電點(diǎn)火頭參數(shù)光敏傳感測試方法及系統(tǒng)

李京昊，朱從貴，劉江濤，陳荷娟

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094；2.深圳市珈瑪納米技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518102； 3.貴州梅嶺電源有限公司， 貴州 遵義 563003)

電點(diǎn)火頭以橋絲電阻、工作電流、發(fā)火時(shí)間、安全電流、輸出能量為主要技術(shù)指標(biāo)。其中，發(fā)火時(shí)間對人員、武器系統(tǒng)(特別是引信)的安全性影響重大。發(fā)火時(shí)間的測試方法主要有聲發(fā)射法、靶線法和工作電流通斷法。聲發(fā)射法是通過測試電點(diǎn)火頭爆炸聲時(shí)間而獲得發(fā)火時(shí)間的被動(dòng)測試方法，來自爆炸聲源的彈性波傳播到達(dá)聲傳感器，引起其表面位移，聲傳感器將這種彈性波的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號，記錄信號持續(xù)時(shí)間，近似等于發(fā)火時(shí)間，由于爆炸聲的滯后和傳播的高動(dòng)態(tài)性，信號持續(xù)時(shí)間誤差較大；靶線法是通過測試參照物熔斷電流起止時(shí)間而獲得發(fā)火時(shí)間的“通-斷”靶式測試方式，將測試參照物固定于電點(diǎn)火頭上，爆炸時(shí)記錄流過參照物電流的突變脈沖寬度時(shí)間，近似作為發(fā)火時(shí)間，該方法操作繁瑣，存在參照物燒不斷而導(dǎo)致測試失敗、參照物炸斷與橋路斷開誤差大等問題；工作電流通斷法記錄工作電流通電時(shí)間，也是一種“通-斷”靶式測試方式，不同的是記錄橋路電流的起止時(shí)間，會(huì)出現(xiàn)橋絲未融斷致使橋路不能斷開的現(xiàn)象。

國內(nèi)軍用電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測試，通常采用工作電流通斷法，用壓力電傳感器或光電傳感器采集信號[1-4]。文獻(xiàn)[1]采用光電傳感器設(shè)計(jì)了一種電發(fā)火過程時(shí)間結(jié)構(gòu)分析測試系統(tǒng)，同時(shí)測試電點(diǎn)火頭橋絲的升溫時(shí)間和點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯時(shí)間，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)火時(shí)間大于通電時(shí)間的現(xiàn)象，認(rèn)為發(fā)火時(shí)間不等于通電時(shí)間的原因是點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯期造成的，從而提出了發(fā)火過程的基本時(shí)間結(jié)構(gòu)。

在民用電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測試方面，目前也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只是對出口煙花爆竹產(chǎn)品規(guī)定了電點(diǎn)火參數(shù)的測定方法[5]。2015年歐盟制定了煙花用電點(diǎn)火頭的作用時(shí)間測試標(biāo)準(zhǔn)：《煙火制品其他煙火制品點(diǎn)火裝置》(EN 16265—2015)[6]，規(guī)定作用時(shí)間為電點(diǎn)火器的主要性能參數(shù)，其測量精度要求達(dá)0.01 ms。文獻(xiàn)[7]采用菲涅爾透鏡和光電傳感器設(shè)計(jì)了一種測試煙花用電點(diǎn)火頭作用時(shí)間的裝置，結(jié)果與高速攝像法測量結(jié)果一致，符合歐盟煙火標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，適合煙花用電點(diǎn)火頭的檢驗(yàn)。

無論是聲發(fā)射法、靶線法和工作電流通斷法，還是民用煙花用電點(diǎn)火頭的光學(xué)測試方法，都是采用恒定工作電流方式，測試結(jié)果與實(shí)際存在較大誤差[8-10]。為此，提出采用光敏傳感技術(shù)的電點(diǎn)火頭發(fā)火動(dòng)態(tài)參數(shù)精確測試方法，研制一種高精度參數(shù)測試系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)測量橋絲電阻、個(gè)性化產(chǎn)生工作電流、爆炸光檢測的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多樣品、多種參數(shù)測試，可為電點(diǎn)火頭的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供技術(shù)手段。

1 發(fā)火過程基本時(shí)間結(jié)構(gòu)

