基于ICP压电传感器的冲击波超压存储测试系统设计

设计一款集传感器、调理电路及数据采集电路为一体的存储测试系统。采用存储测试技术原理设计的冲击波超压采集存储测试系统，利用新型ICP压电传感器能够将压电模块与内置电荷放大器集成一体的优势，使输出为放大信号；通过运算放大器和MAX4638的搭配运行，实现增益可调的功能；采用LC-Π型滤波对相应的模拟电压进行滤波处理，放大后的信号再经过Sallen-Key二阶滤波器进行滤波处理。采用FPGA进行数字逻辑控制设计，提高测试系统的稳定性和可靠性，并减小系统体积。经测试表明：在相同测试环境下，冲击波超压持续时间与测试半径成正比，而冲量大小与之成反比。系统已多次参与弹药静爆试验，验证其可靠性、稳定性。

关键词：ICP压电传感器；存储测试；冲击波；超压

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）05-0082-04

Abstract： For the deficiencies of the existing blast wave overpressure test system， a set of storage test system integrated with sensors， conditioning circuit and data acquisition circuit was designed. With the blast wave overpressure acquisition storage test system designed by using the principle of storage testing technology and the new ICP piezoelectric sensor， the piezoelectric module could be integrated with the built-in charge amplifier， so as to output amplified signal. It achieved a gain adjustable function through the matching operation of opamp and MAX4638. The corresponding analog voltage was filtered by LC-Π filter， then the amplified signal was filtered through the Sallen-Key second-order filter. FPGA was used for digital logic control design to improve the stability and reliability of the test system and reduce the volume of the system. The test shows that under the same test conditions blast wave overpressure duration is proportional to the test radius， and is inversely proportional to the size and the impulse. The system has been repeatedly involved in static explosion test of ordnance to verify its reliability and stability.

Keywords： ICP piezoelectric sensor； storage test； blast wave； overpressure

0 引 言

沖击波超压存储测试技术是我国某些研究领域不可或缺的一门重要技术，比如动力、冲击等领域，都运用了此技术。尤其是在我国军事领域上的应用极为重要，当武器在前期试验中为了确定其杀伤威力时，冲击波超压和冲量就是衡量其性能的重要指标参数[1-2]。目前，国内主流的测试方法分别为等效靶板法和有线式电测法。等效靶板法就是以靶板的形变程度作为依据对冲击波超压和冲量的大小进行分析[3]，由于靶板的形变程度很难精确测量，因此该测试方法在有关精度方面存在明显不足[4]。有线式电测法的不足在于其布线复杂，而且由于传感器电缆存在阻抗导致信号严重衰减及幅值相位的失真。

与上述两种传统的测试方法相比，该文所采用的存储测试技术方法主要是将传感器及相关电路集成化，尽可能地缩小体积，通过外壳的保护从而提高抗击能力，极大提升了测试的可靠性。该文最后给出了冲击波超压测试曲线，并计算了冲量及持续时间。

1 冲击波信号主要特征

冲击波是指发生爆炸时，周围空气温度瞬间聚变，能量的波动给周边环境造成巨大震荡，产生的高压气浪具有上升沿陡、初值高、衰减快、持续时间短等特点[5-6]。为了获取完整的信号，就必须要求所配备的测试装置在响应速度以及工作频带方面具有突出的优势。

2 ICP压电传感器及调理电路

由于冲击波信号的测试是一个瞬态过程，而且具有上升沿陡峭的特点，因此在测试当中所面临的最大障碍就是传感器的时间响应问题，一般情况下需要在极短时间内完成。对于当前的测试任务，只有压电式压力和压阻式压力两类传感器可以更好完成，然而这两种传感器都分别存在不足之处，导致测试结果很难达到理想状态。就传统的压电式压力传感器而言，由于其较低的谐振频率及高输出阻抗，需要通过外部的放大器把电荷转换为低阻抗的电压作为输出，这样在绝缘阻抗方面要求严格，但是由于自然界存在许多不可抗拒的因素导致很难满足要求，造成了信号漂移，严重影响测试精度。对于压阻式压力传感器，最大不足在于其具有较强的感光效应，如果采用近距离的爆炸冲击测试，爆炸瞬间产生的强光会给测试信号带来了极大的噪声干扰[7-8]，因此并不适合近距离冲击波超压测试。

随着集成电路技术的不断发展，ICP压电传感器的应用基本弥补了目前测试系统的缺陷。其主要特点是集成度较高，而且内置了电荷放大器，能够输出放大信号。由于其具备了抗干扰力强[9-10]、测试精度高、频率高、信噪比高及运行较稳定等诸多特点，因此在冲击波超压测试中得到了广泛的应用。

该文选用美国PCB公司的113系列传感器，该传感器具有量程范围大、谐振频率高、上升时间短等特点[11-12]，非常适合冲击波超压测试，具体性能指标见表1。

ICP压电传感器正常运行需要供给20～30 V的恒流源，为了测试便捷，该文采用了8.4 V的锂电池作为系统电源。文中还设计了DC-DC升压电路和恒流电路来配合ICP压电传感器的驱动运行，采用TPS61170功率级芯片，通过电阻电容的匹配设计，实现了电源从8.4 V到24 V的升压变换，再通过恒流二极管来实现恒定电流输出。

