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凌华科技PCI-9846D高速数字化仪在火工品测试中的应用

来源: 编者: 发布时间:2013-01-14

  

 应用领域:火工品测试

挑战:火工品试验具有一定的危险性,因此,对系统的发火控制部分提出了很高的要求,点火控制器必须具有高可靠性,保证每次试验的可靠发火,同时,继电器的接触触电电阻要很小,不能影响产品发火性能;
火工品输出性能测试属于瞬态测试,信号变化比较快,需要配置高速同步数据采集卡进行快速记录数据;
火工品试验属于不可重复的试验,需要高可靠性的数据采集卡,保证每次试验的成功;
火工品输出性能参数比较多,针对不同的产品性能,使用不同的传感器,需要配置灵活可变的信号调理模块;
火工品试验需要时同步触发高速摄影机,因此要求采集卡具有TRIG IO接口去触发外围其他设备。
解决方案:以火工品多态参数测试系统的设计与实现为背景,通过了解和调研火工品输出性能参数的信号特点和常用的测试方法,分析和总结出准确测试火工品输出性能的仪器性能指标,选配了合适的压力、温度、推力等传感器、信号调理器、凌华PCI-9846D高速数据采集卡工控机等硬件设备,并根据用户要求设计出点火控制器,使系统不仅具备自检功能,提高了操作者进行发火试验的安全性,而且能够实现手/自动发火方式切换。采用NI公司的LabVIEW软件开发平台,开发出一套火工品多态参数测试系统的数据采集与分析软件,系统具有程控设置信号调理器、数据采集与分析处理、数据保存、回放、生成报告等功能。

作者:汤金伟,男,1983年5月,北京森罗南华科技有限公司,助理工程师,中国石油大学(北京)机械电子工程专业,现从事于测控系统集成工作。
一、应用背景
火工品是装有火药或者炸药,受到外界刺激后产生燃烧或爆炸,以引燃火药、引爆炸药或做机械功的一次性使用的元器件和装置的总称。它常用于引燃火药、引爆炸药,还可作为小型驱动装置,用以快速打开活门、解除保险及火箭级间分离等。
根据民用爆破器材术语GB\T 4659-2003规定,火工品一般有以下几种分类方法。
火工品按输出特性可分为引燃火工品、引爆火工品、其他火工品三大类。
火工品按结构的状况可分为简单火工品和复杂火工品两大类。
火工品可以分为机械能激发、热能激发、电能激发、光能激发、化学能激发、爆轰能激发六大输入激发能形式。从火工品输入激发能形式进行分类,详见表2。
火工品的输出性能参数有很多,包括压力、推力、温度、冲击加速度、位移、作用时间、桥路熔断时间、延期时间等。这些性能参数的获取方法是通过给被测试火工品提供足够的电压和电流去激发火工品作用,同时记录下火工品输出的各种参数。为了实现用一套设备对多种火工品的多项性能进行测试,更好、更充分的利用测试系统,因此有必要设计一种适用于多种火工品性能检测的综合测试系统。这样就可以在一次试验过程中获得产品输出性能的多个参数值,为产品性能设计和作用机理研究提供了丰富的信息量,对提高火工品设计质量和降低研制成本具有重要的参考价值。
二、面临问题
火工品试验具有一定的危险性,因此,对系统的发火控制部分提出了很高的要求,点火控制器必须具有高可靠性,保证每次试验的可靠发火,同时,继电器的接触触电电阻要很小,不能影响产品发火性能;
火工品输出性能测试属于瞬态测试,信号变化比较快,需要配置高速同步数据采集卡进行快速记录数据;
火工品试验属于不可重复的试验,需要高可靠性的数据采集卡,保证每次试验的成功;
火工品输出性能参数比较多,针对不同的产品性能,使用不同的传感器,需要配置灵活可变的信号调理模块;
火工品试验需要时同步触发高速摄影机,因此要求采集卡具有TRIG IO接口去触发外围其他设备。
三、解决方案
根据需要搭建测试系统的要求,经过对市场上相关产品的调研,选择以DEWETRON公司的信号调理模块和凌华公司的PCI-9846D高速数据采集卡基础,并自制点火控制器快速开发出了适合多种火工品试验的仪器。

