 Capacitor discharging curve

控制設備能夠對近端驅動設備的充電情況進行檢測，能夠給出當前的充電情況，并且在遠端控制設備進行狀態指示。充電功能(充電狀態、關閉狀態)可控，充滿后可切斷充電電源。要求充電功能在控制設備上電初始狀態為切斷狀態。

電容的充電過程是一個零狀態響應過程，其充電電壓按公式(2)計算。

(2)

式中：V0——電容上的初始電壓值，V。

設計電容充電電路如圖4所示，由公式(3)得出充電時間為

(3)

系統選用容量為2.46×105μF，耐壓值為50V的鋁電解電容作為點火電流輸出的供電電源。狀態檢測由A/D采樣卡采樣電容電壓，將結果上傳至控制設備上位機控制器，顯示出電容充滿所需要的時間，并由CPU負責切斷充電電路。

圖4 電容充電電路Fig.4 Capacitor charging circuit

實際測試完全放電狀態下，充電完成不超過3min。

點火電流輸出設計由電壓控制電流源輸出點火電流，點火電流輸出電路輸出直流電流，在供電電壓為24V時每路電流不小于10A，最大電流小于30A。點火輸出電路由控制輸入、反饋控制、電流信號放大和功率輸出組成。點火輸出電路圖如圖5所示。

圖5 點火輸出電路原理框圖Fig.5 Ignition output circuit schematic block diagram

點火電流輸出實測曲線圖如圖6所示。

圖6 點火電流實測曲線圖Fig.6 Ignition current test curve

3.2 點火回路阻值測試

電火工品的電阻檢測必須在安全的條件下進行，一般要求其測量電流不大于10mA[3]。電阻的微小變化，其信號波動幅度只有微伏級，難以被精度不高的儀表檢測。同時，傳統測試方法受測量線纜以及測量中接觸電阻影響，不能正確識別這種毫歐級的電阻變化。因此，要實現這種電火工品電阻的精密安全測試，首先要保證測試電流不大于規定值，同時還要采取更多的安全措施，保證測量安全性；再采取合適的方法來排除測量過程的影響，最后要實現高精度穩定測量。點火回路電阻值采集原理框圖如圖7所示。

圖7 點火回路阻值測試原理框圖Fig.7 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由于火工品的實際內阻通常很小，通常為1Ω左右，因而點火回路阻值測試采用四線接法(兩個電流端、兩個電壓端)[4]。采用該方法可以抵消導線電阻和接觸電阻引入的影響，實現高精度測量，提高阻值測量的準確度。圖8為點火回路阻值測試四線接法。

圖8 點火回路阻值測試四線接法Fig.8 Ignition circuit resistance four-line test

采用恒流模塊輸出1mA直流電流，用于點火回路電阻值測試。測試電路原理圖如圖9所示。

圖9 點火回路阻值測試原理圖Fig.9 Ignition circuit resistance test schematic block diagram

由圖9可得被測回路壓降VRx與測試電流I、回路電阻Rx之間的關系為

(4)

則被測回路的實際電阻值為

(5)

3.3 橋絲熔斷時間測試

火工品橋絲熔斷時間的測試通過系統自動采集點火回路取樣電阻兩端的電壓值來判斷熔斷時間。點火時刻記為t0，當取樣電阻兩端的電壓值為零時，即可判斷為橋絲熔斷，該時刻為t1，則該火工品的實際熔斷時間即為t1-t0。 橋絲熔斷時間測試原理框圖如圖10所示。

圖10 橋絲熔斷時間測試原理框圖Fig.10 Bridge line fuse out time test schematic block diagram

火工品橋絲熔斷時間測試U-t曲線圖如圖11所示。

圖11 橋絲熔斷時間測試U-t曲線圖Fig.11 Bridge line fuse out time test U-t curve

4 結束語

火工品電參數測試是一項重要測試內容，它是決定火工品的特性和功能的重要指標。本文介紹了火工品電參數測試方法，搭建了火工品電參數測試系統，對火工品電參數測試技術進行了研究，完成了使用大電容實現點火電流的輸出、用“四線”制測試方法對電火工品進行電阻測試、火工品橋絲熔斷時間測試等功能，具有精度高、穩定性好、操作簡單、質量輕、體積小、易于攜帶等諸多優點，可對各型號火工品進行點火回路電阻、點火回路電流、熔斷時間等的測試。