系统模拟电路框图如图1所示，系统除了升压恒流电路还有LDO线性电源，主要是产生5 V的恒定电压可供增益可调电路的运算放大电路以及滤波电路使用，此外还将产生1.25 V的偏置电压，供系统使用。为降低电源纹波，采用LP2985作为线性电源的核心部件，该芯片具有大动态范围输入，通过匹配外围电阻电容，实现电源从8 V到5 V的转化。放大电路的设计主要是通过OPA2350运算放大器和MAX4638的搭配运行，实现了增益可调的功能。文中采用LC-Π型滤波对相应的模拟电压进行滤波处理，最终实现了降低模拟电路噪声的目的。针对ICP压电传感器输出8～14 V的直流偏置电压，需要对电路进行交流耦合及增益可调处理。由于增益可调电路具备8个档位的放大模式，所以在测试前，根据实际情况合理设置增益放大倍数。放大后的信号经过偏置电路处理到0～2.5 V范围内，再经过Sallen-Key二阶滤波器进行滤波处理，滤波器截止频率设计为200 kHz。信号在进行数模转换之前需进行滤波处理。

3 数据采集存储电路

为更好地实现对冲击波信号的采集存储，文中采用FPGA作为主控芯片，主要完成A/D、SDRAM以及USB的时序控制，其原理如图2所示。其主要工作流程如下：在实验过程中，首先把控好每个测试节点，通过爆炸当量以及当前的测试距离等条件分析出最佳的测试位置；然后利用系统配备的USB对所测试节点的参数进行相关设置，其中包括采样频率、存储长度、放大倍数、触发电平、负延时长度、定时时间等；系统在采样开始之前会进入定时阶段，此时系统处于低功耗状态，而且系统禁止触发；当系统全速运行时，各个节点就会循环进入采样阶段，冲击波信号使系统触发后，有效数据按照顺序写入SDRAM，当数据满足预设的存储长度，写数据完成，系统自动关闭A/D采样模块，此时就可以通过USB将SDRAM中冲击波数据读回。

4 电路标定及测试结果验证

系统在设计完成以后，需要对所测数据做标定实验。标定过程中，既可以选择信号发生器作为信号的输出，也可以用稳压源作为信号的输出。该实验选用了信号发生器输出一定幅值范围内的正弦波信号，并且分别选择7个测试信号进行验证。通过上位机软件读取信号幅值的数字量，最后利用线性方程（最小二乘法）对所标定的数据进行线性比对。则满足以下方程：

yi=axi+b+εi， i=1，2，…，7（1）

其中εi表示其他随机因素对数字量yi的影响，而且服从正态分布函数N（0，σ）。标定结果如表2所示。

为验证系统的稳定性和可靠性，将测试节点按30°，60°，150° 3个径向方向分布，最终分布如图3所示。在30°径向方向分别放置了1#，2#，3#，4#，5# 5个测试节点（均处于相同测试环境下），在60°径向方向布置了6#号测试节点，在150°径向方向布置了3个节点，分别为7#，8#，9#号测试节点（8#、9#处于相同测试环境下），测试半径间隔为30 m。测试前，根据不同当量弹药和测试半径通过USB对节点进行参数设置，测试前参数设置如表3所示，测试数据处理结果如表4所示，图4、图5为4#，8#，5#，9#测试节点的超压值曲线。从表4可以看出，测试环境相同的条件下，冲击波超压值随测试半径增加依次减小，持续时间增长，冲量也随之减小，对于30°径向方向上的测试节点，在测试半径为30 m处，超压峰值为1 753 kPa，超压持续时间为2.681 ms，在测试半径分别为60，90，120，150 m处，超压峰值分别为175.28，88.983，57.599，35.147 kPa，而持续时间分别为37.650，46.181，56.374，57.603 ms，30 m处超压值分别为各节点超压值的10倍、19.7倍、30倍、50倍，持续时间为30 m处的14倍、17倍、21倍、21.5倍。超压值和持续时间随测试半径的增加变化显著。实际验证表明，当测试半径相同，但测试场地不平坦时，冲击波超压值也会相差很大。在相同测试环境下，随着测试半径的不断增大，冲击波超压值总体符合衰减的规律，这充分体现了冲击波传播的特性；冲击波超压持续时间与所测试半径有直接性联系，成正比关系，而冲量大小与之成反比关系。因此对冲击波传播过程中能量守恒的规律做出了明确的说明。

5 结束语

与传统的有线式电测法测试系统相比，该文设计了一种将传感器、调理电路以及数据采集电路集于一体的存储测试系统，该系统具有功耗低、体积小、性能稳定、操作方便等特点，可以随时布置在测试现场完成冲击波超压测试，并能计算出不同测试半径冲击波对应的冲量和持续时间。该系统可以对增益触发电平、放大倍数、采样频率等参数进行编程设置，对爆炸现场测点多，环境恶劣的问题得到了很好的解决。该系统已多次参与弹药静爆威力测试，其可靠的稳定性为武器弹药威力评价提供了有力的支撑。

参考文献

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（编辑：商丹丹）

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