1、 分类号：TM930.2 单位代码：10110学 号：s20110534中北大学全日制工程硕士学位论文基于虚拟仪器的冲击波场超压测试系统设计硕士研究生校内指导教师校内指导教师所在领域张榕孙运强李仁洙仪器仪表工程2014年5月27日图书分类号 TM930.2 密级 非密UDC硕士学位论文基于虚拟仪器的冲击波场超压测试系统设计张榕指导教师（姓名、职称）申请学位级别孙运强 教授工程硕士专业名称 仪器仪表工程论文提交日期论文答辩日期学位授予日期论文评阅人2014年 5 月 27日22日日2014年 5 月月年孙志毅桂志国宋文爱张榆声王高答辩委员会主席 孙志毅2014年 5月 24日原创性声明本人郑重声
2、明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密
3、后遵守此规定）。签 名： 日期：日期：导师签名：基于虚拟仪器的冲击波场超压测试系统设计摘要冲击波场超压是常规武器的重要参数之一。本文通过对存储式冲击波场超压测试技术的研究，在虚拟仪器的平台基础上设计了分布式网络通信的冲击波场超压测试系统；整个系统由现场测试节点装置和上位机测发控软件组成，二者之间由基于 TCP/IP协议的网络通信连接。现场硬件测试节点装置由压力传感器、A/D转换、采集控制模块、存储模块 、通信模块、电源管理模块等构建而成。网络通信包括基于 TCP/IP协议的有线、无线、光纤通信方式。上位机测发控软件通过网络通信对现场布放的多个测试装置发送系统自检、参数配置、触发等命令，并且实现
4、对所采集信号的数据处理、显示、存储等功能。明确待测冲击波场超压信号的特征后，可以实现构建测试系统、通道参数设置、网络通信图形显示以及相应的数据处理的功能，将爆炸现场还原，实现压力场重构，提供用户友好的界面；结果表明，本课题开发的测试系统具有良好的性能，界面直观，达到预期期望，具有良好的可靠性和实用性，为武器威力的考核提供技术手段。关键词：虚拟仪器，冲击波场超压，存储测试The design of blast overpressure field testing systembased on Virtual InstrumentAbstractOverpressure shockwave act
5、 as an important factor in destruction of conventionalweapons.This article carry out the research for the storage overpressure test technology bydesigning storage overpressure test system based on virtual instrument platform. The wholesystem consists of on-site testing device and upper computer cont
6、rol software; the two partsare redundantly connected by network. The on-site hardware testing device consists of sensors,A / D conversion, acquisition and control modules, memory modules, communicationmodules, power management modules and others.The network communications, includingwire line, wirele
7、ss and optical fiber which are all based on TCP / IP protocol. The uppercomputer control software sent self-test, configuration parameters, triggering command tomultiple on-site deployment testing devices via TCP / IP communication protocol, and theupper computer control software also implement work
8、ing on the collected signal dataprocessing, display, storage and other functions.After defined the signal features of tested overpressure shockwave, the designed systemcan realize the construction of test system, setting channel parameters, networkcommunication and display graph, and the correspondi
9、ng data processing, reducting wil thescene of the explosion, which reconstructs the pressure field, provides a user-friendlyinterface.The test results show that the test system in this subject works in good performance.The waveform can be easily treated in an intuitive interface, the good reliabilit
10、y andpracticability attains expectations. This provides techniques for the assessment of weaponpower.Keywords: virtual instruments, burst of static shock, storage test中北大学学位论文目录第一章绪论.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.11.1.3课题研究的目的.21.2国内外发展现状.21.3本论文的主要内容和章节安排.5第二章冲击波场超压信号的分析.72.1冲击波场超压信号.72.1.
