舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用

舰艇抗爆抗冲击能力作为舰艇生命力最重要的技术指标，直接影响舰艇海上作战能力[1-3]。作用于战舰的突发冲击主要有 3种：导弹、鱼雷直接作用爆炸，鱼雷和水雷等非接触的水下爆炸冲击波 ，发射导弹的反向冲击。这些冲击都可能对船体、舰载装备等造成损伤 、船毁伤主要 由爆炸冲击波造成 ，因此掌握爆炸冲击对舰船结构的破坏作用，可对舰船抗爆炸冲击的设计提供帮助 ]。受费用与实验条件限制 ，实弹动爆船体冲击波测量的报道很少 。目前研究多采用有限元数值法，许多高瞬态非线性有限元分析程序(如 ABAQUS、ADINA、DYTRAN等)得到了广泛应用l5]。

本文中，采用抗恶劣环境的存储测试技术 。]，将探测头安装在舰艇的不同位置 ，实时记 录冲击波信号 ，并在船头集中安装备份单元记录每-个测点发送的数据。测试完毕后回收探测头和备份单元 ，将记录数据上传到上位机，为后续的数据分析与研究提供依据。

1 系统总体设计舰艇在动爆完成后可能沉没 ，难以回收测点记录仪，因此本测试系统中测点采用存储模式记录冲击波，同时在船头甲板集 中备份存储 。系统框 图如图 1所示 ，由安装在测试点的探测头 、远端备份拈、控制单元拈 、传输数据的光纤等组成。探测头可 以实时采集 、存储测试点的压力信号 ，同时将采集转换后的数字信号先进行 串行化处理、光电转换，后经光纤传输给远端的备份拈存储 。存储电路在控制单元的作用下 ，使存储采集电路在触发前循环记录 ，存储器中始终保持最新的 2 MB的数据。触发信号到来后 ，顺序记录 8 MB的数据 。为 了使各个测试点的零时刻具有统-的标准 ，控制单元的触发信号同时作用于各个测试点的探测头。

图 1系统总体框 图Fig.1 Block diagram of the system探测头的外壳为圆柱形钢制壳体 ，除可承受较大爆炸冲击作用外，还可对测量电路进行电磁屏蔽 ，从而大大减少外界环境干扰，增加了测量的可靠性。采集存储电路与外界连接的光纤接头 、航空接头布置在邻近的外壳里 ，采用柔性材料固定，起到减振、屏蔽的作用 ，如图 2所示。

收稿 日期 ：2011-1l-16；修 回日期 ：2012 02 16作者简介 ：丁永 红(198O )，女 ，博士研究生 ，讲师 。

第 2期 丁永红等 ：舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用图 2探测头结构布局 图Fig.2 Structure layout of the detection head2 电路设计2.1 探测头单元设计探测头的结构框图如图 3所示，由压力传感器、适配电路 、A/D转换器 、CPLD、单片机、Flash存储器 、光电转换接 口组成 。

冲击波是爆炸时气体快速膨胀形成 的，具有速度快 、持续时间短的特点。压 电型压力传感器的频率响应高 ，能满足冲击波测量的要求 ，本方案采用 8052C压 电型传感器。传感器输 出的电荷信号在输 出端就近转换成电压信号，避免电荷信号经导线传输引入的干扰。A/D转换得到的数字信号经编码单元后分成 2路，-路经控制单元存储到Flash中，另-路经电光转换后传输给备份存储单元。

I-- ： --1I I图 3探测头工作原理框 图Fig.3 W ork principle block diagram of the detection head2.2 触发控制单元设计触发控制单元 由探测头触发控制与集总控制单元 2部分组成 ，如 图 4所示 。探测头能接收集总控制单元发送的触发记录信号，同时探测头将测试信号与设定的电平比较得到的内触发信号发送给控制单元 。集总控制单元通过检测探测头的触发信号、断线触发电缆状态和传输触发信号线通断作为判断触发是否到来的依据 。当所有探测头 中大于等于 3个输出的内触发有效 ，或 大于等于 3路触发信号传输线断开 ，或断线触发控制连线断开 ，并 同时经 3次检测连续有效，控制单元输 出触发信号触发所有探图 4 触发 控制单元 结构 原理 框图Fig.4 Functional block diagram of the triggerand control units爆 炸 与 冲 击 第 33卷测头及备份拈 。探测头将 内外触发信息通过编码和压力数据同时存储 ，回读数据后就能确定探测头的触发源 ，并通过内外触发 的时间差修正时间零点 ，测试系统由此确定了统-的时间基准 。

2.3 存储 电路NAND flash作为存储介质已广泛应用于存储测试，但由于自身按页读写和块擦除的结构特性，决定了单片存储器不能高速连续写入数据 ]。为此 ，在页编程时采用 FIFO作为数据缓冲，完成 以 Flash作为存储介质的连续数据写入。采用恒定采样速率、抽点存储的采样控制策略，实现长时间记录和有效数据的高速存储。冲击波信号在未到来之前，对A/D转换的数据采用抽点存储 ；信号到来时变为逐点完全存储 ，在保证有效数据容量大大压缩 的情况下，触发前 的瞬变数 据在 FIFO 中得 以完整保 存。

