CN110618393A - 一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，包括电源发生及监测电路、微控制器相关电路、一级解保相关电路、二级解保相关电路、点火控制相关电路、高压检测电路、火工品通路检测电路、按键与显示电路。本发明利用高压点火电源与固体火箭发动机的电气接口，通过一根电缆使专用测试仪与高压点火电源相连，使用专用测试仪对高压点火电源进行测试，整个测试过程远离高压电源，通过几个按键即可完成对高压点火电源的测试，整个测试过程简单高效。

Description

一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机测试技术领域，具体为一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪。

背景技术

当前的固体火箭发动机通常使用电发火管点火，在一定的电流下即可完成点火，点火电流较小，安全性和可靠性较差；为了使电发火管点火更加安全可靠，通常在点火通道上安装机电式安全机构来实现物理阻断或者连通点火通道，但机电式安全机构体积和重量都较大，安装在小型或者结构紧凑的固体火箭发动机上存在一定困难。

爆炸箔冲击片式电雷管作为新一代安全点火起爆器，具有较高的安全性和可靠性，其起爆电压在千伏以上，起爆电流也达到百安培级别，自然条件下无法起爆，可应用于战术、战略武器和宇航领域的固体火箭发动机的点火。而要实现可靠点火起爆，爆炸箔冲击片式电雷管需要配置专用的高压点火电源使用。

高压点火电源作为固体火箭发动机点火子系统的关键部件，在电路板级调试和总装完成后，只能通过电气接口进行各项功能和性能测试。若使用调试线配合通用供电电源和测试仪器，测试工作复杂繁琐，也容易发生误操作。再者，高压点火电源在生产完成后，还需要进行出厂测试、环境试验和发动机总装前部件级测试，也需要专用测试设备进行测试。因此，研制满足测试需求的高压点火电源的单元测控设备，既可提高测试安全性，防止不当操作损坏高压点火电源产品，又可提高测试效率，满足多种场合的测试需求。

发明内容

要解决的技术问题

爆炸箔冲击片式电雷管应用到固体火箭发动机上的研制刚刚起步，高压点火电源也处于设计开发阶段，在各个试验过程中对高压点火电源的测试还没有专用的测试仪，这些测试工作都是使用通用仪器，仪器和高压点火电源之间的测试导线凌乱不堪，极易造成短路损坏电源和仪器，也有可能导致高压触电的危险，整个测试过程相对复杂繁琐，有时需要多人配合进行，整体工作效率低下。

技术方案

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，利用高压点火电源与固体火箭发动机的电气接口，通过一根电缆使专用测试仪与高压点火电源相连，使用专用测试仪对高压点火电源进行测试，整个测试过程远离高压电源，通过几个按键即可完成对高压点火电源的测试，整个测试过程简单高效。

所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：包括电源发生及监测电路、微控制器相关电路、一级解保相关电路、二级解保相关电路、点火控制相关电路、高压检测电路、火工品通路检测电路、按键与显示电路；

所述电源发生及监测电路包括电源电压发生电路和点火电源供电电压监测电路；

所述电源电压发生电路内部通过反激式变换器，利用外部供电电源产生两个电压源，分别用于固体火箭发动机高压点火电源供电和测试仪本身使用；所述电源电压发生电路还利用外部供电电源产生用于测试仪检测或控制的电压信号；

所述点火电源供电电压监测电路对利用外部供电电源产生的用于固体火箭发动机高压点火电源供电的电压源进行分压、隔离放大后，输入微控制器进行AD转换，在微控制器内计算得到电压监测结果，并送显示器显示；

所述微控制器相关电路包括微控制器、复位电路和有源晶体振荡器；复位电路给微控制器提供复位信号，有源晶体振荡器为微控制器提供时钟信号；

所述一级解保相关电路包括一级解保控制电路、一级解保电流检测电路、主控芯片状态检测电路；

所述一级解保控制电路以及一级解保电流检测电路同时对固体火箭发动机中A、B两个通道的高压点火电源进行一级解保控制和一级解保电流检测；

当操作人员通过专用测试仪输入一级解保指令后，一级解保指令经过微控制器后，控制一级解保控制电路内的电子开关Q2导通，点火电源供电电压通过Q2和电流采样电阻R19输出电压信号为一级解保电路供电；

Q2导通后，A、B两个通道点火电源的主控芯片开始工作，工作电流流过采样电阻R19，R19电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到一级解保电路的工作电流；