11、1冲击波场超压信号特征.72.1.2冲击波场超压经验公式.82.2冲击波场现场测试的干扰.132.3本章小结.13第三章系统总体设计方案.143.1系统的功能指标.143.2系统总体分析.143.3硬件测试节点.153.4网络通信协议.173.4.1无线通信模块.173.4.2通信方式.183.4.3传输及接口协议.193.5软件架构.213.6本章总结.24第四章系统软件设计.254.1软件设计思想流程.254.2功能模块详细设计.274.2.1 TCP通信 .27I中北大学学位论文4.2.2自检模块294.2.3参数配置.304.2.4触发模块.314.2.5数据采集.324.2.6数据存
12、储.354.2.7数据处理及显示.364.3冲击波场超压测试系统软件人机界面设计.404.4本章小结.40第五章超压估算结果分析.415.1冲击波超压估算.415.1.1计算TNT当量415.1.2估计冲击波超压.445.2超压结果分析.445.3测试结果分析.465.3.1控制模块测试465.3.2数据采集测试.485.3.3数据处理及显示.495.4本章小结.51第六章结论.526.1论文主要工作与总结.526.2展望.52参考文献.53攻读硕士学位期间发表的论文致谢II中北大学学位论文第一章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景本论文主要研究爆炸冲击波场的超压测试，本项目应用
13、在军事常规火炮，如激光制导炸弹、燃烧弹为代表的各种炮弹，对这些弹药进行空气静爆冲击波场超压测试。1.1.2课题研究意义弹药爆炸产生的瞬间，炸弹体内的火药会转化为光热声等能量进行释放，同时这种能量挤压弹体周围的气体，使周围气体向外排挤压缩传播，像水的波纹一样四散扩张，形成负载较大能量的冲击波，它的波阵面参数具有强间断性，其应用于科研、军用、1 2民用等各方面，并且在各领域都占据着重要地位。科研方面：材料、力学和固体物理方面：物理学家在研究物质性能时，高温高压条件是不可或缺的环境，而实验室易获得高温高压条件的是冲击波,故此时采用冲击波技术来进行研究最为方便；地球物理科学方面：为研究在高速碰撞过程中
14、产生的陨石的性3质或了解地球内部处于高温高压状态下的成分组成时 ,地球物理学家势必采用同样高温高压高速的手段模拟实验所需的环境,此时冲击波技术最为常用 ;化学科学方面：冲击波 4压力强、加热快、冷却快的特点,能够对化学反应能起到一些特殊作用,提高反应速率或形成特殊化合物，在其验证过程中通常也会利用冲击波，如在煤气化时采用粉末SiO2作为催化剂,若在冲击波作用下,催化作用能增加倍。5民用方面：冲击波技术在能源研究及合成新材料，如人造金刚石、氮化硼，得到了广泛运用。6军事方面：当今世界主要民事大国加速推进武器装备研发,高新武器的推陈出新，这意味着我国武器研制、装备技术的发展也必须提出更高的要求来适
15、应武装发展 ,这样， 7在研制爆炸类武器的过程中必须面临更高的性能要求和更严格的测试，对武器的杀伤力和摧毁力有着更加严格的标准。当今世界的发展形势下，除威慑作用巨大的核武器外 ,1中北大学学位论文大威力高精度的常规武器同样是各国竞相研究与发展的重要方向。炸弹爆炸产生的弹片等物质对炸点近处的物体杀伤力大，爆炸产生的冲击波却能将远处的物体有效杀伤、破坏。所以说爆炸产生的冲击波才是大威力常规武器在远距离处的重要杀伤因素。例如炮兵部队常规作战用的火箭弹、航空弹、导弹头、水雷等炸弹，这些武器对敌目标具有毁灭性的打击，造成伤害物主要是弹体爆炸后产生的弹片以及发出的冲击波双重威力作用。此外，为了确定所研制开
