挑戰(zhàn):火工品試驗具有一定的危險性，因此，對系統(tǒng)的發(fā)火控制部分提出了很高的要求，點火控制器必須具有高可靠性，保證每次試驗的可靠發(fā)火，同時，繼電器的接觸觸電電阻要很小，不能影響產(chǎn)品發(fā)火性能；

火工品輸出性能測試屬于瞬態(tài)測試，信號變化比較快，需要配置高速同步數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行快速記錄數(shù)據(jù)；

火工品試驗屬于不可重復(fù)的試驗，需要高可靠性的數(shù)據(jù)采集卡，保證每次試驗的成功；

火工品輸出性能參數(shù)比較多，針對不同的產(chǎn)品性能，使用不同的傳感器，需要配置靈活可變的信號調(diào)理模塊；

火工品試驗需要時同步觸發(fā)高速攝影機，因此要求采集卡具有TRIG IO接口去觸發(fā)外圍其他設(shè)備。

解決方案:以火工品多態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)為背景，通過了解和調(diào)研火工品輸出性能參數(shù)的信號特點和常用的測試方法，分析和總結(jié)出準(zhǔn)確測試火工品輸出性能的儀器性能指標(biāo)，選配了合適的壓力、溫度、推力等傳感器、信號調(diào)理器、凌華PCI-9846D高速數(shù)據(jù)采集卡工控機等硬件設(shè)備，并根據(jù)用戶要求設(shè)計出點火控制器，使系統(tǒng)不僅具備自檢功能，提高了操作者進(jìn)行發(fā)火試驗的安全性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)手/自動發(fā)火方式切換。采用NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺，開發(fā)出一套火工品多態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析軟件，系統(tǒng)具有程控設(shè)置信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集與分析處理、數(shù)據(jù)保存、回放、生成報告等功能。

凌華科技PCI-9846D高速數(shù)字化儀在火工品測試中的應(yīng)用

作者：湯金偉，男，1983年5月，北京森羅南華科技有限公司，助理工程師，中國石油大學(xué)（北京）機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事于測控系統(tǒng)集成工作。

一、應(yīng)用背景

火工品是裝有火藥或者炸藥，受到外界刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，以引燃火藥、引爆炸藥或做機械功的一次性使用的元器件和裝置的總稱。它常用于引燃火藥、引爆炸藥，還可作為小型驅(qū)動裝置，用以快速打開活門、解除保險及火箭級間分離等。

根據(jù)民用爆破器材術(shù)語GB\T 4659-2003規(guī)定，火工品一般有以下幾種分類方法^[1]。

火工品按輸出特性可分為引燃火工品、引爆火工品、其他火工品三大類，詳見表1。

表1 火工品按輸出特性分類表

Table 1 Explosive classifications according to characteristics of output

火工品按結(jié)構(gòu)的狀況可分為簡單火工品和復(fù)雜火工品兩大類。

火工品可以分為機械能激發(fā)、熱能激發(fā)、電能激發(fā)、光能激發(fā)、化學(xué)能激發(fā)、爆轟能激發(fā)六大輸入激發(fā)能形式。從火工品輸入激發(fā)能形式進(jìn)行分類，詳見表2。

表2 火工品按輸入能源特性分類表

Table 2 Explosive classifications according to characteristics of input energy

火工品的輸出性能參數(shù)有很多，包括壓力、推力、溫度、沖擊加速度、位移、作用時間、橋路熔斷時間、延期時間等。這些性能參數(shù)的獲取方法是通過給被測試火工品提供足夠的電壓和電流去激發(fā)火工品作用，同時記錄下火工品輸出的各種參數(shù)。為了實現(xiàn)用一套設(shè)備對多種火工品的多項性能進(jìn)行測試，更好、更充分的利用測試系統(tǒng)，因此有必要設(shè)計一種適用于多種火工品性能檢測的綜合測試系統(tǒng)。這樣就可以在一次試驗過程中獲得產(chǎn)品輸出性能的多個參數(shù)值，為產(chǎn)品性能設(shè)計和作用機理研究提供了豐富的信息量，對提高火工品設(shè)計質(zhì)量和降低研制成本具有重要的參考價值^[2]。