当A、B两个通道点火电源的主控芯片开始工作后，A、B两个通道的主控芯片产生的电压信号通过限流电阻后输入主控芯片状态检测电路的光电耦合器，光电耦合器内部的三极管集电极输出电平信号至微控制器，微控制器通过检测输入的电平信号判断A、B两通道电源的主控芯片的状态；

所述二级解保相关电路包括二级解保控制电路、二级解保电流检测电路；

所述二级解保控制电路以及二级解保电流检测电路同时对固体火箭发动机中A、B两个通道的高压点火电源进行二级解保控制和二级解保电流检测；

当操作人员通过专用测试仪输入二级解保指令后，二级解保指令经过微控制器后，控制二级解保控制电路内的电子开关Q3导通；点火电源供电电压经钥匙开关S1后连接到Q3的漏极，当钥匙开关S1闭合后，点火电源供电电压通过Q3和电流采样电阻R20输出电压信号为二级解保电路供电；

Q3导通后，工作电流流过采样电阻R20，R20电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到二级解保电路的工作电流；

所述点火控制相关电路包括模拟点火控制电路、点火检测电路；

当钥匙开关S1处于闭合状态后，若操作人员通过专用测试仪输入点火指令，则模拟点火控制电路触发A、B两个通道点火电源的点火电路进行点火；

当输入点火指令后，电流流过点火检测电路内部取样电阻R21，R21电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到点火电流；

所述火工品通路检测电路包括A、B两个通道的火工品通路检测；在钥匙开关S1处于断开状态时，通过S1的常闭触点将火工品连接到检测电路进行测试；当钥匙开关S1闭合后，火工品与检测电路断开；

当S1处于断开状态时，两个通道的火工品的内阻分别与检测电路内的电阻构成分压电路，火工品的内阻所分的电压经放大后输入微控制器进行AD转换后送显示器显示；

所述高压检测电路包括A、B两个通道的高压检测；在钥匙开关S1闭合后，点火电源供电电压控制高压检测电路中两个通道的继电器闭合，点火电源供电电压输入到高压检测电路内，经过隔离放大后输入微控制器进行AD转换计算后送显示器显示；

所述按键与显示电路包括接插件J7和接插件J8，其中微控制器通过接插件J7与按键连接，通过接插件J8与具有USART接口的液晶模组显示器连接。

有益效果

使用本发明提出的点火电源专用测试仪对点火电源进行控制或测试，在整个测试过程中，线缆连接简单，人体远离高压电路，避免了触电或操作不当损坏电源；无需多人对多个仪器进行操作，通过单人即可完成所有测试工作，测试效率较高。

本高压电源测试仪可应用于战术、战略武器和卫星、飞船等的固体火箭发动机所使用的高压点火电源的生产、测试、试验和总装环节的单元测试，也可应用于民用安全起爆领域的高压点火电源的生产、测试等过程。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1高压点火电源测试仪框图；

图2电源电压发生电路；

图3点火电源供电电压监测电路；

图4微控制器相关电路；

图5一级解保控制及电流检测图；

图6主控芯片状态反馈检测电路；

图7二级解保控制及电流检测电路；

图8模拟点火控制及点火电流检测；

图9火工品通路检测电路；

图10高压检测电路。

具体实施方式

为了点火的可靠，通常在固体火箭发动机上安装两个起爆器，相应地也需要两个高压点火电源(以下表示为A、B两个通道的电源)，且这两个电源安装在同一个金属盒内。在对这两个电源进行测试或者进行模拟点火时，需要使用专门的测试仪对这两个高压点火电源进行控制和检测。

使用电池为测试仪供电，通过反激式变换器产生点火电源所需要的28V电压源，以及信号处理所需要的+15V电压，测试所需要的负电压使用ICL7662将现有的正电压转换成负电压。电池地与反激变换器产生的各个电源的地分开。

一级解除保险(以下简称一级解保)控制主要完成对A、B两个通道的电源主控芯片提供28V电源。当按下测试仪“解保1”按键后，测试仪提供的28V电源连接到A、B两个通道的主控芯片上，此时主控芯片工作，并各自反馈一个5V电压信号，通过检测这两个5V信号，判断这两通道的主控芯片工作是否正常。同时通过电流检测电路来测试一级解保控制的电流。

二级解除保险(以下简称二级解保)控制主要控制A、B两个通道电源产生点火所需要的高电压。为安全和防止误触发等不必要的事情发生，在二级解保控制和模拟点火控制之前串联一个钥匙开关，只有在钥匙开关闭合的情况下才能完成二级解保控制和点火，否则，二级解保控制和点火无效。在钥匙开关闭合且二级解保控制完成后，A、B两个通道电源即产生各自点火所需要的高电压，并且各自反馈电平信号，通过检测这两个反馈的电平信号，判断二级解保控制是否正常。此时可通过电流检测电路来测试二级解保控制的电流。

