電點火器輸出p-t曲線出現負壓的異常情況分析

［摘 要］針對某型導彈發動機用電點火器在發火測試時出現的負壓情況，進行了故障樹分析排查、等效電路分析和試驗驗證，最終找到了該故障的原因是產品發火后絕緣性能失效，造成發火電路與測試電路耦合，形成電流回路，進而使電荷放大器輸出端形成負壓。對歷次火工品發火測試時出現負壓的情況進一步理論分析和試驗驗證表明，僅在使用壓電式傳感器的測試過程中出現負壓，而應變式傳感器則不會出現該故障。對分析電點火器類產品輸出p-t曲線異常提供了參考。

［關鍵詞］電點火器；p-t曲線；負壓

［分類號］TQ560.5

Analysis of Abnormal Conditions of Negative Pressure in the Output p-t

Curves of the Electric Igniter

YUAN Changhong， YUAN Yuhong， TAN Yuming， CAO Ping

Anhui Hongxing Electromechanical Technology Co.， Ltd. （Anhui Hefei， 230011）

［ABSTRACT］Fault tree analysis， equivalent circuit analysis， and experimental verification were conducted to investigate the negative pressure situation that occurred during the ignition test of an electric igniter for a certain type of missile engine. Finally， the cause of the fault was found to be the insulation performance failure of the product after ignition， resulting in the coupling of the ignition circuit and the testing circuit to form a current loop， which in turn caused negative pressure at the output terminal of the charge amplifier. Further theoretical analysis and experimental verification were conducted on the occurrence of negative pressure during the ignition tests of various pyrotechnic devices. The results indicate that negative pressure only occurs during the testing process using piezoelectric sensors， while it does not occur when using strain gauges. It could provide a reference for analyzing the abnormal output p-t curve of electric igniter products.

［KEYWORDS］electric igniter; p-t curve; negative pressure

0 引言

壓力-時間（p-t）曲線的測試方法是判定點火類火工品工作性能最常用的測試手段。通過數據采集系統采集火工品在密閉容器中發火時的p-t曲線，提取特征參數，并與合格火工品的p-t曲線特征參數進行比較，利用數理統計的方法對某一批次火工品進行品質鑒定^［1］。

在進行點火類火工品發火測試的過程中，經常會遇到p-t曲線測試異常的現象，有時還會出現在電點火器正常發火時測出負壓的情況，這可能會對該發火工品的工作性能作出誤判，甚至可能會影響整批次產品的正常交付。因此，需要對這種測試異常情況進行研究，從而不斷規范測試過程，降低測試異常對產品工作性能的誤判。

電點火器在密閉容器內正常發火時會出現高溫、高壓氣體，p-t曲線測試結果應該表征出有一定的正壓。因此，負壓的出現從理論上很難說通，最后往往會籠統歸結到測試傳感器工作不正常或測試系統工作不正常等意外因素。通常未能認識到出現該問題的根本原因。

本文中，針對某型導彈發動機使用電點火器在發火測試時出現的負壓情況，進行了故障樹排查、理論分析和試驗驗證，最終找到了造成該現象的真正原因。

1 試驗部分

在進行某型導彈發動機用電點火器（以下簡稱產品）出廠交驗的發火輸出性能試驗時，參試的15發產品中出現2發輸出p-t曲線異常的情況，即在前100 ms時間段里記錄的壓力均為負壓。2發故障產品的發火輸出p-t曲線見圖1（a）和圖1（b）;正常產品的輸出曲線見圖1（c）。

2發故障產品的發火輸出p-t曲線與正常曲線相比差異非常大。但2個故障產品的輸出p-t曲線本身具有很強的一致性，即在測試系統采集的100 ms內的有效曲線均表現為負壓。

為排查故障原因，對發火試驗后的15發產品分別編號1^#～15^#，并進行了電阻和絕緣電阻檢測。除發火曲線異常的產品外，其余13發產品的絕緣電阻均在正常范圍內，見表1。2發發火輸出p-t曲線異常的產品在發火前絕緣電阻均正常，實測電阻分別為596、1 158 MΩ（要求電阻不小于20 MΩ），而在發火后，絕緣電阻為歐姆級，基本處于導通狀態。經初步分析，該2發產品發火后的絕緣電阻異常可能與產品發火輸出p-t曲線異常之間存在一定的聯系。

在電火工品發火后，絕緣電阻處于不可控的狀態，即大部分產品的絕緣電阻仍然能夠保持在兆歐級別，但有少部分產品可能因為金屬殘渣使腳-殼之間導通，從而失去絕緣性能^［2］。鑒于此時火工品的工作任務已經完成，在總體設計時，大多數的導彈武器系統往往通過控制電路來管控火工品發火后因絕緣失效可能造成的短路影響。基于上述原因，用戶并未對該產品發火后的絕緣性能提出要求。

