电热化学炮膛压测试技术研究
|
摘要
准确可靠的电热化学炮膛内动态压力参数（以下简称膛压）对于研究等离子体点火、增强作用和装药结构的合理性，炮弹外弹道初速的预测，以及炮架的强度和刚度设计等都是十分重要的依据。电热化学炮发射试验时存在高压脉冲、大电流放电产生的多种强电磁干扰源，这些干扰信号以电场、磁场、电磁场形式通过传导耦合、辐射耦合方式进入测压回路，对高瞬态膛压数据的准确性产生严重影响。同时炮体的地电位浮动问题，甚至危害测试设备和实验人员的安全。在电磁环境因子作用下，提高测试系统的安全性、可靠性和精确度显得尤为重要。
在分析电热化学炮发射过程中各种电磁干扰源及其特性的基础上，提出了采用存储测试和光纤通信技术相结合的电热化学炮膛压测试技术，设计了现场存储与远程在线一体化测试系统。采用PCB电磁兼容设计、不同材料多层组合的屏蔽技术、接地和滤波技术、光电隔离技术对测试系统进行了电磁兼容设计，并对测试系统的电磁屏蔽效能进行了详细的分析与计算。设计了基于CMI光纤通信的编码、解码方式，解决了直流基线漂移的问题，避免了接收机的误触发，并通过收发一体光模块和数字光纤实现了数据的实时传输和双工通信。文中详细论述了现场存储子系统与远程在线子系统的硬件与软件设计过程及测试系统的校准方法，对测试结果的不确定度进行了定量分析。靶场实测结果表明现场存储与远程在线一体化测试系统具有抗干扰能力强、安全性高、可靠性高、精度高、实时传输及双工通信等特点，为电热化学炮内弹道特性的研究提供了测试手段。该测试技术可以拓展应用到各种电磁环境下的瞬态参数的测试场合，并且在现代化电子靶场、军事试验等方面有广阔的应用前景和推广价值。
The accurate, reliable and dynamic chamber pressure parameter (hereinafter referred to asthe chamber pressure) of ETCG played an important role in the ignition and enhancement ofplasma generator, the rationality of charge structure, the muzzle velocity forecast of exteriorballistics as well as the strength and stiffness design of ETCG .When the ETCG launched,there were problems of serious electromagnetic interferences which were generated by thehigh-voltage pulse and discharge of pulse current, coupled into the pressure measurementcircuit in the form of electric field, magnetic field and electromagnetic field by conductedcoupling and radiated coupling and had severe impacts on the accuracy of transientparameters. At the same time, the voltage fluctuation even endangered the safety of the testequipment and laboratory personnel. Under the action of serious electromagnetic environmentfactors, it was particularly important to improve the security, reliability and accuracy of thetest system.
On the basis of analyzing serious electromagnetic interference sources and theircharacteristics, measurement technology that combined storage measurement with opticalfiber communication technology was proposed for ETCG chamber pressure and the sitestorage and remote online integrated test system was designed. EMC of test system wasdesigned in the view of PCB EMC, shielding technique based on multi-layer combinations ofdifferent materials, grounding and filtering techniques and optical isolation technique. What ismore, the electromagnetic shielding effectiveness of test system was analyzed and calculatedin detail. Encoding and decoding of optical fiber communication based on CMI was designed,which solved the DC baseline drift and avoided false triggering of the receiver. Real-time datatransmission and duplex communication was realized with integrated transceiver opticalmodules and digital optical fiber. The hardware and software design process and calibration method of site storage subsystem and remote online subsystem was described in detail and theuncertainty of test results was also analyzed in quantity. The test result in shooting rangeshowed the site storage and remote online integrated test system is featured for goodelectromagnetic compatibility, high reliability, high precision, real-time transmission, duplexcommunication and other characteristics and provided testing method for the study of ETCGballistic characteristics. The technology can expand the application to the test of transientparameters in the electromagnetic environment and have broad application prospects andpromotional value in modern electronic shooting range, military testing and so on.