所有控制都是A、B两个通道同时进行，比如一级解保控制、二级解保控制、模拟点火控制；所有针对A、B两个通道电源的测试，都分开测试；比如：主控芯片状态检测电路、二级解保状态检测电路、高压检测电路、火工品通路检测等，这些检测对A、B两个通道来说是分开测试。

高压点火电源专用测试仪原理框图如图1所示，根据功能将测试仪电路分成八个模块，分别是：电源发生及监测电路、微控制器相关电路、一级解保相关电路、二级解保相关电路、点火控制相关电路、高压检测电路、火工品通路检测电路、按键与显示电路。

下面分别描述各个电路模块：

1)电源发生及监测电路

电源发生及监测电路包括如图2所示的电源电压发生电路和如图3所示的点火电源供电电压监测电路。

如图2所示，测试仪使用12V电池组供电，或者通过充电接口使用外部12V电源，测试仪所需要的所有电源都由+12V电源产生：

芯片U1(UC2845)、MOSFET管Q1、高频变压器T2、以及芯片U2和光电耦合器U3构成反激式变换器，产生两个电压源，即+15V电压源和28V电压源；其中28V电压源用于点火电源供电，+15V电压源为测试仪所用；+15V电压源还通过芯片U13产生一个-15V电压源。

外部引入的+12V电源通过U4产生+5V电压，通过U14产生-12V电压，用于测试仪的测试或控制。

28V电压源为A、B两个点火电源的一级解保、二级解保、点火控制提供电源，为保证28V电源的稳定可靠，需对其进行实时监测，图3是点火电源的供电电压监测电路。28V电源由电阻R22、R23进行分压，经过隔离放大器U19后，连接到微控制器的P1.4进行AD转换，微控制器最后将电压的计算结果送显示器显示。

2)微控制器相关电路

微控制器相关电路如图4所示，微控制器作为测试仪测试和控制的核心器件，其型号为STC12C5A60S2，将其P1口设置为AD转换的输入口，用作电压、电流的检测；P2口主要用作点火电源的状态检测和输出控制信号。

U7作为复位电路给微控制器提供复位信号，Y1是有源晶体振荡器，它为微控制器提供时钟信号。

3)一级解保相关电路

一级解保相关电路包括：一级解保控制电路、一级解保电流检测电路、主控芯片状态检测电路。

一级解保控制及一级解保电流检测电路如图5所示，它同时对A、B两个通道的电源进行一级解保控制和一级解保电流检测。

微控制器的信号P24产生低电平，经光电耦合器U8A后输出高电平，这个高电平通过自举电路U9控制电子开关Q2导通，28V电源通过Q2和电流采样电阻R19为一级解保电路供电，此时，信号VCC_JIEB1的电压为28V；反之，微控制器的信号P24产生高电平，Q2关断，信号VCC_JIEB1的电压为0。

当Q2导通时，A、B两个通道电源的主控芯片开始工作，工作电流流过采样电阻R19，此时R19电阻两端产生电压降，这个电压降通过高端电流放大器U11放大后，再通过隔离放大器U15隔离输出，最终连接到微控制器的P1.6管脚，进行AD转换，从而计算出一级解保电路的工作电流。

主控芯片状态检测电路如图6所示，当测试仪完成一级解保后，A、B两个通道的点火电源的主控芯片开始工作；A、B两个通道的主控芯片均产生一个5V的电压信号IC_okA+和IC_okB+。主控芯片产生的5V电压通过限流电阻使光电耦合器U20(U23)内部的发光二极管发光，此时光电耦合器U20(U23)内部的三极管集电极输出低电平。微控制器通过检测P2.2和P2.3管脚的电平来判断A、B两通道电源的主控芯片的状态。

4)二级解保相关电路

二级解保相关电路包括：二级解保控制电路、二级解保电流检测电路。

二级解保控制及电流检测电路如图7所示，它同时对A、B两个通道电源进行二级解保并检测二级解保电流。

二级解保控制信号P25由微控制器的P2.5管脚产生，控制信号P25经过U8B进行光电隔离后，通过U10控制电子开关Q3导通，Q3导通后电流流过采样电阻R20，在R20的两端产生电压降，经U12放大再经U16隔离后连接到微控制器的P1.7管脚进行AD转换。