本系统由传感器、信号调理器、工控机、点火控制器等设备组成。工作过程如下:当工控机通过USB口控制点火控制器闭合继电器时,火工品就处于发火状态,此时,产品桥丝会在瞬间熔断产生一个短脉冲电压信号,即桥丝熔断信号和产品作用的压力或者推力等信号。用不同的传感器去测试相应的物理信号,传感器输出微弱的电压或电荷信号到信号调理器,信号调理器利用放大器将微弱信号放大到5V,并滤除高频信号,放大器的放大倍数和滤波频率由工控机通过RS-485总线进行控制设置。经过调理后的信号就可以用采集卡进行读取,而信号变化速度非常快,所以采用高速卡进行测量。测试完毕后,就可以在本系统软件中进行数据处理与分析、保存数据、生成报告的操作。
信号调理器
为了满足技术要求中数据采集系统的4通道可以任意连接不同的传感器的要求,即实现万能通道的功能,本系统的信号调理器选择奥地利Dewetron公司的DEWE-31-16信号调理器。
(1)放大器主要性能指标:
输入量程从±2.5mV到±10V程控可调;
可以程控输出0~12V的激励电压;
可以为1/2或者1/4桥应变传感器提供内部桥路补偿;
内部包含50K和100K的并联电阻;
支持TEDS传感器。


图2 放大器
Fig2 Amplifier

(2) 滤波板主要性能指标:
16通道2阶低通滤波;
低噪声滤波设计;
各个通道独立设置滤波频率功能;
由程控放大器直接控制;
滤波频率100Hz,1KHz,10KHz,30KHz,100KHz。

图3 滤波板
Fig3 Filter board

采集卡---PCI-9846D高速采集卡
4通道同步采样,每通道最高采样率可同时达到40MSps;
A/D分辨率:16位;
通道耦合方式:DC;
输入阻抗:可以软件设置50欧姆或者1M欧姆;
时钟:本地时钟、外部时钟、总线时钟、PCI 40MHz;
触发方式:预触发、后触发、中间触发、延迟触发;
触发电平:触发电平在量程范围内256级程控设置,外触发电平是TTL电平;
触发源:软件触发、数字IO口触发、通道触发;
板载内存:512M;

图4 PCI-9846D
Fig4 PCI-9846D
点火控制器
点火控制器是为了实现系统在测试火工品时,调节发火电流,自检回路连接情况以及用于产品发火的功能。

图5 点火控制器原理图
Fig5 Ignition controller schematic
当产品选择用恒流源发火时,需要调节好产品的发火电流,首先,用低阻测试仪测量产品的电阻,根据这个阻值,调节模拟产品电阻的滑动变阻器R7,用它来代替产品电阻进行电流的调节,然后根据电源的电压旋钮和外接的滑动变阻器RP2,调节发火电流至设计值。
当产品选择用电容发火时,首先要把S1开关拨向充电状态,由干电池给电容充电,通过查看静电电压表看电容的电量,待充满后,把S1拨向放电状态准备发火。
在发火之前,要进行自检,即检查整个发火线路是否连接正常。方法是在保证产品不被激发的条件下,闭合自检回路的继电器,让电流通过回路看其是否有数值。根据产品的特性,自检电流必须小于5mA才能确保产品不作用。因此,根据产品的最大发火电压就可以计算出自检回路所需串联的电阻大小。
在正式发火试验时,为了减少采样电阻给产品发火带来的影响,本系统发火线路采用的继电器是水银继电器,它的接触电阻非常小,可以忽略不计,这样就可以避免回路对产品发火性能的影响。
测试方法

图6测试方法
Fig6 Measure method
以压力产品为例,测试系统由试验现场部分及控制室两部分组成。由于密闭爆发器试验存在一定的危险性,因此爆发器本体、堵头、压力传感器及有关部分均置于试验现场,点火控制部分及数据采集部分在控制室,两部分之间进行安全隔离。
试验进行时,在密闭爆发器内安装好试验药品后,利用点火控制器对点火电阻丝加瞬时高压使之温度升高变红,引燃点火药,再引燃要实验的药品,使燃烧室内气压升高,引起传感器的感应变化,输出一个瞬时电压值,利用高速数据采集系统把电压值的变化波形记录下来作为分析的基础数据。由于密闭爆发器试验过程极短,因此优质的压力传感器和高速的数据采集系统便成为试验数据能否准确及时捕捉到的关键。如图6所示。
在火工品点火测试过程中,对桥丝熔断前后取样电阻两端电平变化过程进行测试,测试过程如下:
当继电器开关未闭合时,电路断路,桥丝没有电流通过,取样电阻上没有电压,电平为低电平。当继电器开关闭合时,桥丝通电,取样电阻上会产生一个高电平,此时火工品点火后产生高温熔断桥丝,电路断路,取样电阻两端电压变为低电平。熔断过程耗时约几百微秒到几个毫秒,整个电平变化过程的信号频率约几千赫兹到几十千赫兹。
五、软件设计