在分析电热化学炮发射过程中各种电磁干扰源及其特性的基础上，提出了采用存储测试和光纤通信技术相结合的电热化学炮膛压测试技术，设计了现场存储与远程在线一体化测试系统。采用PCB电磁兼容设计、不同材料多层组合的屏蔽技术、接地和滤波技术、光电隔离技术对测试系统进行了电磁兼容设计，并对测试系统的电磁屏蔽效能进行了详细的分析与计算。设计了基于CMI光纤通信的编码、解码方式，解决了直流基线漂移的问题，避免了接收机的误触发，并通过收发一体光模块和数字光纤实现了数据的实时传输和双工通信。文中详细论述了现场存储子系统与远程在线子系统的硬件与软件设计过程及测试系统的校准方法，对测试结果的不确定度进行了定量分析。靶场实测结果表明现场存储与远程在线一体化测试系统具有抗干扰能力强、安全性高、可靠性高、精度高、实时传输及双工通信等特点，为电热化学炮内弹道特性的研究提供了测试手段。该测试技术可以拓展应用到各种电磁环境下的瞬态参数的测试场合，并且在现代化电子靶场、军事试验等方面有广阔的应用前景和推广价值。
The accurate, reliable and dynamic chamber pressure parameter (hereinafter referred to asthe chamber pressure) of ETCG played an important role in the ignition and enhancement ofplasma generator, the rationality of charge structure, the muzzle velocity forecast of exteriorballistics as well as the strength and stiffness design of ETCG .When the ETCG launched,there were problems of serious electromagnetic interferences which were generated by thehigh-voltage pulse and discharge of pulse current, coupled into the pressure measurementcircuit in the form of electric field, magnetic field and electromagnetic field by conductedcoupling and radiated coupling and had severe impacts on the accuracy of transientparameters. At the same time, the voltage fluctuation even endangered the safety of the testequipment and laboratory personnel. Under the action of serious electromagnetic environmentfactors, it was particularly important to improve the security, reliability and accuracy of thetest system.
On the basis of analyzing serious electromagnetic interference sources and theircharacteristics, measurement technology that combined storage measurement with opticalfiber communication technology was proposed for ETCG chamber pressure and the sitestorage and remote online integrated test system was designed. EMC of test system wasdesigned in the view of PCB EMC, shielding technique based on multi-layer combinations ofdifferent materials, grounding and filtering techniques and optical isolation technique. What ismore, the electromagnetic shielding effectiveness of test system was analyzed and calculatedin detail. Encoding and decoding of optical fiber communication based on CMI was designed,which solved the DC baseline drift and avoided false triggering of the receiver. Real-time datatransmission and duplex communication was realized with integrated transceiver opticalmodules and digital optical fiber. The hardware and software design process and calibration method of site storage subsystem and remote online subsystem was described in detail and theuncertainty of test results was also analyzed in quantity. The test result in shooting rangeshowed the site storage and remote online integrated test system is featured for goodelectromagnetic compatibility, high reliability, high precision, real-time transmission, duplexcommunication and other characteristics and provided testing method for the study of ETCGballistic characteristics. The technology can expand the application to the test of transientparameters in the electromagnetic environment and have broad application prospects andpromotional value in modern electronic shooting range, military testing and so on.
引文
[1]金志明，翁春生．高等内弹道学[M]，北京：高等教育出版社，2003：415~432.
[2]向阳，古刚，张建革．国外电热化学炮研究现状及发展趋势[J]，舰船科学技术，2007，29：159~162.
[3]陈林，周之奎，孙承纬．电热化学发射中等离子体发生器放电特性的实验研究[J]，爆炸与冲击，1997,17(4):375~381.
[4]戴荣，栗保明．电热化学炮等离子体增强燃烧过程研究[J]，兵工学报，2003,24(3)：396~398.
[5] Katulka,G.L．Measurement Techniques for Electrothermal-Chemical Gun Diagnostics.ADA273952, 1993.
[6]李洪涛，仇旭，芮海燕，等.电热炮膛压测量技术[J]，高压物理学报，1998,12(2):134~140.
[7]董健年，石晓晶．电热化学炮弹道参数测试技术研究[J]，弹道学报，2003,15(4)：74~77.
[8]田慧，林庆华，孟绍良，栗保明．电热发射测试系统的高电压隔离技术研究[J]，弹道学报，2004, 16(3)：94~96.
