應用于炮口沖擊波的生物表面壓力測試系統

陳學文，賴富文，牛博懷,高 赫,王文廉

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點試驗室， 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點試驗室， 太原 030051；3.中國人民解放軍63853部隊， 吉林 白城 137000)

1 引言

火炮作為現代軍事的主要武器裝備之一，研究炮口沖擊波對人體的損害對操作人員的健康防護具有重要意義。目前國內關于炮口沖擊波生物效應的研究還較少，一般是通過解剖試驗動物，從生理學角度分析沖擊波對各器官的損傷[1-2]。

為獲取生物效應試驗中靶標動物所受沖擊波壓力的數據，可將存儲測試技術應用于生物效應試驗中。現有的炮口沖擊波測試系統一般只針對火炮連發測試的沖擊波信號采集[3-5]，而生物效應試驗中多個損傷部位壓力數據同步采集、試驗裝置安裝不便的問題未得到解決。經調查，相關研究人員在沖擊波生物毀傷試驗中基本沒有能夠在生物體表面對沖擊波壓力進行直接測量，而是近似地將附近測點的沖擊波壓力作為靶標動物所受壓力[6-8]，這種間接測量方式所得的數據不能夠準確地評估沖擊波的毀傷效應。本文針對沖擊波生物效應試驗的需求，設計了一種可穿戴的多通道多重觸發式炮口沖擊波測試系統，實現了對生物體表面各部位所受沖擊波壓力的直接測量。

2 炮口沖擊波生物效應特征

火炮類武器通常處于連續射擊狀態，而人體在火炮連續射擊中所受沖擊波損害明顯具有疊加效應，炮口沖擊波對人體的損傷閾值也會有所下降[9]。炮口沖擊波測試系統應具有多重觸發功能，避免單次觸發的測試裝置在連續測試中需要不斷上下電導致的效率低下問題。

炮口沖擊波對人體最普遍的傷害是聽力損傷，此外有試驗研究表明，炮手長期經受炮口沖擊波可能會造成上呼吸道、肺部和胃腸道損傷[10-11]。聽器的損傷主要為鼓膜充血、出血，嚴重時造成鼓膜穿孔；肺是沖擊波致傷的重要靶器官，肺部損傷主要表現為肺出血；上呼吸道對沖擊波也較為敏感，上呼吸道損傷主要表現為喉頭與氣管的點狀出血[12]。為研究試驗動物各部位于炮口沖擊波作用下的受力情況，測試系統需具有多個傳感器通道，以實現對多個部位沖擊波壓力數據的同步采集。

3 可穿戴沖擊波壓力測試系統

3.1 整體方案

針對炮口沖擊波生物效應試驗的需求，設計的測試系統具有以下特點：具有多重觸發功能可滿足火炮連發測試；具有多個傳感器通道能同時采集多個部位的沖擊波壓力數據；系統小型化，可對生物體表面壓力進行直接測量。

測試系統原理如圖1所示，系統由多個微型壓力傳感器、多通道轉換電路、數據采集存儲電路、上位機組成。本測試系統以FPGA為控制核心，使用了多路模擬開關與高速A/D轉換器構成的分時復用的多路采集架構，將試驗動物身上4個部位的沖擊波壓力信號采集到測試系統中，SDRAM在FPGA的控制下劃分出64個存儲區間實現了4個通道16次觸發的數據存儲。測試裝置與上位機之間通過433 M無線模塊進行信息交互，在上位機軟件中可實現對測試裝置的遠程監測與控制。

圖1 測試系統原理框圖

3.2 傳感器與調理電路

為實現對生物體表面壓力的采集，首先要考慮壓力傳感器的類型。一般的壓力傳感器如陶瓷壓電傳感器、壓阻式硅壓力傳感器大多都是體積較大的圓柱形，不適宜安裝在生物體表面。本測試系統選用了一種薄片型的壓阻式壓力傳感器，傳感器的安裝如圖2所示，微型壓力傳感器兩個一組粘貼在腰帶上以便固定在實驗羊的頸部、腹部等部位。

圖2 微型壓力傳感器的安裝位置示意圖

該微型壓阻式壓力傳感器具有結構堅固、靈敏度高的特點，測量范圍為0～344.8 kPa。該傳感器的厚度為0.76 mm，直徑為6.35 mm，具有高過載能力、高頻響應的特點，適合瞬態、窄脈寬的沖擊波信號的測量。由于其體積很小，可以通過簡易方法安裝在各種微小曲面和狹窄表面上，故將該傳感器應用于沖擊波生物效應試驗中，實現對生物體表面壓力的直接測量。

由于該傳感器為表壓式壓力傳感器，其零位輸出不為零，同時每個傳感器的靈敏度也不相同，各傳感器的零位輸出差異經過儀表放大器放大后導致了多通道測試系統的基線不統一，這一問題影響了測試系統觸發電平的設置，增大了多通道數據處理與比較的難度。針對這一問題，測試系統設了一種自適應的基線調節電路。

為了提高基線調節的精度，由兩個數字電位器構成了粗調+細調的調節電路。系統選用非易失性的數字電位器X9C103，其共有100個檔位。在FPGA控制下，數字電位器1在0～2.5 V的范圍進行粗調，調節精度為25 mv；數字電位器2在數字電位器1的輸出電壓基礎上浮動0～100 mv，調節精度為1 mv。基線調節的過程首先是比較傳感器的零位輸出與預設基線，該值默認為1 V也可以根據情況在上位機軟件中設置，然后將兩者之差ΔV除以粗調精度得到數字電位器1的檔位，再將余數除以細調精度得到數字電位器2的檔位。傳感器基線調節電路如圖3所示。

