一种新型自动发火感度试验装置的设计研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 7 6-0 52023年第4期一种新型自动发火感度试验装置的设计研究刘毅敏，江宇（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉，430 0 8 1）摘要：针对现有含能材料发火感度试验装置操作繁琐的不足，基于发火感度试验的原理及流程，设计了一种新型自动发火感度试验装置。该装置采用移动终端作为控制核心，控制高精度数控电压源实现高效的电压调节，使用光电传感器检测含能材料试验样品的响应状态，并通过串口通信实现试验流程的自动闭环，以满足含能材料发火感度试验的测试精度。采用试验验证的方法对某半导体桥发火件的发火感度进行了D优化法试验，结果表明发火感度值与经验积累值一致。关键词：感度试验；D优化法；数控电源；单片机；移动终端中图分类号：TJ450.6Design and Research of A New Automatic Ignition Sensitivity Test Device(School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan,430081)Abstract:Aiming at the lack of complicated operation of existing ignition sensitivity test of energetic materials,based onthe principle and process of ignition sensitivity test,a new type of automatic ignition sensitivity test device was designed.Thedevice uses the mobile terminal as the control core,controls the high-precision digital control voltage source to achieve efficientvoltage regulation,uses the photoelectric sensor to detect the response state of the energetic material test sample,and realizes theautomatic closed-loop of the test process through serial communication,which can meet the accuracy of the energetic materialignition sensitivity test.By use of test verification method,the D-optimality method was carried out for the ignition sensitivity testof some SCB ignitor.The results show that the obtained sensitivity value is consistent with the accumulated experience value.Key words:Sensitivity test;D-optimality;CNC power supply;One-chip Computer;Mobile Terminal文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.015LIU Yi-min,JIANG Yu感度试验与统计分析方法是进行含能材料可靠性评定的基础。含能材料的感度数据与试验装置、试验条件、试验方法密切相关1-2 。常用的感度试验方法包括升降法、兰利法和D优化法等3。一般进行火工品的发火感度试验时，试验过程中需要人工计算下一个刺激量的值，计算量大且容易出现计算错误，特别是使用D优化法进行感度试验时，人工计算已无法完成下一个发火刺激量的设定。为此，张蕊等4利用智能PDA设备研发了一种火工品感度试验用便携式计算装置代替人工计算，该装置集成了常用的感度试验收稿日期：2 0 2 2-12-0 2作者简介：刘毅敏（197 3-），女，副教授，主要从事工业生产过程信息化及自动检测技术研究。计算方法：兰利法、升降法和D优化法，简化了感度试验数据的计算流程。