16、发的炸弹产生冲击波的威力或杀伤力，武器专家在研制过程中需要不断对炸弹进行引爆测试 8910。综上所述,冲击波场超压测试在社会各个领域都有着重要意义和深远影响，对我国国防建设具有重要意义，同时，冲击波场超压测试对我军在武器装配测试研究上起到里程碑作用，积极影响着我军军用炸弹和民用爆破炸药的利用价值和广阔的应用前景。1.1.3课题研究的目的本文通过布放在爆炸现场的存储测试节点所测的炸药爆炸所产生的冲击波场超压，采用网络通信技术将这组数据传送至上位机，交由上位机分析处理，显示、存储，并根据冲击波场超压估算公式，将爆炸现场还原。1.2国内外发展现状存储器测试系统是利用一种集中模块，这种特制的集中电路模
17、块集光热敏感元件、适配电路元件、信号采集、信号存储、信息处理模块等多功能为一体的微型集成电路芯片。利用存储器测试系统进行测试的效果先进于以往传统的引线式测试技术。这种测试技术能够不依赖其他设备，独立完成采集、存储、回收等数据的处理，回收后将数据通过通信模块发送至计算机，由计算机专用软件对在采集信息进行分析的一种动态测试技术 11。与传统引线测量方法相比，存储器测试系统适合多种环境，具有体积轻巧、不怕高温、不惧强压、多点测试、不受周围信号干扰、较强的抗冲击波等优点。这使得存储器测试系统具备较高的可靠性和安全性，而且对测试的环境条件不受限制，这正是目前炸弹测试研究所需要的产品 12。下面让我们将存
18、储测试系统在国外和国内的发展进程进行分析：2中北大学学位论文国外的存储系统测试发展较早，在 20世纪七十年代已经开始着手对存储测试技术进行开发研究。到了八十年代，国外对存储器研究已经有了很大进展，对存储测试系统的实现原理、与无线电遥测仪对比后的优缺点进行了分析，对实验过程中出现的各种问题进行汇总，吸取优点改进不足，使存储测试技术更趋于成熟 13。八十年代末，国外一些专家已经首先发表了“ 应 用于弹丸测试的先进的数字存储测试仪” 的学术论文。到九十年代初，国外又开发出了电子测压力器，随着微电子产品的出现和普及，奥地利开发研制了一种-型冲 击波记录仪 的测试设备，这一仪器的出 现，打破了测试系统离
19、不开电缆引线的世界难题 14。让我们再看看国内的情况：我国是从 20世纪八十年代初开始研究存储测试系统的，华北工学院在 1985年第一次进行了存储测试试验，首次通过存储器测试了弹道过15载参数的相关数据，是我国存储测试技术的良好开端；1989年我国又研制开发了电子测压蛋；到九十年代末，接连又完成了炮弹发射时弹药应力测试、炮弹撞击钢板过载力测试、油井压裂过程压力测试等试验，试验的成功意味着我国在存储测试系统和微型采集技术领域的技术提高并走向成熟 1617。文丰等人设计了基于 USB总线的高速数据采集存储测试系统，另外，马铁化华等专家在冲击波超压存储测试技术研究也有了突破，通过爆炸式的闪光信号引触
20、系统，实现多个存储测试仪同步进行测试 18。北京理工大的专家首先提出了基于 FAE炸药爆炸后 压力场的特性及产生冲击波压力测量学说，概况地研究了爆炸压力测试技术，在多次测试分析的基础上，专家提出了以内装电压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；董建教授、蒋建伟教授等起居实验室研究了基于 CPLD和单片机技术的爆炸冲击波超压存储测试系统，并且通过仿真验证了系统方案的可行性根据试验场地环境，我们一般可采取以下几种测试方法。19。(1)等效靶板法：挑选最有实验价值的靶子，摆放在测试中心位置，产生爆炸后通过测试靶板附近的物体损坏情况，就可知道超压和比冲
21、量值，这种方法可以用来测试与衡量冲击波的超压值,但其缺点是对超压值的测量不够准确力-时间 曲线和正、负压时间。20,也不能得到相应的冲击波压(2)等效压力罐法：以待 测爆心为圆心，把薄铁皮罐按照某固定间隔对称布置在其径向地面处，查看爆炸试验后，观察铁皮罐的毁坏程度得到的结果就是被检测弹药威力3中北大学学位论文的量度值。21。这种方法虽然简单，但是只可评估炸弹的爆炸威力大小，不能准确测试超压(3)生物试验法：按照一定的测试要求，将具有代表性的一类生物布置在爆炸现场某些方位处 22，爆炸试验后，察看实验所用的生物体态特征，按受伤害程度分级评价，此方法经常用在武器对软目标的伤害测试。但该方法需要耗费