应用软件是程序开发者通过使用仪器驱动程序,开发出的直接面对操作用户的应用程序,它通过直观友好的界面,丰富的数据分析与处理功能,完善的数据保存等功能,来完成自动测试任务。
虚拟仪器的应用软件可以根据个人爱好和特长采用各种软件开发环境来开发。开发环境包括两大类:一种是基于文本式软件开发平台,如Visual C++ 、Visual Basic、Delphi和LabWindows/CVI开发平台等;另一种是基于图形化的软件开发平台,如HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW开发平台等,本系统选用Labview作为系统程序的开发平台。
系统软件分为测试信息输入、信号调理器设置、系统校准、系统自检、数据采集与处理、保存、生成报告、数据回放再处理等几个功能模块。模块化的设计结构使程序清晰、整洁,而且方便以后为系统扩展和升级服务。


图9 设置界面
Fig 9 Set Interface


图10 采集界面
Fig 10 Acquisition Interface


图11 系统校准界面
Fig 11 System Calibration Interface
信号调理模块的主要任务是将DEWETRON公司开发的软件DEWESoft中用于控制信号调理器部分的程序集成到LabVIEW中,这样就实现了系统软件能够单独设置信号调理器的功能。利用LabVIEW的ActiveX控件容器,可以调用DEWETRON提供的ActiveX控件,并根据DEWESoft程序员开发手册,成功实现对信号调理器的程序控制;系统校准主要是针对使用电阻应变式传感器时,需要用活塞压力机对系统整体进行校准,只有整个测试系统的非线性误差、滞后性误差、不归零度以及不重复性误差满足国军标要求时,才能进行试验,而且标定点和对应的电压值进行偏差平方和最小的原则利用最小二乘法计算出测试系统对信号转换的线性关系的斜率和截距,以用来在进行工程单位转换时调用;对于钨铼热电偶的工程单位转换需要根据热电偶的分度表计算插值计算,在LabVIEW中利用图形化程序进行大量计算时会使程序非常复杂,而且运行速度也很慢,因此,可以利用公式节点,把程序代码添加到节点中,这样大大简化了程序,提高了系统的运算速度。
系统软件具有丰富的数据分析与处理功能,在数据处理完成后,系统利用LabVIEW的office工具包生成专业的测试报告并把数据文件以TDMS格式进行存储。通过Access数据库,对每次试验都会根据测试时间、产品名称和操作者以及保存文件的存放路径生成一个记录集到数据库中,这样在数据回放再处理时,可以先根据时间、操作者或者产品名称查询以前的数据文件位置,然后格局序号再点击打开,系统就会把当前记录的数据文件路径发送到系统中,数据回放再处理模块就可以很快的调用以前的数据进行再处理了;而对于无效的数据用户也可以在这里进行删除文件。通过数据库的管理,大大方便了用户对于大量数据文件的查找和应用,系统功能进一步得到完善,而且由于试验测试数据的重要性,因此在删除之前必须确保不能误删,因此在本数据库中,可以打开相应的二进制数据保存文件,通过查看试验结果确保文件不会被误删除。用户可以在查询项目下拉列表选择按哪种索引进行查询,并在查询条件框中按相应的格式输入的搜索条件,点击查询键即可在列表中显示出所有符合条件的数据文件的情况。并通过使用序号选择框,具体选择要操作的文件,如打开,删除。打开功能主要是用户可以打开需要的文件,把数据显示在数据回放再处理界面,进行第二次数据分析与处理。专业、完整的测试分析软件都会为用户提供系统帮助,以方便用户查看应用程序的操作方法。本系统软件也提供了自己的帮助文档一份,可以通过点击帮助进行调用。在Labview中,启动其他Windows应用程序最简单的方法就是使用执行系统命令。在命令行输入端输入DOS命令即可启动帮助文件,此方法简单方便有效。
六、试验
1.试验台
每种产品都有自己的试验装置,例如,测量压力的产品需要在相应容积大小的测压弹中发火才能得到预期的数据;推力产品需要紧固在试验台上,并保证与推力传感器可靠连接;分离推杆产品测试参数比较多,每种传感器的安装位置都有技术要求规定。下面简单介绍下几种典型的试验台。
(1) 测压容器