然而，进行发火感度试验时，不难发现传统电压源普遍存在调节过程复杂、精度不够高等缺陷，影响了含能材料发火感度的测试效率。为解决这一问题，胡武清等5 研究设计了一种基于单片机的直流数控电压源，提高了电压调节的效率。温馨等6 、薛巨峰等7 将 PID控制和更高性能的D/A转换芯片应用到数控电压源中，大大提高了数控电源的精度。在深入梳理了含能材料和火工品的电发火感度2023年0 8 月试验流程后，结合现有感度试验装置的相关研究，笔者设计了将感度试验数据处理程序与感度试验装置相结合的一套新型自动电发火感度试验装置。该装置主要包括移动终端、基于单片机的数控电压源和光电传感器，其中，移动终端可以实现感度试验下一刺激量的自动设置，并且通过串口通信实现移动终端、单片机和传感器之间的数据交互，从而提高试验装置的自动化程度，简化感度试验操作流程1i试验原理及系统总体设计1.1发火感度试验原理含能材料的电发火感度试验的核心器件是储能电容，试验原理如图1所示。设置电压值移动控制终端充放电控制信号数控可调电压源Fig.1 Principle of ignition sensitivity test试验开始时按照需求调整直流电压源的输出电压，并接通电容和电压源，给储能电容充电。电容充电完毕后，控制开关由电容-电源端切换至电容-含能材料端，接通后电容瞬时放电，刺激含能材料，观察含能材料响应状态（发火/不发火)并通过相应算法(兰利法、升降法或D优化法）计算下一次电源施加的电压值，如此往复，直至完成既定试验目标。1.2系统总体设计本系统包含移动终端、单片机、D/A转换电路、A/D转换电路、电容放电模块和传感器及含能材料安装单元6 个部分。系统设计方案如图2 所示。系统中移动终端和单片机上运行的程序负责整个试验的控制和数据处理。移动终端安装的Android 程序根据响应结果进行感度数据的计算，然后将下一步的试验电压和充放电控制信号发送给单片机。单片机接收到上位机发送的设定电压数据后，通过D/A转换电路输出模拟电压信号给电容放电模块充电，并且借助A/D转火工品换电路读取电容两端电压。反馈传感器信号电容充放电控制开关发送控制信号模拟电压输出电容放移动终端单片机D/A转换友馈响应结果A/D转换图2 系统总体设计方案Fig.2Overall system design scheme电容放电模块充电完毕后，单片机控制开关切换，然后与含能材料安装电路连通，实现瞬时放电，刺激含能材料响应。光电传感器及含能材料安装单元的主要作用是将试验含能材料样品可靠的安装在电路中，并且安装光电传感器实时监测含能材料响应状态。电容放电后，光电传感器将检测到的信号传递给单片机进行判断，并将响应结果发送给移动终端，移一反馈响应状动终端上的Android程序根据响应结果，自动计算下一次试验的刺激电压量，发送相关控制信号给单片机含能进行下一次试验。全部试验完成后，移动终端自动计电阻控制开关储能电容图1发火感度试验原理77光电传感器及含脉冲放电能材料安装单元电模块电阻材料样品算该含能材料的感度数据，实现整个试验流程的自动闭环。2单元设计2.1利移动终端设计移动终端选用具有一定运算性能的智能平板等设备，安装为感度试验开发的Android程序。该程序集成了兰利法、升降法和D优化法3种感度试验分析算法，流程框图如图3所示。开始算法选择设置初始条件设置电压发送放电信号获取响应值试验完成？工是计算感度数据立结束图3Android程序流程图Fig.3Android program flowchart计算新的刺激量78试验开始时选择对应的算法，通过初始条件的设定得到第1次试验的刺激电压值，将此电压值发送给单片机进行处理为电容充电。收到电容充电完成信号以及确认安全后发送点火信号，并通过单片机获取含能材料样品在当前刺激量下的响应状态，由算法计算出下一次刺激量，重复以上过程，直到判断试验目的达到，计算出当前含能材料的相关感度数据。2.2光电传感器设计含能材料或火工品样品受到电压刺激时会产生燃烧、爆炸等现象，因此，可以借助光电传感器来检测样品在电容放电时是否产生燃烧爆炸等响应。由于样品响应时间极短（一般为微秒级），需要选择高灵敏度的硅偏置光电探测器作为设计中的含能材料响应状态检测传感器。硅偏置光电探测器具有宽带直流耦合输出，适合检测快速脉冲激光和直流光源。探测上升时间1ns,检测波长范围为2 0 0 110 0 nm，峰值波长7 30 nm，峰值响应为0.44AW-l。2.3D/A转换电路设计本设计中D/A转换选择TLC5615芯片进行，该芯片是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的2 倍。D/A转换电路设计如图4所示。