電點(diǎn)火頭的發(fā)火過程分為橋絲升溫、點(diǎn)火藥吸熱分解和燃燒3個(gè)過程。一般地，由于發(fā)火過程很短，忽略橋絲熱損失，橋絲溫度升高所需熱量等于外界通入電流產(chǎn)生的熱量，那么，橋絲升溫時(shí)間等于電點(diǎn)火頭上通過工作電流的時(shí)間(即通電時(shí)間)。設(shè)t為發(fā)火時(shí)間，t1為通電時(shí)間，t2為點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯時(shí)間。如圖1所示[1]，發(fā)火時(shí)間t為橋絲升溫時(shí)間t1(A～C段)和爆發(fā)延滯時(shí)間t2(C～E段)之和，即：t=t1+t2。

圖1 發(fā)火過程基本時(shí)間結(jié)構(gòu)

圖1中B～E段是點(diǎn)火藥的爆發(fā)延滯期，B點(diǎn)盡管橋絲的溫度已足夠高，但橋絲附近藥劑不立即燃燒，達(dá)到D點(diǎn)才能起爆、E點(diǎn)完成爆燃，B～C段是橋絲升溫時(shí)段與爆發(fā)延滯期的重疊區(qū)。根據(jù)電雷管熱起爆機(jī)理，當(dāng)通過橋絲的電流為恒定電流時(shí)，按焦耳-楞次定律由電能轉(zhuǎn)換熱量為

J=0.24I2Rt1

(1)

式(1)中，J為通過橋絲電流產(chǎn)生的熱量(J)；0.24是熱功當(dāng)量數(shù)；I是工作電流值；R是橋絲電阻；t1是通電時(shí)間。

式(1)表示橋絲通電流后升溫達(dá)到灼熱狀態(tài)，加熱橋絲周圍炸藥并引爆的熱量，它與工作電流值I平方、橋絲電阻R、通電時(shí)間t1成正比關(guān)系。式(1)中I、R、t1三個(gè)參數(shù)決定了電點(diǎn)火頭產(chǎn)品的熱量J。方案設(shè)計(jì)階段，它們的數(shù)值可以根據(jù)電雷管設(shè)計(jì)要求估算得到的。通常，電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測試中，I、R、t1三個(gè)參數(shù)是事先設(shè)定的恒定值，見文獻(xiàn)[1-3]等，它們介紹的發(fā)火時(shí)間測試中，設(shè)定工作電流為恒定的單個(gè)矩形脈沖(脈寬即為通電時(shí)間)。然而，實(shí)際電點(diǎn)火頭產(chǎn)品的個(gè)體差異，會(huì)導(dǎo)致橋絲電阻、點(diǎn)火藥劑、電極塞等參數(shù)存在偏差，因而引爆電點(diǎn)火頭的工作電流是各不相等的，若按文獻(xiàn)[1-3]的測試方法，由式(1)計(jì)算得到的每個(gè)產(chǎn)品的熱量J相同，顯然，這是不符合實(shí)際的。造成發(fā)火時(shí)間不符合實(shí)際的原因，除了測試方法因恒定的工作電流、橋絲電阻、通電時(shí)間的帶來的隨機(jī)誤差外，還有測試技術(shù)方面精度不高造成的誤差。為此，提出了圖2所示的光敏傳感電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測試方案，具有在線橋絲電阻測量、實(shí)時(shí)工作電流和通電時(shí)間調(diào)整、爆炸光信號高速采集與處理功能，測試精度可達(dá)納秒級。

2 電點(diǎn)火頭光敏傳感參數(shù)測試原理及系統(tǒng)

圖2所示的光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)，由橋絲電阻測量電路、工作電流可編程控制系統(tǒng)、光敏傳感爆炸光檢測系統(tǒng)三大組件組成。橋絲電阻測量電路與橋絲兩個(gè)輸出引腳并聯(lián)連接；工作電流可編程控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和可編程直流發(fā)生器組成，可編程直流發(fā)生器包括電子負(fù)載、可編程電壓源；光敏傳感爆炸光檢測系統(tǒng)包括光敏傳感器、信號處理器、高速信號采集器和電流采集電路。

