導爆管起爆電路設計與驗證技術研究?

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型便攜式智能化野外遠程起爆控制設備按照要求需要對多路8號工業電雷管和導爆管兩種起爆器材進行精確延時起爆，為了配合該型起爆設備的總體研制工作，特將導爆管的起爆特性、控制方法及起爆控制電路作為關鍵技術之一預先開展研究，設計了電路原理圖、加工了電路板樣機，并對其進行了實際工作環境下的起爆性能驗證。由于對導爆管的特性和起爆原理的公開研究文獻相對零散，不利于火工品使用及起爆控制設備的研制等人員全面認識該型起爆器材。為滿足工程實際需求，本文從導爆管的特性分析［1～3］、起爆控制電路設計、實物樣機性能驗證等方面進行系統介紹。

2 導爆管特性分析

導爆管［4～5］為內徑約1.5mm、外徑約3mm，內壁均勻涂有混合高能炸藥薄層（黑索粉或奧克拖金、鋁粉及其他添加物）的撓性塑料中空細管，每米約涂有14mg～16mg炸藥薄層，當導爆管被激發瞬間，管內產生爆炸沖擊波，內壁薄層［6］炸藥便以1650m/s±50m/s（或 1750m/s±50m/s、1850m/s±50m/s、1950m/s±50m/s）的速度沿管線徑向向后傳播引爆雷管。導爆管本身沒有炸藥的特性［7］，不會因為振動、沖擊、摩擦、火焰作用而發生爆炸，具備良好的抗電性、抗爆性、抗沖擊性和抗水性，性能穩定良好。傳爆過程中，只能看到管內閃光，管體并不會破裂，具有操作簡單、可靠性高、成本低、使用方便等優點。

導爆管起爆系統［8～9］由激發元件（含控制單元、儲能單元及專用起爆針）、傳爆元件（導爆管）、起爆元件（雷管）和聯結元件組成，激發元件應向專用起爆針（兩根漆包銅絲按照特殊工藝保持絕緣互相纏繞形成的兩根放電尖端）提供的瞬間脈沖點火電壓≥1600V、瞬間放電總能量 ≥25mJ，通過瞬間輸出脈沖高壓使得起爆針末端放電產生爆轟波［10］，進而引爆導爆管及雷管網絡。

3 起爆電路設計

根據導爆管的性能和技術參數可知，起爆導爆管基本的激發條件為控制電路向專用起爆針提供≥1600V的脈沖點火電壓及 ≥25mJ的瞬間放電能量，起爆電路［11～13］的框圖如圖1所示。

圖1 導爆管起爆電路框圖

電路框圖表明，導爆管起爆電路由升壓電源模塊、常閉繼電器、儲能電容、高壓檢測模塊組成，被控制對象為專用起爆針及導爆管。各組成部分的作用為:升壓電源模塊負責將外部接口輸入電路板的12V直流電壓升高到1600V以上，給儲能電容提供充電電壓；常閉繼電器默認是接通充電回路，收到控制信號后切換接通放電回路；儲能電容負責充電蓄能，用于給專用起爆針提供脈沖高壓起爆能量以產生爆轟波；高壓檢測模塊負責采樣檢測升壓電源模塊是否有高壓輸出，若檢測到高壓輸出、則向控制單元輸出高電平信號。工作原理為當控制單元收到“高壓充電”命令后，12V電源進入導爆管起爆電路板并經升壓電源模塊并產生高壓給儲能電容充電蓄能，同時控制高壓指示燈常亮發出光告警。當控制單元收到“起爆”命令時，控制常閉繼電器吸合接通放電回路，儲能電容瞬間放電產生高壓脈沖，并在起爆針末端形成爆轟波引爆導爆管，起爆完成后將不再向導爆管起爆電路板輸入12V電源。

為保證起爆的可靠性，電路設計中將點火電壓脈沖幅值設定為2000V，升壓電源模塊型號為DW-P202-5CW74（12V轉2000V）。繼電器需耐高壓大電流，選擇能承受40A大電流的Q91F-1Z。根據起爆能量計算出儲能電容為1uF/2000V，精度為1%。高壓檢測模塊的核心為LM193比較器。基于Cadence軟件設計的起爆電路原理圖如圖2所示。

圖2 導爆管起爆控制電路原理圖

圖中12V+、12V-為電路的12V輸入直流電壓信號，升壓電源模塊M1通過滿量程100K的電位器Rp1調節輸出電壓值Vo為2000V。通過四個串聯電阻R04、R05、R06、R07對2000V分壓并取R04兩端電壓作為參考電壓與12V+信號比較，若參考電壓高于12V+，則該比較器向控制單元輸出接近5V的高電平信號TEST_H，否則輸出低電平。由于繼電器為常閉，默認情況下接通充電回路，即只要M1輸出2000V電壓，儲能電容C1立即開始充電，當控制單元下發起爆控制信號時，BOM1端子輸出低電平信號，光電耦合器IC2導通，繼電器吸合接通放電回路，儲能電容C1將儲存的能量瞬間釋放，通過插座XS1在起爆針末端形成爆轟波引爆導爆管。

4 實物樣機技術驗證

將四路導爆管的起爆電路集成到1塊PCB［14］上，經過PCB制板、元器件焊裝、三防處理等步驟后加工形成的導爆管起爆電路樣機如圖3所示。將樣機進行板級調試后，部分輸出通道用導線連接專用起爆針、導爆管，未連接導爆管的通道連接耐高壓的示波器用于監測輸出端口的高壓脈沖波形，準備工作完成后開始通電實施起爆測試，并詳細記錄了起爆結果。

圖3 導爆管起爆控制電路板

5 實驗結果及數據分析

整理起爆后的測試結果如表1所示。

表1中可以看出導爆管起爆電路產生的起爆脈沖能量充足，由于電容放電時兩端電壓逐漸下降，故示波器監測到脈沖幅值在1.5s內由2000V降低到1600V起爆界限值，能在起爆針末端形成爆轟波，并進一步引爆導爆管。由于導爆管傳爆速度極快，有限較短長度的導爆管基本看不到閃光移動，管外部均不會發生破裂，起爆現象符合實際情況。

由于導爆管基于高壓脈沖起爆，在起爆瞬間通過示波器可觀測到在起爆針周圍輻射產生了多次振蕩且幅值較大的干擾電場信號，當控制單元離起爆針距離較近時，偶爾會造成控制單元內的單片機受輻射和串擾信號影響復位重啟，經統計發現重啟率約為3%左右。經過2000次反復試驗驗證發現，當控制單元距離起爆針距離 ≥1m時，可使輻射和串擾信號極大衰減，不會造成單片機復位重啟。在整機設備工程研制階段，應考慮在起爆針和設備對外起爆接口之間增加點火電纜，且電纜長度 ≥1m，可有效避免上述控制單元受干擾重啟問題。

表1 導爆管起爆電路測試結果

6 結語

根據對導爆管特性的認識，本文進行了電路原理圖設計并進行了PCB制板，通過對樣機進行起爆性能測試，測試結果表明導爆管起爆電路設計合理，滿足導爆管起爆要求，對導爆管起爆控制設備的總體研制、多套起爆設備協同工作和該類火工品的使用具有重要的參考和借鑒意義。