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據采集卡進行快速記錄數據；

火工品試驗屬于不可重復的試驗，需要高可靠性的數據采集卡，保證每次試驗的成功；

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

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)外圍其他設備。

解決方案:以火工品多態(tài)參數測試系統(tǒng)的設計與實現為背景，通過了解和調研火工品輸出性能參數的信號特點和常用的測試方法，分析和總結出準確測試火工品輸出性能的儀器性能指標，選配了合適的壓力、溫度、推力等傳感器、信號調理器、凌華PCI-9846D高速數據采集卡工控機等硬件設備，并根據用戶要求設計出點火控制器，使系統(tǒng)不僅具備自檢功能，提高了操作者進行發(fā)火試驗的安全性，而且能夠實現手/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)參數測試系統(tǒng)的數據采集與分析軟件，系統(tǒng)具有程控設置信號調理器、數據采集與分析處理、數據保存、回放、生成報告等功能。

凌華科技PCI-9846D高速數字化儀在火工品測試中的應用

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（北京）機械電子工程專業(yè)，現從事于測控系統(tǒng)集成工作。

一、應用背景

火工品是裝有火藥或者炸藥，受到外界刺激后產生燃燒或爆炸，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。

根據民用爆破器材術語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

火工品按結構的狀況可分為簡單火工品和復雜火工品兩大類。

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。為了實現用一套設備對多種火工品的多項性能進行測試，更好、更充分的利用測試系統(tǒng)，因此有必要設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品輸出性能的多個參數值，為產品性能設計和作用機理研究提供了豐富的信息量，對提高火工品設計質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據采集卡進行快速記錄數據；

火工品試驗屬于不可重復的試驗，需要高可靠性的數據采集卡，保證每次試驗的成功；

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

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)外圍其他設備。

三、解決方案

    根據需要搭建測試系統(tǒng)的要求，經過對市場上相關產品的調研，選擇以DEWETRON公司的信號調理模塊和凌華公司的PCI-9846D高速數據采集卡基礎，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、信號調理器、工控機、點火控制器等設備組成。工作過程如下：當工控機通過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，產品橋絲會在瞬間熔斷產生一個短脈沖電壓信號，即橋絲熔斷信號和產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的物理信號，傳感器輸出微弱的電壓或電荷信號到信號調理器，信號調理器利用放大器將微弱信號放大到5V，并濾除高頻信號，放大器的放大倍數和濾波頻率由工控機通過RS-485總線進行控制設置。經過調理后的信號就可以用采集卡進行讀取，而信號變化速度非常快，所以采用高速卡進行測量。測試完畢后，就可以在本系統(tǒng)軟件中進行數據處理與分析、保存數據、生成報告的操作。

1.  信號調理器

為了滿足技術要求中數據采集系統(tǒng)的4通道可以任意連接不同的傳感器的要求，即實現萬能通道的功能，本系統(tǒng)的信號調理器選擇奧地利Dewetron公司的DEWE-31-16信號調理器^[3]。

（1）放大器主要性能指標：

輸入量程從±2.5mV到±10V程控可調；

可以程控輸出0~12V的激勵電壓；

可以為1/2或者1/4橋應變傳感器提供內部橋路補償；

內部包含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：

16通道2階低通濾波；

低噪聲濾波設計；

各個通道獨立設置濾波頻率功能；

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256級程控設置，外觸發(fā)電平是TTL電平；

觸發(fā)源：軟件觸發(fā)、數字IO口觸發(fā)、通道觸發(fā)；

板載內存：512M；

Fig4 PCI-9846D

3.  點火控制器

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

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

當產品選擇用電容發(fā)火時，首先要把S1開關撥向充電狀態(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)準備發(fā)火。

在發(fā)火之前，要進行自檢，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值。根據產品的特性，自檢電流必須小于5mA才能確保產品不作用。因此，根據產品的最大發(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品發(fā)火性能的影響。

