FPGA冲击波超压存储测试装置设计+电路图(2)

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4.2 FPGA的仿真 23

4.2 测试装置的实验验证 24

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录A 总体原理图 30

附录B 总体PCB图 31

1 引言

1.1 课题研究背景及意义

冲击波效应是各种弹箭的主要破坏力之一。如果持续时间大于0.25ms、压力值大于3.91kPa时就会对人的听觉器官造成损害[1]。当冲击波的动压高于70kPa时，对于性能最好的C类地面野战通信设备结构和大部分零件会造成破坏，从而失去修复价值[2]。超压大于100kPa时会对各类飞机造成完全破坏，当超压为50kPa-110kPa时，能使地雷引爆，无线电雷达站和各种轻武器受损或毁坏[3]。所以冲击波场超压测试是评价武器系统、工程爆破的很有必要的有效手段。爆炸产生的冲击波特性研究包括炸药爆炸过程以及其相应产生的物理效应、爆炸的特点、能量的释放以及冲击波荷载形成机理。武器系统在研制、改进、定型、验收时都需要进行冲击波超压测试，以获得可靠的威力评估参数。

1.2 冲击波信号的特点

冲击波特点为冲击波上升沿陡峭，信号带宽，爆炸为瞬间单次过程，爆炸时伴随高温、高压、强光、强电磁干扰，测试系统现场工作环境恶劣，测试系统需要很高的要求[4]。炸弹在大气环境中爆炸时，在极短时间内能够释放出高温、高压火球，此火球由爆炸产物组成并且急剧、迅速的朝周围空间膨胀扩散，形成了极强的超压冲击波。在这个移动的波阵面到达之前空气是静止的，当波阵面到达该地区时，空气压力将瞬间升高并且远远超过当地大气压力，故称为超压。超压的最大值与爆炸威力以及距爆心的距离有关；在波阵面后方是沿着冲击波前进方向快速流动着的空气团即阵风，它对障碍物产生的压力被称为动压。爆炸冲击波的破坏程度主要取决于冲击波超压、动压峰值及其作用时间[5,6]。一般情况下，以冲击波超压为主。

以爆炸源在均匀的大气中理想爆炸冲击波举例，假设爆炸发生静止且均匀的大气压中，且爆炸源是球对称的，这样，爆炸波的特性就仅仅由到爆炸源中心的距离R及时间t的函数所表示。如果再假设存在一个理想压力传感器，它不仅不阻碍波阵面后空气的流动,而且给出的测试结果与超压变化可以完全同步，那么，在某距离R处绝对压力与时间的关系如图1.1所示。

理想大气冲击波压力-时间曲线

图 1.1 理想大气冲击波压力-时间曲线

图中，代表冲击波压力峰值超压，即空气冲击波到达时刻超过环境大气压力的压力峰值的最大值 = - ；是当前测试环境大气压力。到代表正压作用时间，指超压从最大正超压峰值再回到测试环境大气压力所需的时间；Q是正超压冲量，，从到的压力范围，称其为负压区。

1.3 冲击波超压测试一般方法

冲击波超压测试在工程领域特别是军工领域有着非常重要的意义。冲击波超压测试系统一般采用的是压力传感器、二次仪表与瞬态波形记录仪（或计算机高速数采系统）组成的测试系统[7,8]。这种方法存在一些问题：一是布置电缆引线费时费力；二是电起爆信号和爆炸产生的电磁干扰通过电缆引线耦合进入测试系统，常会造成误触发或对测试系统带来很大的噪声。冲击波超压测试的另一种方法是采用高速摄影技术。高速摄影能够抓拍到一系列的波阵面图像，经过图像数据处理能够得到较准确的激波速度、粗略的峰值压力及其他信息[9]。但该方法得不到特定点上压力随时间的变化规律，获得的压力值也是估计值，不够精确。因此高速摄影技术与压力传感器电测法只能作为互相补充[10]。鉴于以上不足的地方，现在已经有了使用存储测试技术的微型测试系统。存储测试系统一般是把传感器、适配放大器、A/D转换器、存储器、控制电路、接口电路以及电源集合在一起的微型化测试系统，它具有微小体积，能耐高的冲击加速度，较高的环境温度及环境压力，不需引线，在被测体工作过程中把信号记录下来，然后回收装置，用计算机读出和处理数据。体积微小和测量时不受外界的电磁辐射是其最突出的特点，使得过去不便于测量的场合能够进行直接测量[11]。