一种冲击波超压无线式存储测试系统的研究大学学位论文.doc
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1、一种冲击波超压无线式存储测试系统的研究 中北大学学位论文一种冲击波超压无线式存储测试系统的研究摘要本文根据某研究所的冲击波超压测试项目需求,将存储测试技术与无线通信技术结合起来,设计和研发了一种具有无线设置和控制功能的存储式冲击波超压测试系统。本测试系统主要由以下几部分组成:传感器、电源管理电路、信号调理电路、信号的采集与存储电路、USB读数电路、无线通信设备和计算机等。其中信号的采集与存储电路是核心部分,应用FPGA来实现系统逻辑时序的控制和数据的存储,采用闪存做存储器使系统具有了测试完毕后掉电数据不丢失的特点;无线通信设备的运用使测试系统操作更方便,性能更可靠。本测试系统具有用无线ZigB
2、ee设备或USB来进行系统参数的设置,参数包括模拟信号放大倍数(2种)、采样频率(4种)、重触发方式(2种)、触发方式(4种)、内触发电平等;用无线ZigBee设备控制系统状态如:上电、下电、触发;用爆炸起点记录装置记录下爆炸时刻的时间,使各个测点具有统一时基。另外本测试系统在直接测取冲击波超压压力时间曲线的同时,也能够测取到两个在同一射线上的被测点之间的冲击波平均速度,并据此换算出两点间的平均冲击波超压峰值,进而来判定直接测得的冲击波超压值的合理性。本测试系统用激波管法进行了系统标定并做了实爆试验,获取了理想的静爆试验数据,验证了测试系统的有效性和可靠性。关键词:冲击波超压,存储测试,FPG
3、A,FLASH,无线ZigBee技术Research About a Kind of Wireless Memory Test System for The Superpressure of Blast WaveAbstractAccording to the demand for the test of blast wave,In this article,we will combine the test technology and the wireless communication technology,designed and researched a memory test sys
4、tem for superpressure of blast wave which having the wireless establishment and the control function.This test system is mainly composed of the sensor, power management circuit, signal recuperation circuit, signal gathering and storage circuit, USB readings circuit,wireless communication circuit and
5、 the computer and so on.The signal gathering and storage circuit is the core in ths system. The application of FPGA realize the control system logic sequence, using flash memory for data storage and make systems data have been tested is not lost because of power-down;and the use of wireless communic
6、ation devices to make the operation to test system performance more convenient and reliable.The input voltage of the piezoresistive transducer,gain,sampling frequency and negative delay can respectively be graded programming through the wireless communication equipment and USB of test system;with Zi
7、gBee wireless device control system mode for example: turning on or off the power ,triggering;recording the time of explosion by using recording devices at the explosive moment,making each measuring point with a uniform time base. In addition,when the pressure-time curve of the overpressure in the s
8、hock wave was taken measurements directly by this test system,we also can obtain the average shock waves between the two measured point, and thus converted the average shock wave peak overpressure between two points,then to determine if the directly measured value of the shock wave overpressure is r