4.測試方法

以壓力產品為例，測試系統(tǒng)由試驗現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、壓力傳感器及有關部分均置于試驗現場，點火控制部分及數據采集部分在控制室，兩部分之間進行安全隔離。

試驗進行時，在密閉爆發(fā)器內安裝好試驗藥品后，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，使燃燒室內氣壓升高，引起傳感器的感應變化，輸出一個瞬時電壓值，利用高速數據采集系統(tǒng)把電壓值的變化波形記錄下來作為分析的基礎數據。由于密閉爆發(fā)器試驗過程極短，因此優(yōu)質的壓力傳感器和高速的數據采集系統(tǒng)便成為試驗數據能否準確及時捕捉到的關鍵。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行測試，測試過程如下

如圖7，當繼電器開關未閉合時，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。當繼電器開關閉合時，橋絲通電，取樣電阻上會產生一個高電平，此時火工品點火后產生高溫熔斷橋絲，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、軟件設計

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

虛擬儀器的應用軟件可以根據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、信號調理器設置、系統(tǒng)校準、系統(tǒng)自檢、數據采集與處理、保存、生成報告、數據回放再處理等幾個功能模塊。模塊化的設計結構使程序清晰、整潔，而且方便以后為系統(tǒng)擴展和升級服務。

信號調理模塊的主要任務是將DEWETRON公司開發(fā)的軟件DEWESoft中用于控制信號調理器部分的程序集成到LabVIEW中，這樣就實現了系統(tǒng)軟件能夠單獨設置信號調理器的功能。利用LabVIEW的ActiveX控件容器^[8]，可以調用DEWETRON提供的ActiveX控件，并根據DEWESoft程序員開發(fā)手冊^[9]，成功實現對信號調理器的程序控制；系統(tǒng)校準主要是針對使用電阻應變式傳感器時，需要用活塞壓力機對系統(tǒng)整體進行校準，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性誤差滿足國軍標要求時，才能進行試驗，而且標定點和對應的電壓值進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)對信號轉換的線性關系的斜率和截距，以用來在進行工程單位轉換時調用；對于鎢錸熱電偶的工程單位轉換需要根據熱電偶的分度表計算插值計算，在LabVIEW中利用圖形化程序進行大量計算時會使程序非常復雜，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)軟件具有豐富的數據分析與處理功能，在數據處理完成后，系統(tǒng)利用LabVIEW的office工具包^[10]生成專業(yè)的測試報告并把數據文件以TDMS格式進行存儲。通過Access數據庫，對每次試驗都會根據測試時間、產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據庫中，這樣在數據回放再處理時，可以先根據時間、操作者或者產品名稱查詢以前的數據文件位置，然后格局序號再點擊打開，系統(tǒng)就會把當前記錄的數據文件路徑發(fā)送到系統(tǒng)中，數據回放再處理模塊就可以很快的調用以前的數據進行再處理了；而對于無效的數據用戶也可以在這里進行刪除文件。通過數據庫的管理，大大方便了用戶對于大量數據文件的查找和應用，系統(tǒng)功能進一步得到完善，而且由于試驗測試數據的重要性，因此在刪除之前必須確保不能誤刪，因此在本數據庫中，可以打開相應的二進制數據保存文件，通過查看試驗結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行查詢，并在查詢條件框中按相應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據文件的情況。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，把數據顯示在數據回放再處理界面，進行第二次數據分析與處理。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行調用。在Labview中，啟動其他Windows應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

每種產品都有自己的試驗裝置，例如，測量壓力的產品需要在相應容積大小的測壓彈中發(fā)火才能得到預期的數據；推力產品需要緊固在試驗臺上，并保證與推力傳感器可靠連接；分離推桿產品測試參數比較多，每種傳感器的安裝位置都有技術要求規(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

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

 (3) 試驗程序

① 試驗準備

(a) 連接測試系統(tǒng)。

(b) 對選用的測壓容器的容積進行標定，確定擬用的傳感器。

(c) 連接好發(fā)火線路，調試發(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理器之間的連接。