为了防止二级解保控制和点火的误触发，将28V电压源经钥匙开关S1后连接到Q3的漏极，只有在钥匙开关S1处于闭合状态时，二级解保控制或者点火才有效，否则不能进行二级解保或点火。

5)点火控制相关电路

点火控制相关电路包括：模拟点火控制电路、点火检测电路。

模拟点火控制及点火检测电路如图8所示，它同时对A、B两个通道电源进行模拟点火控制和点火电流检测。当钥匙开关S1处于闭合状态后，信号VCC_28V通过S1连接到28V电源，此时按下点火按键S2，触发A、B两个通道电源的点火电路进行点火。

按下点火按键S2后，电流流过取样电阻R21产生电压降，经高端电流放大器U18放大后，再经过隔离放大器输出到微控制器的P1.5脚，进行AD转换，最后经微控制器计算后送显示电路显示出来。

6)火工品通路检测电路

火工品通路检测电路如图9所示，该电路包括A、B两个通道的火工品通路检测。在钥匙开关S1处于断开状态时，28V与VCC_28V处于断开状态，二级解保控制和点火都无效；此时，通过S1的常闭触点将火工品连接到检测电路进行测试；当钥匙开关S1闭合后，火工品与检测电路断开，此时，不能对火工品进行测试。

在S1处于断开状态时，通道A的火工品的内阻与R27构成分压电路，火工品的内阻所分的电压经U22A放大，然后连接到微控制器的P1.0脚进行AD转换，微控制器将AD转换的结果换算后送显示器显示；而通道B的火工品的内阻与R28构成分压电路，其所分电压经U22B放大后，连接到微控制器的P1.1脚进行AD转换，其余处理过程与A通道类似。

7)高压检测电路

在钥匙开关S1闭合，且二级解保控制工作后，点火电源内就产生了用于点火的高电压，电源内部将这个高电压处理成可检测的低电压信号，此时可对这个低电压信号进行检测。高压检测电路如图10所示，在钥匙开关S1闭合后，信号VCC_28V连接到28V电源上，VCC_28V控制继电器K1(A通道)和K2(B通道)的闭合，点火电源内输出的高压信号连接到检测电路，经隔离放大器U21(U24)隔离后连接到微控制器的P1.2(P1.3)脚，经AD转换计算后送显示器显示。

8)按键与显示电路

按键和显示电路也在图4所示，显示电路微控制器P3口的P3.0和P3.1为USART通讯接口，它们通过接插件J8与具有USART接口的液晶模组显示器连接，用来显示测试数据。

P3口的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口线通过接插件J7与按键连接，分别作为一级解保、二级解保、模拟点火和火工品检测按键，当按下这些按键时，测试仪完成相应的工作。

上面给出了测试仪的组成和电路结构，测试仪作为高压点火电源专用仪器，必须连接到特定的点火电源，且按特定的操作流程对点火电源进行测试。为了简化操作，测试仪只设计了四个按键：一级解保、二级解保、点火、火工品检测，测试仪在完成控制操作后，自动完成测试工作。以下是对测试仪操作的说明：

一级解保：按下该按键后，测试仪对A、B两个通道的主控芯片供电，然后自动检测主控芯片的状态，并将主控芯片的状态显示出来。

二级解保：当一级解保正常完成且测试仪钥匙开关S1处于闭合状态时，按“二级解保”按键才有效。当二级解保有效后，A、B两个通道的高压点火电源产生用于点火的高压，测试仪自动对高压进行监测，并将换算出电压值显示出来。

点火：当二级解保后效后，按下该键，此时，测试仪控制A、B两个通道的高压点火电源的电子开关闭合，火工品被连接到用于点火的高电压上，完成点火。

火工品检测：当钥匙开关S1处于闭合状态时，火工品与测试电路处于断开状态，不能完成火工品检测。而当S1处于断开状态时，二级解保和点火都无效。此时按下此键可对火工品进行检测，并将检测的结果显示出来。所以在进行测试操作时，火工品检测必须在二级解保之前完成。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：包括电源发生及监测电路、微控制器相关电路、一级解保相关电路、二级解保相关电路、点火控制相关电路、高压检测电路、火工品通路检测电路、按键与显示电路；

所述电源发生及监测电路包括电源电压发生电路和点火电源供电电压监测电路；

所述电源电压发生电路内部通过反激式变换器，利用外部供电电源产生两个电压源，分别用于固体火箭发动机高压点火电源供电和测试仪本身使用；所述电源电压发生电路还利用外部供电电源产生用于测试仪检测或控制的电压信号；