控制数字信号信号TLC5615单片机芯片图4D/A转换电路Fig.4D/A conversion circuitTLC5615芯片输入输出关系如公式（1）所示：Vout=2.VreoutVr1024式（1）中：Vin为单片机输人数字量；Vout为芯片输出模拟电压值;Vret为TLC5615芯片的基准电压，通常设置为2.0 48 V。由于该芯片的最大输出电压约等于基准电压的2 倍，因此需要对移动终端输人的数字电压值进行压缩，然后经过一级放大电路还原模拟电压值，并采用7 8 0 5芯片进行稳压。2.4储能电容及A/D转换电路设计本设计中储能电容通过控制开关分别与D/A转换电路输出以及含能材料试验样品相连，通过单片机刘毅敏等：一种新型自动发火感度试验装置的设计研究TCL549芯片图5储能电容及A/D转换电路Fig.5Energy storage capacitor and A/D conversion circuit储能电容两端电压采用A/D转换电路进行采集。电压采集选择TLC549芯片完成。由于TLC549芯片正常工作时采集电压范围为0 5V，因此在该电路中芯片电压采集输人前需要对电容两端的电压进行一次压缩，达到A/D转换芯片的工作条件，在芯片采集完毕后，单片机对反馈的数据进行相应的数据处理，获取实际电压值。3电路仿真及试验程序数据分析电压放大稳压输出3.1类数控电压源输出误差分析电路电路(1)2023年第4期控制开关的切换来实现储能电容的充放电控制。同时，考虑到不同含能材料的感度不一致，激发含能材料发生作用需要的能量不一样，因此在本设计中储能电容可根据具体需求进行更换，提高试验装置的适配性。储能电容及A/D转换电路设计如图5所示。充放电控制信号D/A转换电阻电路输出电压采集输出数控电压源电路在Proteus软件中进行仿真设计，使用电压探针检测直流电源输出端和A/D转换芯片输人端的电压。仿真测试中从0 2 0 V之间随机选择电压值，测量电源输出电压和电压采集值，测试结果如表1所示。表1数控电压源仿真测试数据Tab.1 Numerical control voltage source simulation test data设置电源输电源输出电压V出/V3.253.244.564.567.627.629.889.8810.0010.0014.1114.1015.0015.0017.4317.42由表1数据可知，本设计中的电源输出波动在0.01V以内，满足预定的设计目标。存在误差的原因首先是数字-模拟电压转换时，需要将电压值进行压含能材控制开关电阻储能电容电压压缩电路采集误差V电压/V0.013.2804.6007.6509.84010.000.0114.06015.000.0117.42料样品采集误差人0.040.040.030.0400.040图7 某型半导体桥发火件2023年0 8 月缩，满足TLC5615芯片的工作条件，然后经过放大电路和稳压电路输出，存在一定的硬件误差。其次电压采集电路在模拟-数字转换时，需要满足TLC549芯片的工作条件，因此经过运算电路进行了一次压缩，芯片采集到的数值在程序中还原为电压值的过程由于精度损失会产生误差。3.2感度试验程序验证为了检测感度试验程序的准确性和精度，本文按国军标GJBZ377A-1994中给出的标准算例，采用感度试验程序中的兰利法进行了算例验证，验证过程中Android程序截图如图6 所示。兰利法实验正态分布振准编号制量标准差产品名lanle器分解率0:01.010.0图6 感度试验程序截图Fig.6 Screenshot of sensitivity test program按国军标GJBZ377A-1994中D优化法的算例，设置响应概率分布为标准正态分布，刺激量上限为100，下限为0，试验样本量N=20，试验刺激量计算结果见表2。表2 刺激量计算结果Tab.2Stimulation calculation results编号刺激量150.00275.00362.50431.25546.88639.06719.53829.30938.091056.5520次试验完成后，根据表2 中的试验数据，程序自动计算得出该含能材料u=43.043，0=6.117，并得出该含能材料的99.99%发火点为6 1.930，99.9%发火点为2 4.157。试验过程中单次试验的刺激量计算结果和最终的感度数据计算结果与国军标GJBZ377A-1994给出的兰利法标准算例结果完全一致，证明该程序达到了计算的准确性，且满足了感度试验对数据精度的火工品要求。4试验验证为了验证新型发火感度试验装置的稳定性、可靠性与准确性，使用该装置对一种常用半导体桥发火件进行发火感度试验并采用D优化法对试验数据进行统计分析。