22、大量的人力、物力资源，且违背生命伦理。(4)冲击波峰值的超压测试可通过测量的冲击波速度和粒子速度 换算得到；我们可以测量冲击波经过的路线距离和所消耗的时间来测得冲击波的速度参数 23；冲击波走过的距离可以提前设置好，故只需测出冲击波走完该段距离所用的时间即可。测量冲击波经过一定距离所需时间的方法有高速转镜法、激光干涉仪、光纤探针法、电容法、电磁法等 24。布放在爆炸现场内的存储测试装置，受安全距离外控制室内的上位机控制。近年来，软件更新周期短，功能多的特点使得虚拟仪器在上位机的运用得到广泛使用。20世纪 90年代初，美国一家仪器仪表公司率先提出虚拟仪器的概念，正是这一概念的提出，是历史上一次试
23、验领域的重大革命，让计算机和网络技术与测试检验技术很好地融合在一起，发挥了两者的长处，更好地提高了测试的精度和速度 2526。随后，虚拟仪器的问世更让测试向高新技术化发展。虚拟测试仪器是通过计算机软件来实现模拟测试的手段。用户根据测试的目的提出需要，由计算机软件工程师编写软件，设计定义出一款能在依靠计算机实现的虚拟界面，用户可以通过虚拟界面直观地操作计算机系统 27，如同在现场的真实场景一样，所有的操作都可以通过计算机系统来完成，包括对测试对象的数据采集，测试物体的引触、产生的数据分析、处理、以及结果数据显示，甚至是通过视频或纸质输出等都可以通过计算机系统来实现。揭开了用软件取代硬件的先河，使
24、测试变得节约化、科技化、精确化 28。虚拟仪器是在传统的测试仪器的基础上孕育而生，延续了传统仪器的数据采集、结果显示、数据分析处理等功能，虚拟仪又先进于传统仪，它增设了计算机系统、虚拟29软件、各种硬件接口模块等，科学有效地将测量仪的功能和计算机资源、网络技术、硬件的测量能力融合在一起，通过软件来达到测试的目的 3031。4中北大学学位论文图 1.1虚拟仪器三大功能模块虚拟仪器的关键是软件，而传统仪器的关键是硬件，因此，青出于蓝又胜于蓝，32虚拟仪器在传统仪器的基础上得到了很大继承和发展。其差别通过下图可见,图 1.2。图 1.2虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器具有很强的灵活性，它可以根据测试
25、的需要，通过接口、线路、各类电子仪表和不同的集成器组装成功能更为全面、更强大的智能测试系统组合 33。要对冲击波场超压进行测试，微控制器的作用是通过传感器功能收集测试产生的数据，并能将数据通过转换模块输出至其他器件可读的信号源，将信号向上位机传送。上位机测发控系统则从整体上监控现场并显示输出现场情景。由于上位测发控系统可以多点布置采集信号、处理数据速度快、存储量大，所以在处理测试信息时达到更快更准更全面的信息处理结果。1.3本论文的主要内容和章节安排本篇论文主要通过炮弹爆炸后产生的超压进行压力场重构，在撰写本论文前，已做了大量前期准备工作，查阅大量书籍资料、请教多个老师专家、对论点进行了可行性
26、分5中北大学学位论文析，并分析了存储式冲击波场超压测试系统的研究，在 LabVIEW平台上设计开发了冲击波场超压测试系统，实现了构建测试系统、对前方测试节点智能传感器等模块的参数配置、网络通信图形显示以及相应的数据处理等功能。紧紧围绕本论文的中心思想，对想要阐述的设计任务进行论证并通过数据、参数举证说明。整个论文提纲可概括为：第一章阐述了作者写本论文的出发点、目的，研究的背景等，开门见山地将目前爆炸产生各参数测试技术以及国外和国内目前在此领域发展现状，展现在读者面前，并对虚拟仪器与传统仪器进行了比较，提出了本课题的研究目的和主要拟解决的设计任务；第二章研究分析爆炸冲击波场超压的强度、特点、经验