所述点火电源供电电压监测电路对利用外部供电电源产生的用于固体火箭发动机高压点火电源供电的电压源进行分压、隔离放大后，输入微控制器进行AD转换，在微控制器内计算得到电压监测结果，并送显示器显示；

所述微控制器相关电路包括微控制器、复位电路和有源晶体振荡器；复位电路给微控制器提供复位信号，有源晶体振荡器为微控制器提供时钟信号；

所述一级解保相关电路包括一级解保控制电路、一级解保电流检测电路、主控芯片状态检测电路；

所述一级解保控制电路以及一级解保电流检测电路同时对固体火箭发动机中A、B两个通道的高压点火电源进行一级解保控制和一级解保电流检测；

当操作人员通过专用测试仪输入一级解保指令后，一级解保指令经过微控制器后，控制一级解保控制电路内的电子开关Q2导通，点火电源供电电压通过Q2和电流采样电阻R19输出电压信号为一级解保电路供电；

Q2导通后，A、B两个通道点火电源的主控芯片开始工作，工作电流流过采样电阻R19，R19电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到一级解保电路的工作电流；

当A、B两个通道点火电源的主控芯片开始工作后，A、B两个通道的主控芯片产生的电压信号通过限流电阻后输入主控芯片状态检测电路的光电耦合器，光电耦合器内部的三极管集电极输出电平信号至微控制器，微控制器通过检测输入的电平信号判断A、B两通道电源的主控芯片的状态；

所述二级解保相关电路包括二级解保控制电路、二级解保电流检测电路；

所述二级解保控制电路以及二级解保电流检测电路同时对固体火箭发动机中A、B两个通道的高压点火电源进行二级解保控制和二级解保电流检测；

当操作人员通过专用测试仪输入二级解保指令后，二级解保指令经过微控制器后，控制二级解保控制电路内的电子开关Q3导通；点火电源供电电压经钥匙开关S1后连接到Q3的漏极，当钥匙开关S1闭合后，点火电源供电电压通过Q3和电流采样电阻R20输出电压信号为二级解保电路供电；

Q3导通后，工作电流流过采样电阻R20，R20电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到二级解保电路的工作电流；

所述点火控制相关电路包括模拟点火控制电路、点火检测电路；

当钥匙开关S1处于闭合状态后，若操作人员通过专用测试仪输入点火指令，则模拟点火控制电路触发A、B两个通道点火电源的点火电路进行点火；

当输入点火指令后，电流流过点火检测电路内部取样电阻R21，R21电阻两端产生电压降，电压降经过放大、隔离输出至微控制器，进行AD转换后，在微控制器内计算得到点火电流；

所述火工品通路检测电路包括A、B两个通道的火工品通路检测；在钥匙开关S1处于断开状态时，通过S1的常闭触点将火工品连接到检测电路进行测试；当钥匙开关S1闭合后，火工品与检测电路断开；

当S1处于断开状态时，两个通道的火工品的内阻分别与检测电路内的电阻构成分压电路，火工品的内阻所分的电压经放大后输入微控制器进行AD转换后送显示器显示；

所述高压检测电路包括A、B两个通道的高压检测；在钥匙开关S1闭合后，点火电源供电电压控制高压检测电路中两个通道的继电器闭合，点火电源供电电压输入到高压检测电路内，经过隔离放大后输入微控制器进行AD转换计算后送显示器显示；

所述按键与显示电路包括接插件J7和接插件J8，其中微控制器通过接插件J7与按键连接，通过接插件J8与具有USART接口的液晶模组显示器连接。

2.根据权利要求1所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：所述电源电压发生电路内部通过反激式变换器，利用外部+12V电源产生+15V电压源和28V电压源；其中28V电压源用于点火电源供电，+15V电压源为测试仪本身所用；外部引入的+12V电源还在电源电压发生电路中产生+5V电压用于测试仪检测或控制。

3.根据权利要求1所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：所述微控制器采用STC12C5A60S2芯片，其中P1口设置为AD转换的输入口，用作电压、电流的检测；P2口用作点火电源的状态检测和输出控制信号。

4.根据权利要求1所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：一级解保控制电路中，一级解保指令经过微控制器后产生低电平，经光电耦合器后输出高电平，通过自举电路控制电子开关Q2导通，点火电源供电电压通过Q2和电流采样电阻R19输出电压信号为一级解保电路供电。

5.根据权利要求1所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：按键分为一级解保、二级解保、模拟点火和火工品检测四个按键。

6.根据权利要求5所述一种固体火箭发动机高压点火电源专用测试仪，其特征在于：四个按键的操作顺序是：一级解保、火工品检测、二级解保、模拟点火。