[9]田慧，林庆华，栗保明．压电式压力传感器的光纤传输技术应用研究[J]，传感器与微系统，2006,25(2):18~20.
[10]袁伟群，栗保明，顾金良，等.电磁环境下电热化学炮膛压测量技术[J]，弹道学报，2003,15(4):70~73.
[11]谢浔，裴东兴，张志杰.电热化学炮膛压测试系统研究[J]，测试技术学报，2004,18(4)：338~341.
[12]李媛，黄凯，张明安.高线性模拟光耦在膛压测试中的应用[J]，火炮发射与控制学报，2008,4：29~32.
[13]孟绍良．电热化学炮用脉冲电源及等离子发生器电特性的研究[D]，南京：南京理工大学弹道国防科技重点实验室，2006.
[14]王争论．中心电弧等离子发生器及其在电热化学炮中的应用研究[D]，南京：南京理工大学，2005.
[15]白同云．电磁兼容设计实践[M]，北京：中国电力出版社，2007：62~63.
[16]金志明．高速推进内弹道学[M]，北京：国防工业出版社，2001:103~107.
[17]王卿.放入式电子测压器的智能化设计及校准技术研究[D]，太原：中北大学，2011.
[18] Sicard E & Boyer A. Enhancing engineers skills in EMC of integrated circuits: Apractical experience using IC-EMC. Proceedings of the 8th International Workshop onElectromagnetic Compatibility of Integrated Circuits 2011. 2011:115~118.
[19]何金良．电磁兼容概论[M]，北京：科学出版社，2010：92~94.
[20]谢鹏举．超高压输电线路对建筑物电磁环境的影响和屏蔽方案研究[D]，重庆：重庆大学，2008.
[21]陈家奎．防电磁辐射服装屏蔽效能测量方法研究[D]，北京：北京交通大学，2007.
[22]姚路明.镁合金组织和织构对其电磁屏蔽效能的影响[D]，沈阳：沈阳理工大学,2008.
[23]李鹏.电磁波屏蔽橡胶的导电机理与屏蔽性能研究[D]，大连：大连理工大学，2005.
[24]贾晓晨.核磁共振找水仪室内检测标定装置设计[D]，长春：吉林大学，2009.
[25] Brauer J R & Brown B S. Mixed-Dimensional Finite-Element Models ofElectromagnetic Coupling and Shielding. IEEE Transactions on ElectromagneticCompatibility. 1993, 35(2):235~241.
[26] Tonti E. Finite formulation of electromagnetic field. IEEE Transactions on Magnetics,2002,38(2):333~336.
[27]王尔申，胡青，张淑芳.基于GPRS和GPS船载终端系统的电磁兼容设计[J]，仪器仪表学报，2008,29(3):524~529.
[28]祖静，裴东兴，谢浔，等.隔离型炮膛压力测试系统及测试方法：中华人民共和国，ZL 200410012593[P].2008年7月2日.
[29]裴东兴，祖静，马铁华，石垒.强电磁环境下膛压测试技术研究[J]，电子测量与仪器学报，2011.25(12):1013~1017.
[30]袁伟群，王争论，栗保明.等离子体发生器阴极电位浮动及其影响[J]，南京理工大学学报，2005,29(3):337~340.
[31] McNab I R, LeVine F, Aponte M. Experiments with the green farm electric gunfacility[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1995,31(1):338~343.
[32]邹澍，周晓萍．电磁兼容原理、技术和应用[M]，北京：清华大学出版社，2007:221~224.
[33]高翔．强电磁干扰环境下VXI测控技术的应用[D]，南京：南京理工大学，2005.
[34]张洪润．传感器技术大全[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007：777~786.
[35]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2007:352~353.
[36]陈适，綦晓华．基于CPLD的CMI编解码电路的设计与实现[J]，武汉理工大学学报，2010,32(1):8~11.
[37]赵冬梅．CMI码的编译码电路设计及应用[J]，机械管理开发，2006,1:90~91.
[38]马海武，刘敏，达新宇．通信原理[M]，北京：北京邮电大学出版社，2003:114~118.
[39]顾畹仪.光纤通信（第二版）[M]，北京：人民邮电出版社，2011:150~152.