27、估算公式，提出了系统的准确度需求，阐明了设计理念和系统设计原则。第三章对测试系统的宏观主体结构、设计理念，以及系统的构成方式进行了宏观描述，概要分析了冲击波场超压测试系统硬件平台，并对软件进行了整体论述。同时确定硬件模块、无线通信模块及协议、确定上位机应用开发平台所用软件。第四章介绍 LabVIEW为软件平台，详细设计了测发控软件系统，主要包括软件系统架构设计、数据结构程序框图设计、以及 TCP /IP通信模块、USB通信模块、数据采集、存储、管理模块和数据分析处理模块等功能模块的设计。第五章将其中常用到的一些运算公式提出对冲击波场超压进行估算，分析这组公式在不同的环境的差别，从而确定公式的适
28、用条件和范围。再将公式引用到计算机软件系统中，参与超压估算，使得爆炸冲击波场超压力场重构。通过模块化软件对系统实验结果分析，检验系统设计的是否可靠，是否稳定，是否安全。第六章对整篇论文进行总结，发现论文中的不足所在，结合实际提出构想，并提出下一步改进方向、措施。6中北大学学位论文第二章冲击波场超压信号的分析爆炸是指在极短时间内，释放出大量能量，在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化。爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周围空气形成的高压气浪，这就是冲击波。在科学研究和生产中，对炸药爆炸的冲击波参数进行测量，对于掌控炸药机能显现出日益重要的作用，在研究冲击波场超压测试时，分析其特征显得尤为
29、重要 34。2.1冲击波场超压信号2.1.1冲击波场超压信号特征超压是爆炸产生的冲击波表面和四周正常空气间出现的压力差距，持续时间极短，比如 450kgTNT 爆炸源，在 19米地方有效时间的冲击波超压只为 13.1ms，如图 2.1所示超压曲线是典型冲击波。武器射击时，弹丸依靠发射药燃烧释放出的能量发射出去，瞬间产生炮口冲击波，它是射击时的主要噪声源，由炮口冲击波所产生的压力场是以35射线为对称的，但它并不是球形对称，而是压力中心沿着射线移动，并且离炮口越近压力梯度越陡 36，场内动态参数信号有压力、起爆时间、持续时间，加速度等，由于测试过程是瞬态单次过程，故要求其在时间上的精确度 37。图
30、 2.1冲击波超压典型曲线这种冲击波超压的典型曲线图，能看到上升崎岖的超压曲线，间断强烈，有固定脉7中北大学学位论文宽的信号，在到达峰值后渐渐下降，因此要精确判定有效信号，需要通过持续时间与幅值来分别 38。冲击波场超压测试系统由爆破现场放置的压力传感器测量得到爆炸所产生的压力信号，经二次仪表进行转换，再通过采集数据系统对信号进行处理和分析，即可获得冲击波场的超压峰值、上升时间和曲线。2.1.2冲击波场超压经验公式按照 GJB-6390面杀伤导弹战斗部静爆威力试验方法，通过其中第 3部分冲击波的超压测验，再依据爆炸相似律能知道：爆炸相似律的基础是几何相似原理，和普通工程采用的相似律类同。通过剖
31、析大批实爆测验数据说明，几何相似律在空气中爆炸也存在。即在相同的测试环境下，现场一中当量为 1，距爆心r 1处的自由场冲击波阵面超压值为 pmax，如果要使现场二中当量为 2，距爆心r2处得到相同值超压 pmax，以下关系一定要符合：r 11 3 （2.1）r2 2即：3 pmax f （2.2） r说明环境相同的情况下，固定炸药的装药密度和种类保持不变 39，因变量只有当量和距爆心距离r组成的比例距离，后面具体形式的函数 让实验中的数据来决定开 2.2关系式，会获得以下的泰勒多项式（通常获取 3项）：40。展2 3pmax A0 A B3 3 Cr3 . (2.3) r r 在泰勒多项式里面
32、，当各系数 A0，A，B，C作为常数， 对泰勒公式取极限，r 0时， pmax 0，能得到 A0 0，剩余系数能经过实验实爆里的实验相关数据拟合来判定41。通常这么认为，当无限的空气中有爆炸时，装药高度对比应该契合 42：H 0.35 (2.4)3 TNT8中北大学学位论文式中，H为爆高（离开地面后炸药高度），单位： m； TNT为TNT炸药当量，单位：kg。如今，估算出无限空中的爆炸冲击波场超压峰值里的经验公式，有亨利奇公式、金尼-格雷厄姆公式和萨道夫斯基公式等等，以下为各估算公式（ pmax 为正向入射冲击波超压峰值，单位是kg /cm）：2（1）Henrych 14.0717 5.539