9、easonable.This test system with shock tube system calibration method and the practical exploding experiment,obtaining ideal blasting test data, the test system is proved valid and reliable.Key words: Shock wave measurement,Stored testing and measuring technology,FPGA,Flash, ZigBee wireless technolog
10、y目 录第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.1.1课题研究背景11.1.2课题研究意义11.2爆炸冲击波信号特点介绍21.3存储测试技术发展现状41.4无线ZigBee技术发展现状71.5FPGA发展现状及前景81.6本论文的主要工作内容及章节安排9第二章 测试系统的总体设计思路102.1系统的功能指标要求102.2系统的性能指标要求102.3测试系统总体设计112.3.1系统设计分析112.3.2系统组成12第三章 测试系统的硬件设计183.1传感器的选择183.2模拟模块电路设计193.2.1传感器供电电路193.2.2电源管理电路203.2.3模拟信号的滤波放大电路223.3数字
11、模块电路设计253.3.1A/D转换电路设计253.3.2FPGA控制电路设计273.3.3Flash存储电路设计303.3.4无线通信模块电路设计363.3.5USB读数模块电路设计39第四章 测试系统的软件程序设计424.1FPGA控制程序设计424.1.1控制AD程序设计434.1.2闪存读写与擦除程序控制454.2USB读数软件设计504.3计算机软件设计534.3.1系统参数设置534.3.2数据读取与数据处理54第五章 测试系统动态标定565.1测试系统动态特性的测试方法565.1.1动态测试方法565.1.2准静态测试方法565.2测试系统动态标定575.2.1测试系统动态灵敏度
12、的标定585.2.3 测试系统动态误差的标定605.2.4 测试系统动态特性分析62第六章 测试系统实爆试验646.1试验现场装置布置介绍646.2试验测试数据及分析656.2.1通过测速换算平均理论超压值666.2.2压力时间曲线分析66第七章 结论70参考文献攻读硕士期间发表的论文及研究成果致谢II第一章 绪论 1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景本课题来源于某研究所的冲击波超压测试项目,主要用于以燃料空气炸弹以及激光制导炸弹为代表的各种火箭弹、航空炸弹等大装药量弹药的现场静爆空气冲击波测试,同时它也可以应用于其他武器毁伤威力的评估。1.1.2课题研究意义冲击波的应用非常广泛,不
13、管是在科学研究、民用还是在军用方面都占据重要的地位。1、科学研究方面固体物理和材料科学方面实验室内最容易获得高温高压条件的是冲击波,所以研究物质在不同状态下的性能尤其在高温高压下的性能时,采用冲击波方法来进行研究是最方便的了。例如用冲击波可以研究物质的电磁性质、状态方程等。地球物理科学方面地球物理学家为了了解地球内部处于高温高压状态下的成分组成或者为了研究在高速碰撞过程中产生的陨石的性质,就必须采用用同样高温高压和高速的手段去模拟它们的环境条件,所以他们也需要应用冲击波技术。化学科学方面冲击波化学主要研究的是在冲击波作用下的化学反应,是一门十分有希望的学科。例如,在煤气化时如果采用粉末作为催化
14、剂,在冲击波作用后,催化作用能够增加倍。由于冲击波具有加热快、冷却快、压力高等特点,能够对化学反应能起到一些特殊作用,提高反应效率或形成特殊化合物。因此冲击波对科学研究会起到很大的作用,值得做进一步研究。2、民用方面冲击波技术在民用方面具有广泛的用途,如爆炸压床、合成新材料;如人造金刚石和氮化硼等。尤其是在激光或者电子束聚爆氘氚小球这些能源研究方面最有希望的方向上以及可控剧变方面是离不开冲击波技术的。3、在军事应用方面如炸弹爆炸产生爆炸波的研究,无论在常规炸弹或原子弹、氢弹的研制和防护上均是十分重要的应用:其他如穿甲弹的设计和防护、普通弹丸的加速、弹片的破碎等1。尤其到了21世纪,世界主要民事
15、大国继续加速推进武器装备研发,高新武器推陈出新。欧洲防御局的24个成员国在2005年的一年内研发费用约为90亿欧元。美国国防工业日报报道,俄罗斯政府将在20072015年8年时间内斥资约1.33万亿卢布用于新型武器装备的研发。所有这些,都对我国武器研制、装备技术的发展提出了更高的要求。爆炸类武器在研制过程中都必须面临着更高的要求和更严格的测试,其中对武器的杀伤力和摧毁效果有着严格的标准。当今世界形势中除了核武器的威慑作用外,大威力的常规武器才是世界各国竞相研制的重要方向。大口径的爆破弹、火箭及导弹的战斗部、航弹、水雷等武器对目标的杀伤作用主要是爆炸产物和冲击波直接作用的结果。爆炸产物在距离较近