半导体桥发火件样品如图7 所示。兰利法实验结果47.3242.614239.03020556.5543.984.9.73230938.093.4173203037.35响应编号刺激量响应011112113014115116017018019120792019031343.043425标准方旅611649.0%前成点6192988724.15696247.3238.3142.8249.6946.2542.2844.2743.2831.4137.35Fig.7 Semiconductor bridge ignition component试验时，首先通过串口有线连接移动终端及数控电压源，接通数控电压源外部电源。装置连接完成后，使用移动终端登陆用户账号，新建D优化法试验，试验初始参数设置如下：发火感度分布模型设置为标准正态分布，仪器分辨率为0.0 1V，标准差预估值Ogues=0.5，刺激量上限为Xu-12.00V，下限为Xi=3.00V，总体样本量N=25。参数设置过程如图8所示。1001101100D优化法实验产品名称testol仪器分辨率0.01刺激量下限3.0刺激量上限12.0标准差预估0.5正态分布标准不翻转纳放提文取消图8 试验初始参数设置Fig.8 Initial parameter settings for the experiment参数设置完成后，按图9所示方式连接发火件。通过程序算得到试验电压，控制数控电压源进行电容充电，充电完成后控制试验装置电容放电，观察发火件样品是否发火，并将发火结果输入至移动终端，计算下一次试验电压值更换发火件样品，重复上述流程80直至满足试验终止条件。试验过程中装置充放电控制如图 10 所示。刘毅敏等：一种新型自动发火感度试验装置的设计研究2023 年第 4 期5结论本文通过分析现有含能材料发火感度试验装置的原理和不足，设计了一种新型自动发火感度试验装20130913图9发火件样品连接Fig.9Connection of ignition component法志有到准拉发火控制设置电压6.05电界电话6.05大图10 装置充放电控制Fig.10 Device of charge and discharge control完成2 5次试验后，计算得到总体参数如图11所示。试验结束后导出试验数据，整理如表3所示。综合计算得出该发火件发火均值为5.6 595V，标准差为0.4659，99.9%发火点为7.0 993V，0.1%发火点为4.2197V。试验过程中装置稳定，且计算结果与产品经验积累值一致。刺激量置。经过电路仿真和误差分析，采用感度试验程序中的兰利法进行标准算例验证，并以某型半导体桥发火件为样品进行D优化法感度试验验证，得到了以下结论：（1）使用安装有Android程序的移动终端在满足试验数据准确性和高精度的同时，可以很方便完成感度试验中的数据计算、数据分析和数据存储等流程。（2）使用基于单片机和D/A转换芯片设计开发的自动化高精度的数控电压源可以大大简化发火感度试验中电压刺激量的调节。（3）结合Android移动终端、基于单片机的数控电压源以及光电传感器，可以提高发火感度试验的自动化程度，实现整个试验流程的闭环。后续工作将在提高数控电压源的输出精度、减小数控电压源电源的输出误差、实现储能电容两端电压对电压源输出电压的反馈控制等方面展开。D优化法实验结果购成点参考文献：1周利东,温玉全,汪佩兰,等.Neyer D-最优化法感度试验的计测试次数平均值标准方差99.9%响应点0.1%确应点图11D优化法试验结果Fig.l1 D-optimality method test results表3发火感度试验数据Tab.3Ignition sensitivity test data编电阻刺激量响编电阻刺激量响号/12.8422.7832.8542.8752.8562.8372.8182.7992.83102.86112.86122.85133.09255.65950030:46591867.09929714.2197034应号/7.501145.2506.3815.8115.5304.9606.171206.051215.6715.2905.8415.4105.600算机模拟.含能材料,2 0 0 9,17(2):152-156.2 翟志强,蔡瑞娇,董海平,等.利用升降法试验数据进行感度分布检验方法研究 火工品,2 0 0 6(3):1-4.3GJB/Z 377A-1994 感度试验用数理统计方法S 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