33、7 0.3572 0.00625 0.05 R 0.3 R R 2 R 3 R46.1938 0.3262 2.1324pmax 0.3 R 11 R 10(2.5)0.662 4.05 3.288R R 2 R 3 R R 2 R3（2）Ginnie graham 2 fdR 8081 4.5pmax 0.053 R 500 (2.6)(2.7)pair 2 2 2 fdR fdR fdR 1 1 11.35 0.048 0.32 pair T0airp0air Tairfd 3式中：fd 大气传输因子，由式 2.7计算；pair 当场试验时的大气压强，单位是/cm2；p0air 标准的大气
34、压强，值为 1.03412/cm ；2Tair 现场的试验温度，单位是 K；T0air 大气温度标准，值为 289.27K。（3）Sadowski建立下面的公式，是依据模型相似律理 论： 1.07 R 11 R 150.1 3Rpmax (2.8)0.076 0.025 0.65 R 2 3R R9中北大学学位论文（4）Yexiaohua 无限的空气里，叶晓华修正公式认为球形 TNT装药爆炸的场超压： 0.084 0.27 0.7pmax 1 R 15 (2.9)R R 2 R 3（5）Mills（6）Brode 0.108 0.114 1.772pmax (2.10)R R 2 R 30.6
35、7 0.13 R 1Rpmax (2.11)(2.12)(2.13)0.975 1.455 5.85 0.01 R 10.019 R R 2 R 3（7）Chengqing&Hong Hao公式表达式为：1.059 0.1R 1R 3pmax 0.975 1.455 5.85 0.01 R 100.019R3 R R 2上述这些估算公式中的 R为比例距离，单位 m ，按式 2.13求解。31kgrR 3 图 2.2各个计算公式的对比图曲线10中北大学学位论文经过观测图 2.2得到的结论是：不同的冲击波场超压经验估算公式在比例距离 10 -1到 10的拟合过程中，随比例距离的增大，各公式差距减小
36、，比例距离 R 1时，不相同的经验公式通计算出的超压峰值 pmax会有比较大的差，随后跟着比例距离 R 一直提高，比例距离1 R 10时，当经验公式计算出的超压峰值间差距不断缩小，在图中，峰值曲线基本接近重合，说明通过各经验公式估算出来的结果基本相同 43。根据 GJB349.28-90常规兵器定型试验方法，用 Sach标定方法把测出的数据都定标于标准条件，即大气压为 101.35kPa，温度为 288K 。44峰值压力P P(h) 101.35 （2.14）（2.15）P0(h)持续时间1 12 P0(h) 3 T0288h t t(h) 101.35 式中：P0(h) 所测 出的环境大气压
37、，kPa；T0(h) 所测出的环境温度，K；P(h) 所测出的冲击波正超压峰值，kPa；t(h)所测出的冲击波的持续时间，ms；P 换算到标准条件的正超压峰值，kPa；t 换算到标准条件的持续时间，ms。冲击波正超压峰值单位（分贝和帕）换算关系为X 20lg P X 20lg PP P00(2.16)式中：X 对应于冲击波正超压峰值 P的分贝数，dB；P 冲击波正超压峰值， Pa；P0参考声压级， P0 20Pa。11中北大学学位论文根据美国陆军试验与鉴定司令部试验操作规程空气冲击波超压的电测方法，通过兰基涅-胡果尼方程 45，侧向超压和正向超压之间的关系为如果 Ps 20P0 6Ps P0