二、面臨問題

火工品試驗具有一定的危險性，因此，對系統(tǒng)的發(fā)火控制部分提出了很高的要求，點火控制器必須具有高可靠性，保證每次試驗的可靠發(fā)火，同時，繼電器的接觸觸電電阻要很小，不能影響產(chǎn)品發(fā)火性能；

火工品輸出性能測試屬于瞬態(tài)測試，信號變化比較快，需要配置高速同步數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行快速記錄數(shù)據(jù)；

火工品試驗屬于不可重復(fù)的試驗，需要高可靠性的數(shù)據(jù)采集卡，保證每次試驗的成功；

火工品輸出性能參數(shù)比較多，針對不同的產(chǎn)品性能，使用不同的傳感器，需要配置靈活可變的信號調(diào)理模塊；

火工品試驗需要時同步觸發(fā)高速攝影機，因此要求采集卡具有TRIG IO接口去觸發(fā)外圍其他設(shè)備。

三、解決方案

    根據(jù)需要搭建測試系統(tǒng)的要求，經(jīng)過對市場上相關(guān)產(chǎn)品的調(diào)研，選擇以DEWETRON公司的信號調(diào)理模塊和凌華公司的PCI-9846D高速數(shù)據(jù)采集卡基礎(chǔ)，并自制點火控制器快速開發(fā)出了適合多種火工品試驗的儀器。

本系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理器、工控機、點火控制器等設(shè)備組成。工作過程如下：當(dāng)工控機通過USB口控制點火控制器閉合繼電器時，火工品就處于發(fā)火狀態(tài)，此時，產(chǎn)品橋絲會在瞬間熔斷產(chǎn)生一個短脈沖電壓信號，即橋絲熔斷信號和產(chǎn)品作用的壓力或者推力等信號。用不同的傳感器去測試相應(yīng)的物理信號，傳感器輸出微弱的電壓或電荷信號到信號調(diào)理器，信號調(diào)理器利用放大器將微弱信號放大到5V，并濾除高頻信號，放大器的放大倍數(shù)和濾波頻率由工控機通過RS-485總線進(jìn)行控制設(shè)置。經(jīng)過調(diào)理后的信號就可以用采集卡進(jìn)行讀取，而信號變化速度非?？?，所以采用高速卡進(jìn)行測量。測試完畢后，就可以在本系統(tǒng)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析、保存數(shù)據(jù)、生成報告的操作。

1.  信號調(diào)理器

為了滿足技術(shù)要求中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4通道可以任意連接不同的傳感器的要求，即實現(xiàn)萬能通道的功能，本系統(tǒng)的信號調(diào)理器選擇奧地利Dewetron公司的DEWE-31-16信號調(diào)理器^[3]。

（1）放大器主要性能指標(biāo)：

輸入量程從±2.5mV到±10V程控可調(diào)；

可以程控輸出0~12V的激勵電壓；

可以為1/2或者1/4橋應(yīng)變傳感器提供內(nèi)部橋路補償；

內(nèi)部包含50K和100K的并聯(lián)電阻；

支持TEDS傳感器。

（2） 濾波板主要性能指標(biāo)：

16通道2階低通濾波；

低噪聲濾波設(shè)計；

各個通道獨立設(shè)置濾波頻率功能；

由程控放大器直接控制；

濾波頻率100Hz，1KHz，10KHz，30KHz，100KHz。

2.  采集卡---PCI-9846D高速采集卡^[4]