2 結果與討論

2.1 故障樹排查結果

對故障樹底事件進行分析、排查，除了產品發火后絕緣電阻超差可能造成故障不能排除外，產品發火不正常的原因、測試系統的問題和傳感器損壞等各類底事件均可排除。可以判斷，產品發火后，絕緣電阻失效對測試系統的采集信號造成了干擾，進而導致采集信號曲線的異常。

2.2 機理分析

火工品發火輸出壓力測試的原理是：對裝在測壓裝置內的火工品施加規定的激發能量，火工品發火后產生的氣壓作用在壓力傳感器上，產生了一個和壓力變化相對應的電信號，經電荷放大器放大后，由記錄系統處理并給出p-t曲線。火工品輸出壓力測試系統由p-t觸發采集系統、恒流源、測壓裝置、壓電傳感器、電荷放大器等組成^［3］，見圖2。圖2中：測壓裝置通過傳感器外殼及導線接地；產品外殼通過測壓裝置接地。

由圖2畫出的等效電路如圖3所示^［4］。圖3中：R₁為電點火器電阻；R₂為傳感器電阻；R_F為反饋電阻；C_F為反饋電容；A、B為輸出端。

對等效電路進行分析可知：

1）在正常情況下，產品發火后的絕緣電阻正常，恒流源與電點火器形成獨立的發火電路，產品外殼、測壓裝置與傳感器外殼等相連部位均無電位差。此時，電荷放大器兩極輸出正相電壓，即A顯示為“+”、B顯示為“－”。因此，該情況下測試系統采集到的為正電壓波形，如圖1（c）所示。

2）在異常情況下，產品發火后絕緣性能失效，恒流源、火工品外殼、測壓裝置及傳感器外殼等形成電流放電回路，傳感器輸出參考電位發生變化，輸出信號相位也發生變化，電荷放大器輸出反向電壓，即A顯示為“－”、B顯示為“+”。因此，該情況下測試系統采集到的為負電壓波形，如圖1（a）和圖1（b）所示。

通過對發火測試等效電路進行分析，找出了測試系統采集到電點火器輸出p-t曲線顯示負壓的原因，從而為測試過程中采集到負壓曲線提供了理論依據。

2.3 同類問題延伸與分析

在統計歷次點火類產品輸出p-t曲線測試出現負壓的情況時發現：負壓只是在使用壓電式傳感器測試的環節出現，在應變式傳感器的測試過程中，卻未出現過該現象；且同一種產品在發火測試過程中，使用壓電式傳感器測試時曾經出現過負壓的異常現象，而在使用應變式傳感器測試時未出現負壓現象。這說明了這種情況的出現還與傳感器的選型有關。

壓電式傳感器的工作原理：基于壓電效應，當壓電材料受到外力作用時，表面會形成電荷;電荷通過放大器、測量電路的放大以及變換阻抗后，被轉換為與所受到的外力成正比關系的電量輸出;再經測試系統換算，將電壓信號轉換為壓力信號，表征出壓力曲線^［5］。壓電式傳感器只應用在動態測量當中，原因是受到外力作用后產生的電荷，當回路有無限大的輸入阻抗時，才可以得以保存下來。因此，該類型傳感器易受到外部電信號的干擾。測試原理如圖4所示。

應變式傳感器主要工作原理是基于壓阻效應，即感應受到機械式應力時所產生的電阻變化。不同于壓電效應，壓阻效應只產生阻抗變化，并不會產生電荷。應變式傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。該電橋封閉于傳感器中，不與外部電場直接接觸，所以不易受到外部電信號的干擾^［6］。敏感芯體沒有外加壓力作用時，電橋處于平衡狀態（稱為零位）；當傳感器受壓后，芯片電阻發生變化，電橋將失去平衡；給電橋加一個恒定的電流或電壓源，電橋將會輸出與壓力對應的電壓信號，通過電橋轉換成壓力信號輸出，經過放大后，再經過電壓與電流的轉換，變換成相應的電流信號。測試原理見圖5；等效電路見圖6^［7］。

圖6中：R₁、R₂、R₃、R₄分別為惠斯登電橋4個橋路電阻；R₁、R₂和R₃為固定電阻；R₄是可變電阻；A、B、C、D為輸出端。當R₄感應外界施加的壓力發生變化時，A、B之間的電壓發生變化。采集電壓變化，即可換算成外界環境中物理量的變化，從而實現測試目的。

從圖6的等效電路可看出，應變式傳感器與測試產品不共地，發火電路與測試電路互為獨立的電路控制系統，即便出現產品發火后絕緣性能失效的情況，也不會對測試電路造成任何影響。