[40]卢志茂，冯进攻．光纤通信[M]，北京：北京大学出版社，2010:144~145.
[41]吴高荣.误码性能测量中的时间长度测量研究[J]，电气化铁道，1995:38~39.
[42]黄俊钦，测试系统动力学[M]，北京：国防工业出版社，1996:6~10.
[43]孟立凡，蓝金辉，传感器原理与应用[M]，北京：电子工业出版社，2007:22~24.
[44]杜水友，裘国红，符传伟．激波管阶跃压力持续时间研究[J]，中国计量学院学报，1996，1：51~56.
[45] Zhang Y, Zhang H Y, Zu J, etc. The dynamic calibration method of high-pressuretransducer under high-static pressure[A], Proc. Int. Conf. Mechatronic Sci., Electr. Eng.Comput., MEC[C] , New Jersey: IEEE Computer Society, 2011：1403~1406.
[46]朱明武．压力准静态校准技术[J]，宇航计测技术，2004,24（2）：19~22.
[47] Kistler6909_BP__000-361m-04.99.pdf. http://www.kistler.com/mediaaccess.
[48]王昌明，朱明武，柳光辽，等.高压传感器的高动压校准研究[J]，兵工学报，1994,4:85~88.
[49]孔德仁，朱明武，李永新，等.压力传感器准静态“绝对校准”[J]，传感器技术，2001,20(12):32~34.
[50]赵慧武．石油井下压力测试系统及其动态不确定度的研究[D]，太原：中北大学，2011.
[51]王大珩，现代仪器仪表技术与设计[M]，北京：科学出版社，2002:189~196.
[2]向阳，古刚，张建革．国外电热化学炮研究现状及发展趋势[J]，舰船科学技术，2007，29：159~162.
[3]陈林，周之奎，孙承纬．电热化学发射中等离子体发生器放电特性的实验研究[J]，爆炸与冲击，1997,17(4):375~381.
[4]戴荣，栗保明．电热化学炮等离子体增强燃烧过程研究[J]，兵工学报，2003,24(3)：396~398.
[5] Katulka,G.L．Measurement Techniques for Electrothermal-Chemical Gun Diagnostics.ADA273952, 1993.
[6]李洪涛，仇旭，芮海燕，等.电热炮膛压测量技术[J]，高压物理学报，1998,12(2):134~140.
[7]董健年，石晓晶．电热化学炮弹道参数测试技术研究[J]，弹道学报，2003,15(4)：74~77.
[8]田慧，林庆华，孟绍良，栗保明．电热发射测试系统的高电压隔离技术研究[J]，弹道学报，2004, 16(3)：94~96.
[9]田慧，林庆华，栗保明．压电式压力传感器的光纤传输技术应用研究[J]，传感器与微系统，2006,25(2):18~20.
[10]袁伟群，栗保明，顾金良，等.电磁环境下电热化学炮膛压测量技术[J]，弹道学报，2003,15(4):70~73.
[11]谢浔，裴东兴，张志杰.电热化学炮膛压测试系统研究[J]，测试技术学报，2004,18(4)：338~341.
[12]李媛，黄凯，张明安.高线性模拟光耦在膛压测试中的应用[J]，火炮发射与控制学报，2008,4：29~32.
[13]孟绍良．电热化学炮用脉冲电源及等离子发生器电特性的研究[D]，南京：南京理工大学弹道国防科技重点实验室，2006.
[14]王争论．中心电弧等离子发生器及其在电热化学炮中的应用研究[D]，南京：南京理工大学，2005.
[15]白同云．电磁兼容设计实践[M]，北京：中国电力出版社，2007：62~63.
[16]金志明．高速推进内弹道学[M]，北京：国防工业出版社，2001:103~107.
[17]王卿.放入式电子测压器的智能化设计及校准技术研究[D]，太原：中北大学，2011.
[18] Sicard E & Boyer A. Enhancing engineers skills in EMC of integrated circuits: Apractical experience using IC-EMC. Proceedings of the 8th International Workshop onElectromagnetic Compatibility of Integrated Circuits 2011. 2011:115~118.
[19]何金良．电磁兼容概论[M]，北京：科学出版社，2010：92~94.