4通道同步采樣，每通道最高采樣率可同時達(dá)到40MSps；

A/D分辨率：16位；

通道耦合方式：DC；

輸入阻抗：可以軟件設(shè)置50歐姆或者1M歐姆；

 時鐘：本地時鐘、外部時鐘、總線時鐘、PCI 40MHz；

觸發(fā)方式：預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)、延遲觸發(fā)；

觸發(fā)電平：觸發(fā)電平在量程范圍內(nèi)256級程控設(shè)置，外觸發(fā)電平是TTL電平；

觸發(fā)源：軟件觸發(fā)、數(shù)字IO口觸發(fā)、通道觸發(fā)；

板載內(nèi)存：512M；

Fig4 PCI-9846D

3.  點火控制器

點火控制器是為了實現(xiàn)系統(tǒng)在測試火工品時，調(diào)節(jié)發(fā)火電流，自檢回路連接情況以及用于產(chǎn)品發(fā)火的功能。

當(dāng)產(chǎn)品選擇用恒流源發(fā)火時，需要調(diào)節(jié)好產(chǎn)品的發(fā)火電流，首先，用低阻測試儀測量產(chǎn)品的電阻，根據(jù)這個阻值，調(diào)節(jié)模擬產(chǎn)品電阻的滑動變阻器R7，用它來代替產(chǎn)品電阻進(jìn)行電流的調(diào)節(jié)，然后根據(jù)電源的電壓旋鈕和外接的滑動變阻器RP2，調(diào)節(jié)發(fā)火電流至設(shè)計值。

當(dāng)產(chǎn)品選擇用電容發(fā)火時，首先要把S1開關(guān)撥向充電狀態(tài)，由干電池給電容充電，通過查看靜電電壓表看電容的電量，待充滿后，把S1撥向放電狀態(tài)準(zhǔn)備發(fā)火。

在發(fā)火之前，要進(jìn)行自檢，即檢查整個發(fā)火線路是否連接正常。方法是在保證產(chǎn)品不被激發(fā)的條件下，閉合自檢回路的繼電器，讓電流通過回路看其是否有數(shù)值。根據(jù)產(chǎn)品的特性，自檢電流必須小于5mA才能確保產(chǎn)品不作用。因此，根據(jù)產(chǎn)品的最大發(fā)火電壓就可以計算出自檢回路所需串聯(lián)的電阻大小。

在正式發(fā)火試驗時，為了減少采樣電阻給產(chǎn)品發(fā)火帶來的影響，本系統(tǒng)發(fā)火線路采用的繼電器是水銀繼電器，它的接觸電阻非常小，可以忽略不計，這樣就可以避免回路對產(chǎn)品發(fā)火性能的影響。

4.測試方法

以壓力產(chǎn)品為例，測試系統(tǒng)由試驗現(xiàn)場部分及控制室兩部分組成。由于密閉爆發(fā)器試驗存在一定的危險性，因此爆發(fā)器本體、堵頭、壓力傳感器及有關(guān)部分均置于試驗現(xiàn)場，點火控制部分及數(shù)據(jù)采集部分在控制室，兩部分之間進(jìn)行安全隔離。

試驗進(jìn)行時，在密閉爆發(fā)器內(nèi)安裝好試驗藥品后，利用點火控制器對點火電阻絲加瞬時高壓使之溫度升高變紅，引燃點火藥，再引燃要實驗的藥品，使燃燒室內(nèi)氣壓升高，引起傳感器的感應(yīng)變化，輸出一個瞬時電壓值，利用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把電壓值的變化波形記錄下來作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于密閉爆發(fā)器試驗過程極短，因此優(yōu)質(zhì)的壓力傳感器和高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便成為試驗數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確及時捕捉到的關(guān)鍵。如圖6所示。