38、则 P P 2 (2.17)s 7 Ps P 0式中：P 正向或通常的反射超压，KPa；Ps 侧向超压，KPa；P0环境大气压，KPa。冲击波传播速度与峰值超压之间压力、速度的关系为 2 2 V K Ps P0 1 1 (2.18)C0 式中：Ps 侧向超压，KPa；P0冲击波前边的大气压，KPa；V 冲击波前的传播速度，m/s；C0未扰动空气中的声速，m/s； 空气的比热比，1.4；K 风速分量，m/s 。未扰动空气中的声速为t Pw C0 1088.1 10.49 (2.19) 273 P a式中：C0未扰动空气中的声速，inch/s；t 气温， Ps；Pw 水蒸气分压；12中北大学学位论
39、文Pa 空气分压。2.2冲击波场现场测试的干扰爆炸时所产生的冲击波场超压峰值和比冲量均是分析炸药能量特殊性所需要的关键参数，更是爆炸破坏效应的一个关键参数，精确测量有重大意义。可是因为特殊的测试进程，假如测试系统处置不合适，会造成信噪比减小号测试中的压力信号。46，干扰信号甚至会淹没待测信在爆炸刹那间发生的电磁波，将会严重干扰测试系统。产生爆炸时候，场超压测试的信号比炸断导线产生的信号快，已经产生电磁波，此刻，说明断裂导线具有一定过程时间，当没有炸断导线时，电磁波是以光速进行传递。发生电磁波的干扰信号会在放大器、传感器等设备中进行传播和反射。因此为了消减电磁波干扰，应该适当的在测试现场进行屏蔽
40、处理。这样才可以测量出正确的超压信号。其次，爆炸进程里发生的冲击波不仅能影响敏感性，还使得传感器振动，影响传感器的结构，当冲击波在地面传播时，传感器的安装支座也会受到地面内震动的影响，即引发传感器震动。以上所述两种震动都使得传感器产生附加信号，对测试的结果产生影响 47。在测验组装系统的时候，不仅要选择强抗电磁干扰的传感器，而且要让传感器和联接的电缆都采用措施进行屏蔽，采取隔振和减振措施来安装传感器，同时，试验场地要尽可能平坦、坚硬，以防现场沙石或其它物体的干扰。2.3本章小结本章讨论了冲击波场超压信号的特征和现有的估算经验公式，在考量爆炸场及爆炸过程中可能出现的干扰信号后，提出影响和消除方法
41、。13中北大学学位论文第三章系统总体设计方案本系统用于冲击波场超压的参数采集，同时也满足炸药自由场静爆冲击波场的测试，依据功能指标，设计了如下可行性方案。3.1系统的功能指标（1）远程控制、远程传输；（2）能够进行测试的信号类别：连续的时间、爆炸时刻和温度、侧向超压、自由场内的超压峰值；（3）系统自检，检查系统参数、通信状态和探测头的工作情况；（4）触发方式可选，包括硬触发，软触发，触发电平；（5）提高探测装置的数量，探测装置 15个；（6）配置的参数：采取样本的频率、信号增益；（7）状态控制：控制测试过程中的启动、触发及停止；（8）数据显示：可显示通道数据曲线,图形可放大或缩小；（9）数据转
42、换：可将数据转换为多种数据格式或图形文件；（10）数据处理：冲击波传播速度、估算冲击波的超压峰值、常规信号处理和威力评价；（11）其他功能：生成实验报告、打印等。其中，冲击波持续时间有 3个：A-持续时间，B-持续时间，C-持续时间；A- 持续时间是指超压从环境压力升高到它的最大正超压峰值后再回到环境压力所需要的时间；B-持续时间，即压力包络时间，是指炮口冲击波压力主要部分的持续时间与有意义的起伏部分（低于最大正超压峰值 20分贝）的持续时间的总和；C-持续时间是指炮口冲击波压力波形中低于最大正超压峰值 10分贝所对应的各时间间隔之和。3.2系统总体分析冲击波场超压测试系统原理：整个冲击波场超
43、压测试系统由现场测试节点装置和上位机测发控模块组成 48。实弹试验时，采集模块和存储模块等被封装在一起组成现场测14中北大学学位论文试设备放置在被测区域以便更准确、实时采集现场的冲击波场超压数据并将其缓存下来；上位机软件模块的主要作用是通过网络通信将数据发送到现场各个测试装置的控制器上，并对采集的数据进行信号处理，并对弹药爆炸的压力场进行分析，基于对人体安全的考虑控制模块一般放置在冲击波场安全距离以外。本系统可以实现爆炸时冲击波对极温、极压、强电磁场的恶劣环境实时检测，冲击波场测试系统总体设计如图 3.1。图 3.1系统总体结构图3.3硬件测试节点图 3.2硬件测试节点图15中北大学学位论文现
