第２３卷第２期 ２０１０年２月 传感技术学报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１０ Ｔｈｅ Ｂｌａｓｔ Ｗａｖｅ Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ－Ｃｏｎｔｒｏｌ ＤＯＮＧ Ｂｉｎｇｙｕ，ＤＵ Ｈｏｎｇｍｉａｎ，ＺＵ ｉｎｇ ｒ（Ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ—ｃｏｎｔｒｏ１．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｏｖｅｒ－ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｆｉｇｕｒｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｒａｎｇｅｓ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｃｉｒｃｕｉｔ，Ａ／Ｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ‘ｔｒｉｇｇｅｒ， ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｄｅｎｓｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ－ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｈａｓ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｅｍｏｒｉｚｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｏ—ｎｅｅｄ ｏｆ ｃａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；ｂｌａｓｔ ｗａｖｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ—ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ＥＥＡＣＣ：７２１０：７３２０Ｖ 基于无线控制的冲击波超压测试系统 董冰玉，杜红棉，祖 静 （中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１） 摘 要：本文介绍了基于无线控制的冲击波超压测试系统，根据冲击波信号的特点确定了系统的测试原理、采样参数等。该 系统将压力传感器、适配电路、Ａ／Ｄ转换器、无线触发、控制电路、通讯接口及电池紧凑在一起，构成一种可相对工作的便 携式冲击波场超压测试仪。该系统具有无线控制、微功耗、无需引线等特点，具有抗干扰性强和无需电缆引线的优点，特别适 宜于大范围多测点的冲击波测试试验场合。 关键词：测试；冲击波超压；无线控制；爆炸 中图分类号：ＴＮ０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０２—０２７９—０３ 目前，冲击波测试系统分为有线式测试系统和存 在分别上电后都处于循环采样状态，装置中的无线模 块处于接收状态，在引爆战斗部前，手动控制无线控制 平台以广播的方式发出触发信号，无线接收模块收到 命令后３００毫秒后关闭（防止爆炸时天线引进噪声）， 储式测试系统。有线式测试系统由压力传感器、二次 仪表与瞬态波形记录仪（或高速数据采集系统）组成 的测试系统，这种方法存在的问题一是布置电缆引线 费时费力，二是电起爆信号和爆炸产生的电磁干扰通 测试装置在收到触发信号后进人单次采集状态，采集 完毕后装置进入低功耗状态，等待回收读数。 天线 过电缆引线耦合进入测试系统，常会造成误触发或带 来很大的噪声¨ 。存储式测试系统，如果采用内触 发，装置不需要引线，但测试曲线没有同一的时基；如 果采用外触发，一般都采用断线式外触发，测试曲线 具有同一的时基，但每一个测点都需外触发引线。我 们在存储式测试系统的基础上提出了一种无引线式 的具有同一时基的冲击波超压测试系统。 图１ 无线冲击波超压测试系统框图 １ 系统设计方案 整个基于无线控制的冲击波场测试系统由无线控 制平台和多个带无线接收模块的存储测试装置组成， ２关键技术 ２．１无线控制技术 根据文献［２］中附录Ｃ超压场对人体杀伤判据 其系统框图如图１。系统的工作原理为：所有测试装置 收稿日期：２００９—０９—２３ 修改日期：２００９—１０—２１ 的依据，无线控制平台处的冲击波超压应小于０．０３ ２８０ 传感技术学报 第２３卷 ＭＰａ，无线控制平台距爆心的距离一般为几百米。 因此无线控制模块选用上海顺舟科技公司生产的 ＳＺ－０５系列ＺＩＧＢＥＥ无线数据通信模块。 ＺｉｇＢｅｅ技术是一种新型的应用于短距离范围内， 系统采样频率为１ ＭＨｚ，存储容量为４ ＭＷ，分辨率 都为１４ ｂｙｔｅ，根据测试装置距爆心的距离，设置不 同的压力测量量程。 存储测试装置是一个集压力传感器、适配电路、 低速率传输的无线通讯技术，主要具有功耗低、成本 低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好等特点。Ｚｉｇ— Ｂｅｅ无线系统可组成星型、网状以及簇状结构，为了降 低成本，ＺｉｇＢｅｅ节点采用两种类型，一种是全功能器件 （ＦＦＤ），它承担网络协调者的功能，可以同网络中的任 Ａ／Ｄ变换、存储电路、控制电路、接口、电源等于一体的 微型测试装置，避免了压力传感器、二次仪表与瞬态波 形记录仪（或高速数据采集系统）之间的长电缆引线， 抗干扰能力加强。存储测试装置可现场实时采集、量 化和存ｆ 己录冲击波波形。