在火工品點火測試過程中，對橋絲熔斷前后取樣電阻兩端電平變化過程進(jìn)行測試，測試過程如下

如圖7，當(dāng)繼電器開關(guān)未閉合時，電路斷路，橋絲沒有電流通過，取樣電阻上沒有電壓，電平為低電平。當(dāng)繼電器開關(guān)閉合時，橋絲通電，取樣電阻上會產(chǎn)生一個高電平，此時火工品點火后產(chǎn)生高溫熔斷橋絲，電路斷路，取樣電阻兩端電壓變?yōu)榈碗娖?。熔斷過程耗時約幾百微秒到幾個毫秒，整個電平變化過程的信號頻率約幾千赫茲到幾十千赫茲。

五、軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件是程序開發(fā)者通過使用儀器驅(qū)動程序，開發(fā)出的直接面對操作用戶的應(yīng)用程序，它通過直觀友好的界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，完善的數(shù)據(jù)保存等功能，來完成自動測試任務(wù)。

虛擬儀器的應(yīng)用軟件可以根據(jù)個人愛好和特長采用各種軟件開發(fā)環(huán)境來開發(fā)。開發(fā)環(huán)境包括兩大類：一種是基于文本式軟件開發(fā)平臺，如Visual C++ 、Visual Basic、Delphi和LabWindows/CVI開發(fā)平臺等；另一種是基于圖形化的軟件開發(fā)平臺，如HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺等^[5,6,7]，本系統(tǒng)選用Labview作為系統(tǒng)程序的開發(fā)平臺。

系統(tǒng)軟件分為測試信息輸入、信號調(diào)理器設(shè)置、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集與處理、保存、生成報告、數(shù)據(jù)回放再處理等幾個功能模塊。模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)使程序清晰、整潔，而且方便以后為系統(tǒng)擴展和升級服務(wù)。

信號調(diào)理模塊的主要任務(wù)是將DEWETRON公司開發(fā)的軟件DEWESoft中用于控制信號調(diào)理器部分的程序集成到LabVIEW中，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)軟件能夠單獨設(shè)置信號調(diào)理器的功能。利用LabVIEW的ActiveX控件容器^[8]，可以調(diào)用DEWETRON提供的ActiveX控件，并根據(jù)DEWESoft程序員開發(fā)手冊^[9]，成功實現(xiàn)對信號調(diào)理器的程序控制；系統(tǒng)校準(zhǔn)主要是針對使用電阻應(yīng)變式傳感器時，需要用活塞壓力機對系統(tǒng)整體進(jìn)行校準(zhǔn)，只有整個測試系統(tǒng)的非線性誤差、滯后性誤差、不歸零度以及不重復(fù)性誤差滿足國軍標(biāo)要求時，才能進(jìn)行試驗，而且標(biāo)定點和對應(yīng)的電壓值進(jìn)行偏差平方和最小的原則利用最小二乘法計算出測試系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系的斜率和截距，以用來在進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換時調(diào)用；對于鎢錸熱電偶的工程單位轉(zhuǎn)換需要根據(jù)熱電偶的分度表計算插值計算，在LabVIEW中利用圖形化程序進(jìn)行大量計算時會使程序非常復(fù)雜，而且運行速度也很慢，因此，可以利用公式節(jié)點，把程序代碼添加到節(jié)點中，這樣大大簡化了程序，提高了系統(tǒng)的運算速度。