根據2種傳感器工作原理的分析，基于自身的特性，2種傳感器分別應用到不同場景。對瞬發度高（作用時間一般為10 ms）的小型點火具、電點火器、電爆管等火工品，壓力作用時間和峰值壓力上升時間短，峰值壓力較大，要求測試系統必須頻帶寬，不受溫度影響。所以，應選擇容積較小的密閉爆發器和諧振頻率較高的壓電晶體式壓力傳感器構成的測試系統（頻率大于150 kHz），從而保證系統對輸出壓力的變化速率反應快、靈敏度高。而對體積較大的點火具和動力源火工品，壓力作用時間和峰值壓力上升時間較長，峰值壓力相對較小。因此，應選擇容積較大的密閉爆發器和諧振頻率不高（頻率大于20 Hz）的應變式壓力傳感器構成測試系統，這樣可使p-t曲線穩定、平滑、波動小^［8］。

分析可知，本次出廠驗收試驗中電點火器的輸出壓力測試選用壓電式傳感器是合適的，測試結果是能得到保證的。但由于選用的壓電式傳感器自身更易受到發火電路干擾的特性，造成了當產品發火后絕緣性能失效時，將發火電路輸入電流經產品腳線、產品外殼、金屬測壓裝置耦合到傳感器信號采集回路中，使傳感器采集信號時受到干擾，從而表征出輸出p-t曲線呈現負壓的異常現象。

3 驗證

3.1 驗證方案

1）靜態測試。針對發火后絕緣電阻失效的試驗產品殘骸，按照正常發火試驗條件施加相應的電流信號。同時，利用壓電式傳感器和應變式傳感器，分別測試2種傳感器上的電壓信號。

2）發火測試。正常火工品在發火后絕緣電阻異常的情況并不會必然出現，而是存在一定的概率。因此，特選用發火前絕緣電阻不合格的產品進行測試。同時，利用壓電式傳感器和應變式傳感器，分別測試2種傳感器上的電壓信號。

需要引起重視的是，在將絕緣電阻異常的產品安裝到測壓裝置上時，應避免產品殼體與發火電源正極（非接地一極）共地的情況。通過萬用表檢測電阻可進行有效判斷。因為產品殼體與發火電源正極（非接地一極）共地情況下出現絕緣電阻故障時，可能會影響產品的發火性能^［9］。

3.2 驗證結果

3.2.1 靜態測試

將發火后絕緣電阻失效的同款電點火器殘骸（絕緣電阻為0.2 kΩ）裝到測壓裝置上。在測壓裝置的對稱部位分別安裝了量程均為0～30 MPa的Z3-Y1型壓電式傳感器和6215型應變式壓力傳感器，分別連接示波器，同時進行信號采集。按照正常起爆試驗條件對產品施加5 A、20 ms的電流，用示波器測得2種傳感器上的電壓信號，如圖7所示。測試結果表明，從壓電式傳感器上可測到3 V、20 ms的干擾信號，而應變式傳感器上未采集到任何干擾信號。

3.2.2 發火測試

將發火前絕緣電阻失效的同批次電點火器（絕緣電阻為112 Ω）裝到測壓裝置上。在測壓裝置的對稱部位分別安裝了量程均為0～30 MPa的ZQ-Y1型壓電式傳感器和6215型應變式壓力傳感器。壓電式傳感器連接p-t數據采集系統采集發火輸出p-t曲線，應變式傳感器連接示波器來采集發火輸出p-t曲線。從試驗現象和試驗后的殘骸判斷，該發電點火器發火正常。通過壓電式傳感器和p-t測試系統采集的發火輸出p-t曲線異常，同樣出現了負壓現象（圖8）；而通過應變式傳感器和示波器采集的發火輸出p-t曲線正常（圖9）。

3.3 測試小結

從驗證試驗結果可見，不論是進行靜態測試還是發火動態測試，在產品出現絕緣性能失效的情況下，使用壓電式傳感器均會造成在采集信號時受到干擾，使輸出p-t曲線呈現負壓；而使用應變式傳感器，即使在產品絕緣性能失效的情況下則依然能采集到正常的發火輸出p-t曲線。上述理論分析結果與試驗驗證結果是完全一致的。

4 結論

對某型導彈發動機用電點火器在發火測試時出現負壓的異常情況，進行了故障樹排查、理論分析和試驗驗證，最終找到了造成該故障的原因是產品發火后絕緣性能失效，導致發火電路與測試電路耦合，形成電流回路，進而使電荷放大器輸出端形成負壓。

通過對歷次火工品發火測試時出現的負壓情況進行梳理發現，負壓僅在使用壓電式傳感器的測試過程中出現。進一步分析壓電式傳感器和應變式傳感器的工作原理可知，壓電式傳感器更易受到發火電路干擾。最后，通過靜態測試和發火測試驗證了本次發火輸出p-t曲線出現負壓情況的故障原因，理論分析與試驗驗證結果一致。

對分析電點火器類產品發火輸出p-t曲線異常的現象提供了參考。

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