图12 测压容器
Fig 12 Pressure vessel

(2) 推力试验台

图13发动机试验台
Fig 13 Engine test stand

图14 推力试验台
Fig 14 Thrust test
2.试验测试
(1) 目的[12]
测定火工品点火压力—时间、推力-时间曲线等,评定其输出性能随时间变化的功能。
(2) 原理
对装在测压容器内的火工品施加规定的激发能量,火工品发火后产生的气体作用在传感器上,使其输出一个和压力、推力等参数变化相对应的电信号,经信号调理器调理后,由PCI-9846D高速数据采集卡读取数据。
(3) 试验程序
① 试验准备
(a) 连接测试系统。
(b) 对选用的测压容器的容积进行标定,确定拟用的传感器。
(c) 连接好发火线路,调试发火电流。
(d) 将传感器安装在活塞式压力计上,并接好传感器与信号调理器之间的连接。
② 静压标定
每次试验前应对传感器进行静压标定。标定的压力间隔数一般不少于四个,压力间隔相等。静压标定时,升压、降压过程各两次。静压标定技术指标应满足国军标规定,如不符合,应查明原因,采取措施(如更换传感器),重新进行标定,直到满足要求。
③ 安装
(a) 将标定好的传感器同试验产品一起安装在测压容器上,确保密封。
(b) 固定好装有试验产品和传感器的测压容器,接好传感器引线、发火线、触发线及其他有关连线,使系统处于待测状态。
④ 试验测试
利用系统的自检功能对产品的连接情况进行自检,如果自检不通过,请检查电源是否打开,点火控制器是否通电,产品发火夹时候连接好等,自检通过后即可进行发火测试,采集数据。
(4) 数据处理与产品性能分析
① 产品1

图15 产品1
Fig 15 Product 1
结论:产品1桥丝熔断时间不大于1ms,从通电到5MPa压力点的时间不大于10ms,最大压力不低于8.5MPa,满足了产品1的性能要求,证明了系统采集数据的正确性。
② 产品2

图16 产品2
Fig 16 Product 2
结论:产品2从通电到作用时间不能超过2.5s,本次试验采集数据正确。
③ 产品3


图17 产品3
Fig 17 Product 3
结论:产品3总冲量不低于265 N·s,作用时间不低于0.5s,系统正确。

7.结论
本文以火工品多态参数测试系统的设计与实现为背景,通过了解和调研火工品输出性能参数的信号特点和常用的测试方法,分析和总结出准确测试火工品输出性能的仪器性能指标,选配了合适的压力、温度、推力等传感器、信号调理器、凌华PCI-9846D高速数据采集卡工控机等硬件设备,并根据用户要求设计出点火控制器,使系统不仅具备自检功能,提高了操作者进行发火试验的安全性,而且能够实现手/自动发火方式切换。采用NI公司的LabVIEW软件开发平台,开发出一套火工品多态参数测试系统的数据采集与分析软件,系统具有程控设置信号调理器、数据采集与分析处理、数据保存、回放、生成报告等功能。
通过在用户现场进行实际的火工品试验测试,并对试验结果进行分析,验证了系统设计的正确性,达到了用户的使用要求。
8.参考文献
[1] 夏建才,刘丽梅.火工品制造.北京:北京理工大学出版社.2009,8:1-10.
[2] 付永杰,严楠.火工品燃气输出动态参数特性的分析与测试.火炸药学报.2007,6.第30卷第3期.
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[11] Robert H.Bishop.LabVIEW 8实用教程.北京:电子工业出版社,2008.
[12] GJB5309.24《火工品试验方法 第24部分:点火压力—时间曲线测定》.

关于凌华
凌华科技致力于量测、自动化及计算机通讯科技之改进及创新,提供解决方案给全球网络电信、智能交通及电子制造客户。凭着对专业技术的执着与实践客户承诺的自我要求,领先业界推出多项创新性产品,获ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485、台湾精品、TL9000等多项认证。凌华科技为Intel®智能系统联盟(Intel® Intelligent Systems Alliance)会员,PICMG协会和PC/104协会可参与制定规格的会员,PXI Systems Alliance协会董事会及最高等级会员,以及AXIe联盟战略会员。目前在美国、新加坡、中国、日本、德国设有子公司,在印度、韩国、法国、以色列设有办事处,为当地客户提供快捷服务和实时支持。网址:http://www.adlinktech.com/cn



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