16、处起作用,杀伤力大,而冲击波能在较远距离对各种目标起杀伤和破坏作用,因此爆炸冲击波是这类武器在距离较远处的重要杀伤因素。在各种武器、弹药等的研制与试验过程中,都需要对其毁伤威力进行评估,尤其是对爆炸冲击波造成的毁伤程度进行评估。所以爆炸冲击波超压的测试非常重要。综上所述,冲击波超压测试在社会各个领域都有着重要意义和深远影响。1.2爆炸冲击波信号特点介绍炸弹在大气环境中爆炸时,在极短时间内释放出高温、高压火球,此火球由爆炸产物组成并且急剧、迅速的朝周围空间膨胀,形成了极强的超压冲击波。在这个移动的波阵面到达之前是静止的空气,当波阵面到达该地时,空气压力将瞬时升高并且远远超过大气压力,故称为超压,
17、超压的最大值取决于爆炸威力和距爆心的距离;在波阵面后方是沿着冲击波前进方向快速流动着的空气团即阵风,它对障碍物产生的压力被称为动压。爆炸冲击波的毁伤效果的程度主要取决于冲击波超压、动压峰值及其作用时间23。一般情况下,以冲击波超压为主。以爆炸源在大气中的理想爆炸冲击波为例,介绍爆炸冲击波的爆炸作用过程。假设爆炸是发生在一个静止的并且均匀的大气中,并假设爆炸源是球对称的,这样爆炸波的特性就仅仅是离爆炸源中心的距离R及时间t的函数。如果再假定存在着一个理想的压力传感器,它不但不阻碍波阵面后空气的流动,而且能够给出与超压变化完全同步的测试结果, 那么在某一距离R处的绝对压力的时间历程如图1.1所示。
18、正相负相图1.1 理想爆炸冲击波压力-时间曲线 则在爆炸发生后的某个时刻,环境压力在到达时间时,压力很突然地上升到某个峰值,然后在时间内,压力衰减到环境压力,后又继续下降了幅度为的部分真空,最后在总时间内回到环境压力。数值通常称为峰值静(侧向)超压或仅称为峰值超压。压力大于环境压力的那部分时间历程称为持续时间的正相;压力小于环境压力,幅度为,持续时间为的那部分时间历程称为负相,也称为负压区。正负相冲量是重要的爆炸波参数,正相和负相的冲量表达式如下45:正相冲量: (1.1)负相冲量: (1.2)1.3存储测试技术发展现状1997年,华北工学院测试技术重点实验室基于动态测试理论,提出了一种冲击波
19、超压的存储测试方法。通过多次试验获取了相关数据,并对实验曲线进行了相应的分析与处理,用系统辨识的方法给出系统的传输特性曲线,对于测试系统动态特性的补偿问题作了探讨6。1998年3月,华北工学院测试技术重点实验室在冲击波测试方法上进一步进行了探索,根据测试系统存在超调而无法给出冲击波超压峰值误差的难题,设计了兼顾被测信号的有效带宽和测试系统的特性的滤波器,能够得到被测信号误差很小的估计值7。1998年8月,北京理工大学提出了基于燃料空气炸药(FAE)爆炸压力场的基本特征及爆轰波、冲击波压力测量理论,系统地研究了FAE的爆炸压力测试技术。在综合分析研究多种爆炸压力测试方法的基础上,提出了以内装电压
20、放大器的测压系统代替电荷放大器的测压系统及数字存储式的压力测试系统为主要的两种测试方法8。1999年,中国工程物理研究院也在冲击波存储测试方面提出了一些相关的看法9。2002年,北京理工大学针对爆炸冲击波存储测试问题,提出了一种新型数字存储式测压系统设计思想,建立了存储测试系统信息传输模型及测试通道信息有效性准则,引入了信息的真和率失真函数概念进行测试通道设计10。2004年,中北大学动态测试和智能仪器实验室研制成功了可同时测速测压的存储式冲击波测试系统,并进行了多次实爆试验,标志着冲击波存储测试技术已基本成熟11。2006年中北大学动态测试和智能仪器实验室开始将无线通信技术应用于存储式冲击波
21、超压测试系统中,改善了冲击波存储测试方法。根据靶场试验的某些复杂环境,所用的压力场测试方法一般包括以下几种:(1)等效靶板法:选择某些适合的靶板,经标定后安装在实爆试验现场,爆炸试验后测量其破坏程度就可以得到相应的超压和比冲量值。虽然此方法可以用来测试与衡量冲击波的超压值,但对超压值的测量也不太准确,同时也不能得到相应的冲击波压力-时间曲线和正压、负压时间。(2)等效压力罐法:薄铁皮罐按照某些固定的间隔对称布置在以待测弹心为圆心的径向地面某处,爆炸试验后比较薄铁皮罐的毁伤程度,得到的结果作为被测试弹药的相对威力性能的量度。此种方法不但简单易行而且有效,可以作为一种爆炸压力场测试的辅助方法。但是
22、它只能够用于对爆炸威力的相对评估,也就是只能比较威力大小,不能达到准确的测试压力的目的。(3)生物试验法:此种试验方法需要选择具有代表性的一类生物,按照一定的测试要求而布置在爆炸现场某些具体方位处,爆炸试验后,大致观察生物的毁伤情况,分级进行评判。该法是评价武器对软目标毁伤程度的最直接、最有说服力的一种方法。但是这种生物试验需要耗费大量的人力资源和物力资源,并具有它的负面效应12。(4)应用测量冲击波的速度和粒子速度等进行换算得冲击波峰值压力。为了测量冲击波的速度,我们可以通过测量冲击波走过的距离和相应用的时间来得到。而冲击波走过的距离我们可以提前设置好,所以只需要测出冲击波走过这段恒定距离所
23、用的时间就可以。传统的测量冲击波经过一定距离所用的时间的方法有很多,如高速转镜法、激光干涉仪、光纤探针法13、电容法、电磁法等。随着传感器技术的发展,空气冲击波超压的电测法14得到了广泛的应用,其直接用传感器及存储装置测量冲击波超压,这种测试方法相比之下更加直接、简单、准确。随着这种方法的不断发展,目前大当量装药的实爆试验比较常用的冲击波超压测试方法主要有两种:引线式测试方法和存储式测试方法。这两种试验方法可以直接测试得到爆炸冲击波的压力-时间曲线。以下简单介绍这两种实验方法。引线式测试方法是将压力传感器置于爆炸测试现场,前置适配器、瞬态信号记录仪以及计算机等一些其他设备置于远离现场的掩体内。
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