其原理框图如图２。 何设备通信，可存在于任何拓扑结构中；另一种是简化 功能器件（ＲＦＤ），只能与主器件通信，实现简单，多用 于星型拓扑结构中＿］ Ｊ。为保证触发信号的同步性， 本系统采用星型结构。该模块主要完成触发信号的发 送和接收。在引爆战斗部前，手动控制无线控制平台 给出同步触发信号。同步触发信号通过中断方式给 ２存储测试装置原理框图 适配电路部分将传感器的输出模拟信号进行放 大、滤波等处理，将模拟信号转换成为适合变换器输 出，主节点接收到中断信号（保持２００ ｉｎｓ）后以广播方 式发送，保证触发信号的同步性。从节点在接收到触 入的信号。Ａ／Ｄ变换器选用ＡＤ７４８４，将连续的模 发信号前保持低功耗状态等待中断信号。接收到同步 触发信号后４８５管脚立即置低控制存储测试装置触 发，保持３００ Ｉｌｌｓ后恢复高电平，这时停止无线模块供 电，防止爆轰区电离场对测试电路的影响。 ２．２传感器的选择 拟信号转换为离散的数字信号。控制电路和存储电 路将数字信号进行存储操作。数据存储完毕后，测 试系统进人休眠状态以降低功耗。采集结束后，回 收记录器，通过ＵＳＢ接口由计算机对装置进行数据 的读取，并度记录的数据进行分析处理。 软件采用面向对象设计的技术，硬件平台为ＰＣ 机，软件平台为Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ，程序设计由ＶＩＳＵＡＬ Ｂ 传感器是测试技术的核心 。传感器采用的 是美国ＰＣＢ公司生产的ＰＣＢ１１３系列ＩＣＰ压力传感 实现。软件具备常规的波形显示，打印和计算等数 据处理功能。 器，该类型传感器具有体积小，响应速度快、精度高 等优点，但是需要恒流源供电，并且有直流偏置电 压，所以须给传感器提供信号转换电路和调理电路， ３实验结果及其分析 该系统对某８００ ｋｇ当量的温压弹进行冲击波 超压测试，分别测量距爆心１４ ｍ、１９ ｎｌ和２３ ｉｎ处的 把冲击波信号调理到合适的电压范围内，方便后续 电路进一步对信号处理。 ２．３存储测试技术 根据冲击波信号前沿陡峭（时域宽度是ｎｓ 级 ）、持续时间在几毫秒到十几毫秒的特点，设置 ０．７ ０ ６ ０．５ 冲击波超压值，每个测量距离上分别测量３个地面 冲击波超压值和１个自由场冲击波超压值。获得 １２条曲线，测量典型曲线见图３。 ０．４ ０．３ ０．２ ０．１ ０ —３等 ８｛ ０ —０ ｌ ０ ２ ｍＳ ０．１ ｍｓ （ａ）１４ ｍ地面冲击波超压曲线 ０．２０ 日（ｂ）１９ ｍ地面冲击波超压曲线 ０．１４ ０．１２ ０．１０ ０．０８ ０．０６ ０．０４ ０．０２ ０ ０．０２ ｍＳ ０．１５ ０ １０ ，凸一 ～．一Ｏ．０５ Ｊ —０ １８．４ ｌ８．６ １８．８ １９．０ ｌ９．２ １９．４ ｌ９．６ ｍｓ （ｃ）２３ ｍ地面冲击波超压曲线 图３测量典型曲线 （ｄ）２３ ｍ自由场冲击波超压曲线 第２期 董冰玉，杜红棉等：基于无线控制的冲击波超压测试系统 ２８１ 从测试曲线上看冲击波信号前有弹片、锆合金块 Ｐ 。 ＝８９２．８百帕，温度为２７℃，也即是试验现场的 飞过引起的弹道波信号和爆炸时地震波信号。冲击 大气温度ｖａｉ ＝３００ Ｋ，实验环境为土壤地面，取ｋ＝ 波信号后面有被击中引起的噪声信号，尤其是２３ ｍ １．８，温压弹距地面的高度Ｈ＝１．３３ ｍ。根据文献 地面冲击波超压曲线。 ［７］中所述计算方法反推ＴＮＴ当量，选用金尼一格雷 各地面测点都在马赫反射区，试验现场大气压 厄姆公式，各测点的数据见表１。 表１ 实测冲击波数据与理论冲击波数据比较 由于测试场地的不平坦，有些相同距离测试点 学报，２００４，２５（４）增刊：１３４—１３５． 数据相差较大。反算的ＴＮＴ当量均值为７９９．４５ 中国人民第三十二试验训练基地．ＧＪＢ ５２１２—２００４云 ｋｇ，均方根差为４９．６，根据文献［７］中异常数据的判 爆弹定型试验规程［Ｓ］．北京：总装备部军标出版发行部出 版，２００４． 断，无异常数据，反算ＴＮＴ当量为７９９．４５ ｋｇ。 李文仲，段朝玉，等编著．ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术入门与实战 ４ 总结 ［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００８． 宋文，等编著．无线传感网络器网络技术与应用［Ｍ］．电子工 无线冲击波超压测试系统是一种较为先进的冲击 业出版社，２００６． 波超压测量手段。该系统利用在无线通信领域较先进 许辉，文丰，翟成瑞，等．水下爆炸冲击波数据记录仪的设计与 实现［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（１）：１４３—１４５． 的ＺＩＧＢＥＥ技术、较完善的软硬件设计和抗干扰措施， 黄正平．爆炸与冲击电测技术［Ｍ］．北京：国防工业出版 保证了系统工作的可靠性和准确性。系统同样适用于 社，２００６． 其它爆炸物爆炸压力等的测量，有较大的推广价值。 中国工程物理研究院、第二炮兵驻中国工程物理研究院型号 办、第二炮兵装备研究院、航天科工集团三院．ＧＪＢ ６３９０．３— 参考文献： ２００８面杀伤导弹战斗部静爆威力试验方法第３部分：冲击波 『１］马铁华．祖静．冲击波超压存储测试技术研究［Ｊ］．仪器仪表 超压测试［Ｓ］．北京：总装备部军标出版发行部出版，２００８． 董冰玉（１９８３一），女，硕士研究生，主 祖静（１９３２一），男，教授，博士生导 要研究方向为动态测试； 师，享受国家特殊津贴，曾荣获山 西省科技功臣、兵器工业总公司劳动模 范等称号，于１９９７年获“光华”一等奖。 主要从事动态测试与智能仪器研究方 向，是我国“存储测试技术”奠基人，获 国家发明二等奖和国家发明三等奖各 一项、省部级科技进步二等奖两项，以 及多项省、部级科技进步奖。