圖2 光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試方案原理框圖

光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)采用在線檢測工作模式。橋絲電阻測量電路，完成被測樣品橋絲電阻測量，在恒流源下檢測橋絲兩端電壓，其控制電路根據(jù)歐姆定律算出橋絲電阻值，輸出表征橋絲電阻的等值電壓信號VR，通過A端傳輸給計(jì)算機(jī)。工作電流可編程控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，其輸入接收VR，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)信號通信端口硬件要求，將VR值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的工作電流控制信號VRj數(shù)值，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)，得到產(chǎn)品工作電流通電時(shí)間t1；計(jì)算機(jī)D端輸出2路電壓信號，一路為峰值Vg、脈寬t1的可編程電壓源工作電壓；另一路輸出工作電流控制信號VRj，該電壓是對應(yīng)VR的一個(gè)等值電壓信號，用于調(diào)節(jié)電子負(fù)載輸出電流。可編程直流發(fā)生器采取CV+CC工作模式，即可編程電壓源是恒壓工作模式(即CV模式)，電子負(fù)載是恒流工作模式(即CC模式)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流電子負(fù)載控制。通過計(jì)算機(jī)E端給電子負(fù)載設(shè)定工作模式、電流范圍。

可編程電壓源輸出恒定電壓Vi表達(dá)式為

Vi=V0+V1+IR

(2)

式(2)中，V0為電子負(fù)載的最小工作電壓(對應(yīng)最小工作電流)，其值在0.5～1 V之間；V1是線損電壓，約1～2 V；R是橋絲電阻；I是電子負(fù)載電流。

應(yīng)當(dāng)注意此為理想情況，實(shí)際上由于飛行器處于一個(gè)未知的開放環(huán)境當(dāng)中，往往會(huì)存在某方向的自然風(fēng)，在這個(gè)自然風(fēng)的影響下，飛行器會(huì)處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，可能會(huì)引起定向漂移或者失控，因此需要通過改變相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來引入一個(gè)反向分量去平衡這個(gè)自然風(fēng)所引起的偏移量[18]。

假設(shè)V0和V1不變，取V0=0.5 V、V1=1 V。因工作電壓Vg控制的輸出電壓Vi恒定，那么，由式(2)得到I計(jì)算式為

I=[Vi-(V0+V1)]/R

(3)

式(3)中Vi、V0、V1的值恒定，可見，電子負(fù)載電流I與橋絲電阻R之間有確定的反比例關(guān)系。按圖2系統(tǒng)工作原理，電子負(fù)載是恒功率工作模式，那么，當(dāng)電壓恒定時(shí)，測試的每個(gè)樣品的起爆點(diǎn)火的工作電流是不同的，這個(gè)工作電流等于I。這就是光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)的橋絲電阻可編程工作電流調(diào)節(jié)原理。

輸出回路上設(shè)計(jì)了一個(gè)電流采集電路，將I轉(zhuǎn)換為脈寬等于t1的單個(gè)矩形脈沖電壓信號Vh，簡稱作回讀電壓。通過B、H端將Vh同時(shí)傳輸給高速信號采集器和計(jì)算機(jī)內(nèi)的接收信號模塊，因Vh脈沖上升沿很陡，故將其設(shè)計(jì)為控制觸發(fā)電平，實(shí)現(xiàn)通電、爆炸光采集、計(jì)算機(jī)接收的同步。

通入工作電流I后電點(diǎn)火頭爆炸，光敏傳感器捕捉到爆炸光S(反應(yīng)時(shí)間在ns級)，光電轉(zhuǎn)換后V1經(jīng)過信號放大與處理后得到V2。高速信號采集器首先在Vh上升沿觸發(fā)后開始采集信號，M端V2信號到來后至V2信號結(jié)束，完成發(fā)火時(shí)間測試的信號采集，在Vh上升沿同步控制下通過F端將Vh、V2合成信號V3傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出R、I、t1、t、t2等測試值。測試過程共設(shè)計(jì)了11個(gè)操作步驟：設(shè)備上電、輸入產(chǎn)品信息、設(shè)置點(diǎn)火頭參數(shù)、橋絲電阻測量、設(shè)置采樣參數(shù)、系統(tǒng)安全回路檢測、啟動(dòng)點(diǎn)火、讀取數(shù)據(jù)和保存、處理數(shù)據(jù)、曲線和數(shù)據(jù)可視化、測試結(jié)束，其中，“設(shè)備上電、輸入產(chǎn)品信息、設(shè)置電點(diǎn)火參數(shù)、設(shè)置采樣參數(shù)”為人工控制，其余皆由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

3 電點(diǎn)頭火參數(shù)測試試驗(yàn)

根據(jù)圖2工作原理，由深圳市珈瑪納米技術(shù)有限公司研制了一套光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)樣機(jī)，橋絲電阻范圍為 0.5～20 Ω，高速信號采集器采樣速率為2 ms/s，可編程直流發(fā)生器直流脈寬可調(diào)節(jié)范圍為0.1 ms～20 min。試驗(yàn)在貴州梅嶺電源有限公司試驗(yàn)場進(jìn)行。