系統(tǒng)軟件具有豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，在數(shù)據(jù)處理完成后，系統(tǒng)利用LabVIEW的office工具包^[10]生成專業(yè)的測試報告并把數(shù)據(jù)文件以TDMS格式進(jìn)行存儲。通過Access數(shù)據(jù)庫，對每次試驗都會根據(jù)測試時間、產(chǎn)品名稱和操作者以及保存文件的存放路徑生成一個記錄集到數(shù)據(jù)庫中，這樣在數(shù)據(jù)回放再處理時，可以先根據(jù)時間、操作者或者產(chǎn)品名稱查詢以前的數(shù)據(jù)文件位置，然后格局序號再點擊打開，系統(tǒng)就會把當(dāng)前記錄的數(shù)據(jù)文件路徑發(fā)送到系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)回放再處理模塊就可以很快的調(diào)用以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理了；而對于無效的數(shù)據(jù)用戶也可以在這里進(jìn)行刪除文件。通過數(shù)據(jù)庫的管理，大大方便了用戶對于大量數(shù)據(jù)文件的查找和應(yīng)用，系統(tǒng)功能進(jìn)一步得到完善，而且由于試驗測試數(shù)據(jù)的重要性，因此在刪除之前必須確保不能誤刪，因此在本數(shù)據(jù)庫中，可以打開相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)保存文件，通過查看試驗結(jié)果確保文件不會被誤刪除。用戶可以在查詢項目下拉列表選擇按哪種索引進(jìn)行查詢，并在查詢條件框中按相應(yīng)的格式輸入的搜索條件，點擊查詢鍵即可在列表中顯示出所有符合條件的數(shù)據(jù)文件的情況。并通過使用序號選擇框，具體選擇要操作的文件，如打開，刪除。打開功能主要是用戶可以打開需要的文件，把數(shù)據(jù)顯示在數(shù)據(jù)回放再處理界面，進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)分析與處理。專業(yè)、完整的測試分析軟件都會為用戶提供系統(tǒng)幫助，以方便用戶查看應(yīng)用程序的操作方法。本系統(tǒng)軟件也提供了自己的幫助文檔一份，可以通過點擊幫助進(jìn)行調(diào)用。在Labview中，啟動其他Windows應(yīng)用程序最簡單的方法就是使用執(zhí)行系統(tǒng)命令。在命令行輸入端輸入DOS命令即可啟動幫助文件，此方法簡單方便有效^[11]。

六、試驗

1.試驗臺

每種產(chǎn)品都有自己的試驗裝置，例如，測量壓力的產(chǎn)品需要在相應(yīng)容積大小的測壓彈中發(fā)火才能得到預(yù)期的數(shù)據(jù)；推力產(chǎn)品需要緊固在試驗臺上，并保證與推力傳感器可靠連接；分離推桿產(chǎn)品測試參數(shù)比較多，每種傳感器的安裝位置都有技術(shù)要求規(guī)定。下面簡單介紹下幾種典型的試驗臺。

(1) 測壓容器

(2) 推力試驗臺

2.試驗測試

(1) 目的^[12]

測定火工品點火壓力—時間、推力-時間曲線等，評定其輸出性能隨時間變化的功能。

(2) 原理

對裝在測壓容器內(nèi)的火工品施加規(guī)定的激發(fā)能量，火工品發(fā)火后產(chǎn)生的氣體作用在傳感器上，使其輸出一個和壓力、推力等參數(shù)變化相對應(yīng)的電信號，經(jīng)信號調(diào)理器調(diào)理后，由PCI-9846D高速數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)。

 (3) 試驗程序

① 試驗準(zhǔn)備

(a) 連接測試系統(tǒng)。

(b) 對選用的測壓容器的容積進(jìn)行標(biāo)定，確定擬用的傳感器。

(c) 連接好發(fā)火線路，調(diào)試發(fā)火電流。

(d) 將傳感器安裝在活塞式壓力計上，并接好傳感器與信號調(diào)理器之間的連接。

② 靜壓標(biāo)定

每次試驗前應(yīng)對傳感器進(jìn)行靜壓標(biāo)定。標(biāo)定的壓力間隔數(shù)一般不少于四個，壓力間隔相等。靜壓標(biāo)定時，升壓、降壓過程各兩次。靜壓標(biāo)定技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足國軍標(biāo)規(guī)定，如不符合，應(yīng)查明原因，采取措施（如更換傳感器），重新進(jìn)行標(biāo)定，直到滿足要求。