② 靜壓標定

每次試驗前應對傳感器進行靜壓標定。標定的壓力間隔數一般不少于四個，壓力間隔相等。靜壓標定時，升壓、降壓過程各兩次。靜壓標定技術指標應滿足國軍標規(guī)定，如不符合，應查明原因，采取措施（如更換傳感器），重新進行標定，直到滿足要求。

③ 安裝

(a) 將標定好的傳感器同試驗產品一起安裝在測壓容器上，確保密封。

(b) 固定好裝有試驗產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)的自檢功能對產品的連接情況進行自檢，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，產品發(fā)火夾時候連接好等，自檢通過后即可進行發(fā)火測試，采集數據。

(4) 數據處理與產品性能分析

  ① 產品1

Fig 15 Product 1

表3產品1的兩次試驗結果的主要技術參數比較

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

結論：產品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，滿足了產品1的性能要求，證明了系統(tǒng)采集數據的正確性。

    ② 產品2

表4 產品2主要技術參數

Table 4 The technical parameters of product 2

結論：產品2從通電到作用時間不能超過2.5s，本次試驗采集數據正確。

③ 產品3

表5 產品3主要技術參數

Table 5 The technical parameters of product 3

結論：產品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.結論

本文以火工品多態(tài)參數測試系統(tǒng)的設計與實現為背景，通過了解和調研火工品輸出性能參數的信號特點和常用的測試方法，分析和總結出準確測試火工品輸出性能的儀器性能指標，選配了合適的壓力、溫度、推力等傳感器、信號調理器、凌華PCI-9846D高速數據采集卡工控機等硬件設備，并根據用戶要求設計出點火控制器，使系統(tǒng)不僅具備自檢功能，提高了操作者進行發(fā)火試驗的安全性，而且能夠實現手/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)參數測試系統(tǒng)的數據采集與分析軟件，系統(tǒng)具有程控設置信號調理器、數據采集與分析處理、數據保存、回放、生成報告等功能。

通過在用戶現場進行實際的火工品試驗測試，并對試驗結果進行分析，驗證了系統(tǒng)設計的正確性，達到了用戶的使用要求。

8.參考文獻

[1] 夏建才,劉麗梅.火工品制造.北京:北京理工大學出版社.2009,8:1-10.

[2] 付永杰,嚴楠.火工品燃氣輸出動態(tài)參數特性的分析與測試.火炸藥學報.2007,6.第30卷第3期.

[3] DEWE-MDAQ series Technical reference manual. DEWETRON INC

[4] PCI-9816/26/46 User’s Manual. ADLINK TECHNOLOGY INC.

[5] 崔紅梅.面向測試系統(tǒng)的虛擬儀器設計與應用研究.內蒙古農業(yè)大學博士學位論文.2007.4.

[6] 劉剛,王立香,張連俊.LabVIEW 8.20中文版編程及應用.北京:電子工業(yè)出版社.2008.

[7] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通.北京:清華大學出版社.2007.

[8] ActiveX控件.http://baike.baidu.com/view/185274.htm.

[9] Programmer’s Reference to the DCOM Interface of DEWESoft 6.4.DEWETRON INC.

[10]張素娟,王天寶．基于LabVIEW的數據訪問及報表生成技術.成都信息工程學院學報.2009年4月,第24卷第2期．

[11] Robert H.Bishop.LabVIEW 8實用教程.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

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

更多產品信息，請瀏覽凌華科技網站。

http://www.adlinktech.com/cn/PXI/index.php

關于凌華
凌華科技致力于量測、自動化及計算機通訊科技之改進及創(chuàng)新，提供解決方案給全球網絡電信、智能交通及電子制造客戶。憑著對專業(yè)技術的執(zhí)著與實踐客戶承諾的自我要求，領先業(yè)界推出多項創(chuàng)新性產品，獲ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485、臺灣精品、TL9000等多項認證。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、德國設有子公司，在印度、韓國、法國、以色列設有辦事處，為當地客戶提供快捷服務和實時支持。網址：http://www.adlinktech.com/cn。