1) 發(fā)火過程基本時(shí)間結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。測試一組樣品，下面選取其中一個(gè)樣品測試結(jié)果說明，如圖3所示(圖中橫坐標(biāo)T1、T2、T3等為時(shí)間，0點(diǎn)為設(shè)備上電時(shí)刻，縱坐標(biāo)為電壓信號幅值)。圖3的V4是經(jīng)計(jì)算機(jī)信號處理V3后提取的爆炸光信號。t1為單個(gè)矩形脈沖回讀電壓曲線Vh的脈寬，等于根據(jù)實(shí)測樣品橋絲電阻得到的電子負(fù)載電流I脈寬；t2為V4信號出現(xiàn)到終止的時(shí)間，等于爆炸光持續(xù)時(shí)間；t為Vh的上升沿起點(diǎn)到V4結(jié)束的時(shí)間；V4晚于Vh出現(xiàn)，兩者起始點(diǎn)差為Δt，且Δt

圖3 發(fā)火過程時(shí)間結(jié)構(gòu)測試曲線

2) 多參數(shù)測試同步控制試驗(yàn)。選擇8#、3#、4#、9#四個(gè)同型號電點(diǎn)火頭，用光敏傳感發(fā)火時(shí)間測試系統(tǒng)樣機(jī)同時(shí)測試。4個(gè)樣品的工作電流Ii(i=1,2,3,4，表示4個(gè)樣品)不相等，是由系統(tǒng)可編程電流發(fā)生器根據(jù)橋絲電阻測量電路實(shí)測橋絲電阻值Ri自動(dòng)確定的。電流采集電路將可編程電流發(fā)生器產(chǎn)生的電流Ii轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的4路回讀電壓Vhi，用Vhi的上升沿觸發(fā)高速信號采集器，使得每個(gè)樣品的Vhi與采集V2i信號起始點(diǎn)同步。

圖4是9#樣品的回讀電壓曲線和爆炸光采集信號(計(jì)算機(jī)顯示單個(gè)矩形脈沖Vh和采集信號V2)。計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果：I=2.4 A、t1=22.393 ms、t2=132.521 ms、t=154.914 ms。見圖6～圖8是8#、3#、4#樣品的Vh和V2信號曲線，有同樣的變化規(guī)律。

圖4 光敏傳感發(fā)火時(shí)間測試系統(tǒng)測試曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)可以可靠地同時(shí)測試多產(chǎn)品、多發(fā)火參數(shù)，樣品數(shù)量視用戶需要而設(shè)計(jì)。

3) 光敏傳感爆炸光采集試驗(yàn)。采用高速攝影拍攝驗(yàn)證爆炸光采集的可行性，拍攝速度為20 000幀/s。圖4是采用光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)樣機(jī)測試9#電點(diǎn)火頭的結(jié)果，工作電流2.4 A、通電時(shí)間22.393 ms。圖5是高速攝影機(jī)同時(shí)拍攝到9#電點(diǎn)火頭的光照片截圖。

高速攝像拍攝到爆炸光照片顯示圖5 (a)無火光、(b)有零星火光、(c)有強(qiáng)烈聚光、(d)有較強(qiáng)散光。對比圖4，圖5(b)～(d)出現(xiàn)爆炸光時(shí)間(圖5照片截圖未示出時(shí)間)與圖4的V2信號t2時(shí)段吻合。約在0.5t1(一半通電時(shí)間)前無V2信號，對應(yīng)圖5(a)電點(diǎn)火頭未爆炸；通電時(shí)間結(jié)束前約0.75 s時(shí)，V2信號出現(xiàn)，圖5(b)顯示有火苗出現(xiàn)，判斷電點(diǎn)火頭未爆炸；t1后V2信號越來越強(qiáng)，約在0.78 s處突變強(qiáng)烈，對應(yīng)圖5(c)出現(xiàn)強(qiáng)烈的爆炸光；在0.882 521 s處V2信號消失，表示橋絲已斷，但是，圖5(d)仍有較強(qiáng)且分散的光，這是爆炸后的火藥四濺現(xiàn)象。

圖5 高速攝影測試爆炸光照片

試驗(yàn)結(jié)果表明：光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)的光敏傳感爆炸光檢測系統(tǒng)可以快速、精確地采集電點(diǎn)火頭瞬時(shí)爆炸光信號。