[20]谢鹏举．超高压输电线路对建筑物电磁环境的影响和屏蔽方案研究[D]，重庆：重庆大学，2008.
[21]陈家奎．防电磁辐射服装屏蔽效能测量方法研究[D]，北京：北京交通大学，2007.
[22]姚路明.镁合金组织和织构对其电磁屏蔽效能的影响[D]，沈阳：沈阳理工大学,2008.
[23]李鹏.电磁波屏蔽橡胶的导电机理与屏蔽性能研究[D]，大连：大连理工大学，2005.
[24]贾晓晨.核磁共振找水仪室内检测标定装置设计[D]，长春：吉林大学，2009.
[25] Brauer J R & Brown B S. Mixed-Dimensional Finite-Element Models ofElectromagnetic Coupling and Shielding. IEEE Transactions on ElectromagneticCompatibility. 1993, 35(2):235~241.
[26] Tonti E. Finite formulation of electromagnetic field. IEEE Transactions on Magnetics,2002,38(2):333~336.
[27]王尔申，胡青，张淑芳.基于GPRS和GPS船载终端系统的电磁兼容设计[J]，仪器仪表学报，2008,29(3):524~529.
[28]祖静，裴东兴，谢浔，等.隔离型炮膛压力测试系统及测试方法：中华人民共和国，ZL 200410012593[P].2008年7月2日.
[29]裴东兴，祖静，马铁华，石垒.强电磁环境下膛压测试技术研究[J]，电子测量与仪器学报，2011.25(12):1013~1017.
[30]袁伟群，王争论，栗保明.等离子体发生器阴极电位浮动及其影响[J]，南京理工大学学报，2005,29(3):337~340.
[31] McNab I R, LeVine F, Aponte M. Experiments with the green farm electric gunfacility[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1995,31(1):338~343.
[32]邹澍，周晓萍．电磁兼容原理、技术和应用[M]，北京：清华大学出版社，2007:221~224.
[33]高翔．强电磁干扰环境下VXI测控技术的应用[D]，南京：南京理工大学，2005.
[34]张洪润．传感器技术大全[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007：777~786.
[35]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2007:352~353.
[36]陈适，綦晓华．基于CPLD的CMI编解码电路的设计与实现[J]，武汉理工大学学报，2010,32(1):8~11.
[37]赵冬梅．CMI码的编译码电路设计及应用[J]，机械管理开发，2006,1:90~91.
[38]马海武，刘敏，达新宇．通信原理[M]，北京：北京邮电大学出版社，2003:114~118.
[39]顾畹仪.光纤通信（第二版）[M]，北京：人民邮电出版社，2011:150~152.
[40]卢志茂，冯进攻．光纤通信[M]，北京：北京大学出版社，2010:144~145.
[41]吴高荣.误码性能测量中的时间长度测量研究[J]，电气化铁道，1995:38~39.
[42]黄俊钦，测试系统动力学[M]，北京：国防工业出版社，1996:6~10.
[43]孟立凡，蓝金辉，传感器原理与应用[M]，北京：电子工业出版社，2007:22~24.
[44]杜水友，裘国红，符传伟．激波管阶跃压力持续时间研究[J]，中国计量学院学报，1996，1：51~56.
[45] Zhang Y, Zhang H Y, Zu J, etc. The dynamic calibration method of high-pressuretransducer under high-static pressure[A], Proc. Int. Conf. Mechatronic Sci., Electr. Eng.Comput., MEC[C] , New Jersey: IEEE Computer Society, 2011：1403~1406.
[46]朱明武．压力准静态校准技术[J]，宇航计测技术，2004,24（2）：19~22.
[47] Kistler6909_BP__000-361m-04.99.pdf. http://www.kistler.com/mediaaccess.
[48]王昌明，朱明武，柳光辽，等.高压传感器的高动压校准研究[J]，兵工学报，1994,4:85~88.
[49]孔德仁，朱明武，李永新，等.压力传感器准静态“绝对校准”[J]，传感器技术，2001,20(12):32~34.
[50]赵慧武．石油井下压力测试系统及其动态不确定度的研究[D]，太原：中北大学，2011.
[51]王大珩，现代仪器仪表技术与设计[M]，北京：科学出版社，2002:189~196.