44、场硬件测试节点由电源管理电路、压力传感器、信号调理电路、A/D 转换、控制模块、存储模块、通信模块构成。电源主要功能就是为整个系统提供稳定的电源，保证测试系统工作在稳定的范围之内；压力传感器的输出信号为差分信号，但是信号微弱，因此需要信号调理电路对压力传感器输出的信号进行调理 49；信号调理电路主要是将微弱的差分输出信号通过仪表放大器就行处理放大，达到要求的量程范围之内，并通过滤波电路对将信号的纹波和毛刺进行处理 50，最后通过电压跟随器将稳定的、高质量的信号传输给 A/D转换模块；A/D转换模块主要是对信号处理后的模拟信号数字化，保证信号高质量的传输；存储模块和通信模块分别用于对信号就地存储
45、和传输。系统硬件组成的芯片的主要技术指标如下：(a)本系统采用 PCB公司的 ICP压电传感器，截止频率为 0Hz ，上升时间小于 4us；(b)A/D转换模 块采用的模数 转换芯片 AD公司模数转换器，供电电压为 5V，输出量程为 02.5V ，转换精度高达 12位；(c)核心控制器单元芯片由 XILINX公司生产的 Spartan-系列的 FPGA 芯片，该芯片自带 FIFO；(d)单片构成为 8Megx16bit是采用 Micro 公司生产的同步动态随机存储器；(e)系统时钟采用 FPGA内部时钟；(f)通信模块需符合 TCP/IP协议。冲击波场超压测试系统的工作原理：本系统设计了系统自
46、检功能，系统工作开始对自身状态各个模块进行自检，确保系统的各个模块工作在正常状态。自检结束并且每个模块工作在正常状态后，系统将进入自动循环采样模式，等待触发；测发控软件发送触发指令后系统进入采样测试阶段；在采样阶段时，由压力传感器采集到的信号通过仪表放大器的放大、基准电路对量程的调整、滤波器滤波和数模转换器转换后传输到 FPGA,在 FPGA内部对数字并行信号转换成数字信号，并在 FIFO中进行缓存，等待数据记录完成。为有效防止电磁波对采集到得信号的干扰，当触发延时 1200ms，系统关闭通信模块电源，当爆炸产生瞬间，通信模块再次被触发，并将数据回传至上位机，在测发控人机界面中完成最终的数据显
47、示、分析、处理。用 verilogVHDL（硬件描述语言）对 FPGA硬件部分的功能进行编写。16中北大学学位论文3.4网络通信协议3.4.1无线通信模块根据传输介质的不同，通信方式分为有线、无线以及光纤。本文采用无线通信技术作为网络通信的传输方式。无线通信技术日新月异，常用的无线通信技术有 IrDA红外、Bluetooth蓝牙、UWB超宽频、ZigBee、WIFI等，对比图见图 3.3。图 3.3常用无线通信技术对比综合传输速率、覆盖范围、组网的比较以及本系统的指标要求，本文采用美国UBNT公司的无线APNanoStationM2。其工作频段:2.4GHZ系统增益:10.4-11.2dB支持
48、802.11b/g、802.11n等多种传输协议覆盖范围：2000m17中北大学学位论文图 3.4无线通信天线图 3.5无线通信 AP3.4.2通信方式网络通信负责给采集系统发送指令、参数及试验完毕后测试的数据传回测发控整理。在测试前，测发控通过通信模块发送的指令对所有现场存测装置根据设计好的协议进行设定，各个装置根据协议内容应答测发控软件，控制模块通过回传的数据判断所有装置的工作状态，之后测发控并发出一系列指令，如工作状态正常自动转换到采集模式；如工作状态异常则需技术人员对装置进行现场调节直到工作到正常的状态。由于爆炸现场布放多个测试节点，故上位机作为服务器，即 TCP/IP被动，现场存18中北大学学位论文测装置作为客户端，即 TCP/IP主动，互联组成一个