4) 可編程工作電流測試驗(yàn)證試驗(yàn)。同批次(即同時(shí))測試8#、3#、4#，根據(jù)實(shí)測橋絲電阻R可編程工作電流通電，圖6～圖8計(jì)算機(jī)輸出的工作電流回讀電壓Vh、爆炸光V3曲線(這里的V3就是圖2中由Vh、V2合成信號后傳輸給計(jì)算機(jī)的信號)，其參數(shù)值見表1。固定工作電流I=1.75 A，同批次測試同型號1#、2#產(chǎn)品，結(jié)果見圖9和圖10，其參數(shù)值見表1。同樣，固定工作電流I=2.50 A，測試與1#、2#產(chǎn)品同型號的6#產(chǎn)品，結(jié)果見圖11和表1。圖12是由表1數(shù)值得到的t1、I、t曲線。

圖6 8#電點(diǎn)火頭測試曲線

圖7 3#電點(diǎn)火頭測試曲線

圖8 4#電點(diǎn)火頭測試曲線

表1 樣品測試參數(shù)值

圖9 1#電點(diǎn)火頭測試曲線

圖10 2#電點(diǎn)火頭測試曲線

圖11 5#電點(diǎn)火頭測試曲線

圖12 不同條件測得的t1、I、t變化示意圖

從圖6～圖12可以得到如下結(jié)果：

1) 本樣機(jī)具有不同型號樣品、多參數(shù)同時(shí)測試功能。進(jìn)行了可編程工作電流和固定工作電流控制發(fā)火的多樣品測試，即8#、3#、4#電點(diǎn)火頭一組和1#、2#另一組，測試表明，可以同時(shí)測得多樣品的t1、I、t測試值，以及工作電流回讀電壓和爆炸光電壓信號，且一體化設(shè)計(jì)的光敏傳感發(fā)火時(shí)間測試系統(tǒng)工作可靠、操作簡單。

2) 可編程工作電流控制發(fā)火測試技術(shù)符合電點(diǎn)火頭作用機(jī)理。由圖12可見，采用可編程工作電流控制發(fā)火測試技術(shù)，所測8#、3#、4#電點(diǎn)火頭的t1、t2、t有差異，其中，同型號的3#、4#電點(diǎn)火頭的差異明顯，4#的I是3#的兩倍，但其t1、t都比3#的短，t2略長于4#。從能量守恒定律角度，由式(1)電能轉(zhuǎn)換熱能公式變換得到工作電流I表達(dá)式(3)來看，在恒定電壓和一定橋絲電阻下，工作電流I與通電時(shí)間t1成反比，上面結(jié)果符合電點(diǎn)火頭作用理論。至于t2的細(xì)微差別，主要是點(diǎn)火藥劑的影響所致。

3) 光敏傳感發(fā)火時(shí)間測試系統(tǒng)測試精度較高。為估算測試系統(tǒng)的精度，重復(fù)測試同一型號橋絲電阻相近的12個(gè)樣品，固定工作電流為1.5 A，得到通電時(shí)間t1的平均值為1.661 ms，標(biāo)準(zhǔn)差為0.234 ms。因此，光敏傳感發(fā)火時(shí)間測試系統(tǒng)測試精度較高。

4 結(jié)論

采用光敏傳感、可編程控制電流、高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化和可視化等技術(shù)，研制了光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)，可靠地測得發(fā)火時(shí)間、橋絲升溫時(shí)間、點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯期、爆發(fā)延滯期重疊區(qū)的發(fā)火過程基本時(shí)間結(jié)構(gòu)，同時(shí)獲得發(fā)火時(shí)間t、工作電流通電時(shí)間t1、點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯時(shí)間t2等性能參數(shù)；橋絲電阻測量電路和計(jì)算機(jī)在線自動(dòng)測得不同樣品橋絲電阻，可編程直流發(fā)生器可靠地輸出每個(gè)電點(diǎn)火頭實(shí)際工作電流和爆炸光采集同步控制信號；光敏傳感爆炸光檢測系統(tǒng)，快速采集到了電點(diǎn)火頭瞬時(shí)爆炸過程，精確地捕獲到爆炸光的出現(xiàn)與消失時(shí)刻；同時(shí)測試不同型號樣品發(fā)火參數(shù)，可編程產(chǎn)生工作電流范圍較大、通電時(shí)間精確度較高，驗(yàn)證了發(fā)火參量、爆炸光一體化測試方案可行，光敏傳感電點(diǎn)火頭參數(shù)測試系統(tǒng)樣機(jī)的研制，為今后進(jìn)一步工程化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化，電火工品的智能制造、大數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供有效的技術(shù)支持，具有重要意義。