火工品测试电路的设计

赵金芳，程耀瑜

(中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原 030051)

0 引言

火工品是装有火药或炸药，受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[1]。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。将火工品从输入端接受规定的外部能量刺激到燃烧或爆炸所需的时间叫火工品的作用时间。火工品的作用时间对火工品来说是一个重要的参数，它是决定火工品的特性和功能的重要指标之一。不同类型和不同用途的火工品作用时间相差很大，一般在102～10-6之间[2]。这样大的跨度，其对应的测试方法和仪器设备的差异也很大，特别是对作用时间在微秒级的火工品，要求测试系统必须具备很高的响应和测试精度。本文是针对两种不同火工品的点火脉冲信号进行时间测量。

1 火工品作用时间的测量原理

火工品作用时间测定的基本原理如图1所示，其时间测量系统由发火、启动装置，输出探测器件，放大器和计时器组成。该系统用来测量给试样施加发火能量起到其开始输出时为止的时间[2]。

图1 火工品作用时间测定原理

该框图测试的过程是：当火工品施加能量时开始启动计时信号；当火工品在起爆能量作用下燃烧、爆炸后通过探测器件放大后输出的信号作为停止计时信号，两种信号之间的时间间隔就是火工品作用时间。

2 常用测试方法及其原理

火工品的作用时间的测试方法根据分类标准不同所分的类别也不相同，主要的分类标准有以下两种。按时间长短分类，火工品的作用时间测试方法包括微秒、毫秒和秒级火工品的测试；按获取的信号的手段分类，包括探针法、靶线法、声电法、光电法和高速摄影法等[2]。探针法、光电法和高速摄影法适合测量微秒级火工品，也可测量毫秒级火工品。靶线法和声电法只适合于测毫秒和秒量级火工品[1]。下面按获取信号的手段的分类，介绍一下测时方法。

2.1 探针法

探针法是高速动态测时的一种普遍使用的方法，它结构简单、响应速度快、使用可靠、成本较低。探针实际上是两个电极，要么接通，要么断开[3]。借助外电路，在探针接通或断开的同时，产生一个阶跃电压，形成计时信号。探针测时的系统结构如图2所示。

图2 探针法测时系统

2.2 声电法

声电法是利用火工品爆炸时的声音，经扬声器或送话器等器件转换成电信号，送入计时装置。声电法的工作原理是扬声器受到空气传来的声波压力而振动，磁场也随之振动，产生感应电动势[4]。经变压器升压二极管整流后的正弦信号给一个三极管的基极，其发射极与下一个三极管的基极相连，再经过两个三极管组成的射级耦合双稳态电路，最后由RC组成的微分电路输出尖端脉冲信号，触发仪器工作。

2.3 光电法

利用物体在作用过程中产生的光亮作为计时信号。这里的光指的是可见光和红外光，即波长在0.3～2μm范围内[5-6]。光电检测的基本方法是一般测试法和差动测试法，差动测试法是把被测量与某一标定量进行比较，再对它们的差值进行放大输出。

2.4 靶线法

靶线法是用直径不大于0.1mm的漆包线作为靶线，把它紧紧绕在火工品输出端或透明胶带纸等粘在火工品输出端的中心部分并与火工品绝缘[7]。

3 测试系统设计

该测试系统主要针对脉冲点火型火工品进行设计的，该类型的火工品对点火脉冲的宽度及产生脉冲电流的大小要求精度较高。不同类型的火工品对长生点火脉冲电流的大小及持续时间要求不同。如火工品A：脉冲宽度：15ms±0.5ms；点火电流1A±0.1A；点火电流持续时间15ms±0.5ms；火 工 品B：脉 冲 宽 度 ：3ms±0.2ms,；电 流 ：0.5A±0.05A；点火电流0.5A±0.05A；点火电流持续时间3ms±0.2ms；因此，设计了从脉冲作用到发火的时间的测试电路。时间范围：1～20ms，精度：5%，这样才能满足系统要求。

3.1 测时系统框图

图3 测时系统框图

火工品的测试电路，要求具有很高的精度，即测量误差控制在5%以内，本系统测量时间时测量误差包括振荡误差和计数显示误差[11]。脉冲计数器选用同步十进制加法计数器74LS160，由于此电路对频率稳定性有较高的要求，选用高频率的石英晶体多谐振荡器输出脉冲序列。在点火前显示器显示电阻的电压为一定电压值（5V）的波形，点火开始火工品的阻丝由于脉冲过热熔断这时显示器显示的电压为0V，计数器计时截止，这段时间就是火工品的工作时间。此设计要求时间范围：1～20ms，由于f0= 10kHz，则T0=100μs，如果计数时间为t=1 ms，计数器计数范围为00.00～01.00；t=10 ms，计数器的计数范围为00.00～10.00；t=5.3 4ms，计数器的计数范围为00.00 ～5.34。为了减小计数显示误差，在计数时应计到小数点后两位（设计计数范围为00.00～99.99，覆盖了设计的计数要求范围），则测量时间可精确到百分位（确保测量精度在5%以内）。另外，在设计时选用译码器7448来直接驱动共阴极的半导体数码管。下面以测试原理分解图明确的表示出火工品作用时间。如图4所示。

图4 测试原理分解图

3.2 测试结果

表1中的实验数据表明，火工品A测得的时间在15ms左右，上下浮动在±0.5ms之间；对火工品B测得的数据在3ms左右，上下浮动在±0.2ms之间。所设计的系统测试的数据均在所要求的精度范围内，能达到测试的目的及要求。

表1 火工品A、B实验数据（单位ms）

4 总结

通过对一般测时原理的介绍，我们了解了火工品作用时间测试原理。但这些一般的方法并不是在各种火工品类型中都适用的，应根据所设计的火工品来设计不同的测时系统，我们根据所设计的不同类型的火工品点火脉冲，设计了脉冲测时电路，由测得的数据可知该电路可以准确地测得作用时间，并能达到精度在5%的要求。该电路还可以应用在其他的测时电路，可以简单有效地测试出作用时间。

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