③ 安裝

(a) 將標(biāo)定好的傳感器同試驗產(chǎn)品一起安裝在測壓容器上，確保密封。

(b) 固定好裝有試驗產(chǎn)品和傳感器的測壓容器，接好傳感器引線、發(fā)火線、觸發(fā)線及其他有關(guān)連線，使系統(tǒng)處于待測狀態(tài)。

④ 試驗測試

利用系統(tǒng)的自檢功能對產(chǎn)品的連接情況進(jìn)行自檢，如果自檢不通過，請檢查電源是否打開，點火控制器是否通電，產(chǎn)品發(fā)火夾時候連接好等，自檢通過后即可進(jìn)行發(fā)火測試，采集數(shù)據(jù)。

(4) 數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品性能分析

  ① 產(chǎn)品1

Fig 15 Product 1

表3產(chǎn)品1的兩次試驗結(jié)果的主要技術(shù)參數(shù)比較

Table 3 Compare the technical parameters of the two test results of product 1

結(jié)論：產(chǎn)品1橋絲熔斷時間不大于1ms，從通電到5MPa壓力點的時間不大于10ms，最大壓力不低于8.5MPa，滿足了產(chǎn)品1的性能要求，證明了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的正確性。

    ② 產(chǎn)品2

表4 產(chǎn)品2主要技術(shù)參數(shù)

Table 4 The technical parameters of product 2

結(jié)論：產(chǎn)品2從通電到作用時間不能超過2.5s，本次試驗采集數(shù)據(jù)正確。

③ 產(chǎn)品3

表5 產(chǎn)品3主要技術(shù)參數(shù)

Table 5 The technical parameters of product 3

結(jié)論：產(chǎn)品3總沖量不低于265 N·s，作用時間不低于0.5s，系統(tǒng)正確。

7.結(jié)論

本文以火工品多態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)為背景，通過了解和調(diào)研火工品輸出性能參數(shù)的信號特點和常用的測試方法，分析和總結(jié)出準(zhǔn)確測試火工品輸出性能的儀器性能指標(biāo)，選配了合適的壓力、溫度、推力等傳感器、信號調(diào)理器、凌華PCI-9846D高速數(shù)據(jù)采集卡工控機等硬件設(shè)備，并根據(jù)用戶要求設(shè)計出點火控制器，使系統(tǒng)不僅具備自檢功能，提高了操作者進(jìn)行發(fā)火試驗的安全性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)手/自動發(fā)火方式切換。采用NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺，開發(fā)出一套火工品多態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析軟件，系統(tǒng)具有程控設(shè)置信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集與分析處理、數(shù)據(jù)保存、回放、生成報告等功能。

通過在用戶現(xiàn)場進(jìn)行實際的火工品試驗測試，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性，達(dá)到了用戶的使用要求。

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[12] GJB5309.24《火工品試驗方法 第24部分:點火壓力—時間曲線測定》.

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凌華科技致力于量測、自動化及計算機通訊科技之改進(jìn)及創(chuàng)新，提供解決方案給全球網(wǎng)絡(luò)電信、智能交通及電子制造客戶。憑著對專業(yè)技術(shù)的執(zhí)著與實踐客戶承諾的自我要求，領(lǐng)先業(yè)界推出多項創(chuàng)新性產(chǎn)品，獲ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485、臺灣精品、TL9000等多項認(rèn)證。凌華科技為Intel®智能系統(tǒng)聯(lián)盟（Intel® Intelligent Systems Alliance）會員，PICMG協(xié)會和PC/104協(xié)會可參與制定規(guī)格的會員，PXI Systems Alliance協(xié)會董事會及最高等級會員，以及AXIe聯(lián)盟戰(zhàn)略會員。目前在美國、新加坡、中國、日本、德國設(shè)有子公司，在印度、韓國、法國、以色列設(shè)有辦事處，為當(dāng)?shù)乜蛻籼峁┛旖莘?wù)和實時支持。網(wǎng)址：http://www.adlinktech.com/cn。