实现 的数据流结构如图 5所示 ，控制模拟时序如图6所示 。图中 rclk为 FIFO 的读时钟 ，上 升沿数 据从 FIFO 中输 出；wclk为 flash写时钟 ，上升沿数据写入 flash；trg为 0时，从 FIFO 中读取多个数据 ，抽取-个进行存储 ，反之进行逐点存储 。

/ conw lose图 5数据 流程 图Fig.5 Data flow diagram/frfwco nw t/trg/frfw conw - t/rclkt conw tlwclk几几n几n几几几 n n n n几几n几图 6时序 图Fig.6 Sequence diagram3 冲击波记录系统激波管动态校准3.1 激波管动态校准方法传感器与测试记录电路连接后 ，其动态特性会发生变化 ，为获取整体 的动态特性 ，利用激波管对探测头进行了动态特性测试、船动爆冲击波场测试中需要使用多个冲击波记录探测头，本文中只列举其中-个量程为 10 MPa的进行动态校准 。

如图 7所示 ，激波管 是-根内壁光滑两端封闭的直管，中间以-膜片隔开。左端充 以高压气体 ，形成高压室 ；右端不充气或充以较低压力 的气体 ，形成低压室 。在低压室 的右端侧壁上装 了 2个用于测定激波速度的压力传感器，这 2个传感器 中心之间的距离为 s0.55 rn。被校测试系统安装在低压室端面。

Speed-measurement sensorH图 7激波管实验原理示意图Fig.7 Experiment principle diagram of the shock tube第 2期 丁永红等 ：舰用动爆 冲击波记 录系统 的设计 与应用校准时，在高压室中充压缩气体，当气体压强超过膜片强度极限时膜片突然破裂。这时-个平面冲击波沿低压室方向传播，通过 2个测速系统的压力上升沿，就可得到时间间隔 △，利用 △ 可求得激波速度- S (1)从而求得激波的马赫数Ma- -V (2)C o式中：c。-20.05/T ，为低压室未受扰动时气体的声速，T为低压室气体的温度。

由 Mn可计算得到反射激波超压 Ap 和高压室压力值 ，/xp 7 (Ma ( 等 ) (3) w-广J，P -百1(7 。1)1- l(Ma- ) (4)式中：P 为低压室气体初始压力 ，MPa。

3.2 动态校准实验结果将激波管作为激励源 ，对所设计冲击波记录仪进行动态标定 ，为了使反射波超压 Ap 平 台较平 ，激波速度 (以马赫数 Ma表示)控制在 1.3左右 ；为 了提高反射波超压 Ap 的幅度并保持较小马赫数 ，当Ma-1.3时 ，由式(3)～(4)可知，Ap /p ≈ 2.1，P /p ≈ 3.4，根据这 2个关系和所选择的膜片对高 、低压室充气到所希望的值。标定实验共进行 了 3次 ，获得的典型标定曲线及其幅频 、相频 曲线如图 8所示 。标定结果如表 1所示 ，表 中 P 为激波管高压室气体压力值 ，P 为 冲击记录系统测得的压力值 。通过测量激波响应的超调算出其二阶系统阻尼比为 0.042，由振荡周期和阻尼比得到其自然振荡频率为827 500 rad/s。由频率特性图可以看出，测量系统在 100 kHz内增益稳定 、相位差较小 ，满足 冲击波测量的要求 。

由表 1可知，3次动态标定实验的系统误差均小于 5 ，说明测试系统是稳定可靠 的，能够保证实验的准确性 。

lO- 1(a)Calibration curveI， f(b)Amplitude-frequency，phase-frequency characteristics图 8标 定曲线及 其幅频 、相频特性Fig.8 Calibration curve and amplitude frequency，phase-frequency characteristics198 爆 炸 与 冲 击 第 33卷表 1动态标定结果Table 1 Dynamic calibration results4 船舱实验测试为了评估导 弹对船 舱的毁伤效果 ，靶舰 为报废 油轮 ，将 记录系统 安装在船舱 内的不同位置。以布置 在油 舱 内的测试装置为例介绍 ，该油舱 长 l0.4 m、宽 1.8 m、高 5 m。导弹爆炸位置在轮机舱 ，探测头布置在油舱内距离底甲板 1.5 m，距离轮机舱与油舱壁 5.6 m 处 。在舱 内实施动爆时 ，大马赫数 的动爆冲击波遇刚性壁面反射，形成多次反射 ，峰值越 大，反射后压 强增长的比例越大 ，获得的压力 曲线如图 9所示 。

5 结 论罨； ! i j ；- ～- -t -- t ～-!-I ： 丰： ：- ：-- - ：于- ：-. / 00毒毒. l毒m -； ； i ； ； 28.5 29.5 30.5t/ms图 9实测曲线Fig.9 M easured curve(1)设计了-种具有测点存储记录、光纤实时传输 、远端集总备份存储 的分布式舰用动爆 冲击波记录系统 ；(2)利用激波管对舰用动爆冲击波记录系统进行了动态校准 ，系统误差均小于 5 ；(3)在现场测试中，该系统成功地获取了冲击波压力数据 ，为后续 的数据分析与舰船抗爆抗 冲击设计的研究提供了依据。