圖3 傳感器基線調節電路示意圖

3.3 關鍵技術

3.3.1 多重觸發技術

分析炮口沖擊波測試的特點可知，試驗過程中測試系統需連續記錄多個瞬態信號，為了更靈活地利用存儲空間以記錄更多有效數據，測試系統采用與無線技術結合的多重觸發技術。433 M無線模塊是基于IEEE 802.15.4g標準的高頻射頻模塊，具有傳輸距離遠的優勢，其傳輸距離于開闊地可達 5 km，符合炮口沖擊波測試中對遠程控制及監測的需求。基于遠距離的無線技術，測試系統具有遠程參數設置、遠程復位、系統狀態監測等功能。如圖4所示，測試系統能夠在火炮連續射擊中，采集并存儲多次射擊的炮口沖擊波，然后在上位機軟件中完整顯示。

圖4 火炮連發沖擊波測試示意圖

多次觸發測試流程如圖5所示，進行炮口沖擊波試驗時，火炮每發射1枚炮彈，觸發測試系統記錄1次，然后轉為待觸發狀態；當火炮再發射1枚炮彈時，再作1次記錄，直到測試系統內全部存儲空間被占滿。在測試過程中，試驗人員可以隨時通過上位機監測系統的觸發狀態和觸發次數，根據具體情況進行遠程控制，選擇是否進行參數更改或系統復位。

圖5 多重觸發系統流程框圖

本測試系統具有最多16次的觸發次數和4個傳感器通道，故測試系統需要能夠存儲最多64條沖擊波壓力曲線的數據。測試系統將SDRAM劃分出64個存儲區間，在每個區間內都要完成循環寫入、觸發、地址記錄等步驟。每次觸發測試系統會寫入4個存儲區間，觸發結束則轉到下一組存儲區間，重復存儲過程。

3.3.2 小型化安裝設計

生物效應試驗的目標對象一般是活體動物，在沖擊波生物效應試驗中測試裝置的安裝較為繁瑣，因此設計一種可穿戴式結構以簡化試驗準備工作的操作。要使測試系統能夠安裝于試驗動物身體表面，首先需要實現測試系統的小型化。山羊是沖擊波試驗中常用的靶標動物，體長一般在56～60 cm，市面上常見的通用信號采集儀器的尺寸一般較大，長寬可達20～30 cm，體積與重量都不適合直接在試驗動物身體表面進行數據采集。

本系統從芯片選型和PCB設計兩方面實現測試系統的小型化。測試系統的A/D轉換器選用AD7482，芯片尺寸為9 mm×7 mm；存儲芯片選用MT48LC8M16 A2，芯片尺寸為8 mm×16 mm。為了進一步減小電路的面積，測試系統采用6層PCB的設計，在測試系統的PCB設計中，通過對器件緊湊性與線寬線距之間平衡的把控，盡可能地縮減了PCB板的面積，實現了多種功能的高度集成。

測試系統采用模塊化的設計，由一塊主板將多個模塊連接到一起，模塊經規劃分布在主板的兩面，縮小了測試系統電路的整體面積。測試系統的外部結構采用以光敏樹脂為材料的3D打印外殼，總體尺寸為72 mm×115 mm×28 mm，樹脂外殼在保證測試系統在炮口沖擊波測試環境中的可靠性的前提下，縮減了系統整體體積與重量，測試系統整體重量為284 g，便于安裝在試驗動物上且不會對試驗有所影響。測試系統的穿戴式結構如圖6所示，主要結構為兩條腰帶，每條腰帶上具有兩個安裝傳感器的導線孔，固定好壓力傳感器后，腰帶式的結構可以簡便地安裝在實驗動物的頭頸部、腹部等測試部位，兩兩一組的傳感器可以測得各部位受沖擊面與背面的沖擊波壓力。

圖6 可穿戴式結構示意圖

4 試驗與結果分析

4.1 試驗方案

為了驗證多通道多重觸發式存儲測試系統的可靠性，在靶場進行了炮口沖擊波生物效應的實彈測試，試驗現場布置示意圖如圖7，火炮射擊角度為25°，試驗羊以站立姿勢固定在支架上，位置距炮口的地面投影直線距離為8.3 m。試驗羊右側腹部面向炮口，壓力傳感器分別固定在試驗羊的頸部正面、頸部背面、腹部正面及腹部背面，各部位壓力傳感器距地面約為0.6 m。

圖7 試驗現場布置示意圖

4.2 試驗數據與分析

彈丸出炮口后，膛內的高溫高壓氣體在炮口周圍膨脹會產生第1次峰值，若條件適宜此高溫高壓氣體還可能發生燃爆現象產生第2次峰值。圖8、圖9可以明顯看到壓力曲線具有2個超壓峰值，是典型炮口沖擊波，數據很好地反應了炮口沖擊波的衰減規律。如表1所示，兩次射擊的沖擊波特征值相近，測試結果符合預期。

圖8 第1次壓力測試數據曲線Fig.8 First test data

圖9 第2次壓力測試數據曲線Fig.9 Second test data

表1 2次測試的沖擊波壓力特征值

5 結論

設計了一種可穿戴式的多通道沖擊波測試系統，通過小型化的結構設計與微型傳感器的應用實現了對生物效應試驗中試驗生物體沖擊波表面壓力的直接測量。測試系統具有多個傳感器通道能夠同時采集試驗動物體表各部位的沖擊波壓力數據；多重觸發功能與無線技術的結合，滿足了火炮連發測試的需求，同時減小了試驗操作的工作量，提升了試驗效率。經過現場實彈測試，測試系統具有安裝與操作簡便、數據準確完整、使用靈活、穩定可靠的特點，解決了在炮口沖擊波生物效應試驗中沖擊波壓力數據不準確與試驗布置及操作繁瑣的問題，在沖擊波測試領域具有良好的應用前景。