CN113959579A - 一种炸药内部温度场测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开设计了一种炸药内部温度场测量装置，涉及自动化测试领域。一种炸药内部温度场测量装置，由STM32中控的主机、数个温度采集用的从机和碳纤维棒组成。可完成炸药内部温度的多点测量，灵活定位温度测量点，灵活配置温度测量点数且避免了走线带来的测量干扰，同时，将采集到的温度值发送至上位机，将上位机上的温度值通过烟花算法改进的BP神经网络进行炸药热累积损伤预测。本发明具有测量装置体积小、传感器定位灵活、传感器点数及组数配置灵活、可避免模拟线路测量误差、预测精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于自动化测试领域，涉及一种炸药内部温度场测量装置。
背景技术
在炸药长贮存过程中，药柱内部缓慢的物理和化学变化会产生一定的热量，在密封贮存的条件下，热量由于不能及时释放而产生热累积，当热累积达到一定程度后，炸药的性能指标会发生变化，从而影响炸药自身的寿命周期。为了得到炸药性能指标与温度的关系，从而进一步研究炸药热损伤现象对炸药性能参数的影响。所以，首先需要对药柱内部的温度场的进行监测，并在监测时针对不同大小炸药灵活定位传感器在药柱内部位置与灵活配置测温点数，对温度变化密集的区域分辨率更高；再通过测得的温度场进行进一步热损伤预测。
目前市场上测量炸药内部温度的温度传感器均选择热电偶或者铂电阻，其本身体积较大，需要的信号调理电路也大，传感器的定位件体积也大，三个因素导致测量电路体积过大，影响被测对象自身温度特性；另外传感器的定位件安装需要打孔或者焊接，当有不同位置的测温方案时，无法自定义测温点更改传感器定位位置；而且传感器测量点数配置不灵活，不能根据需要任意拓展单个装置上的传感器数量或拓展传感器的组数；最后由于炸药的测量在密闭环境中，现有测量方案传感器采集到的温度模拟量通过模拟线路连接至后级电路，这部分电路因受测试环境内外温度环境影响，会在信号传输过程中引入误差。在获得数据进行炸药内部热累积损伤预测时，现有BP神经网络模型存在收敛速度慢且易陷入局部最优的问题。
发明内容
本发明是要提供一种炸药内部温度场测量装置，解决了现有技术中存在的测量装置体积大、传感器定位位置不灵活、传感器数量配置不灵活、测量误差受电路拓扑结构影响的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种炸药内部温度场测量装置，由STM32中控的主机、数个温度采集用的从机和碳纤维棒组成；所述主机由STM32主控部分和上位机组成，STM32主控部分由485通信模块、数据存储模块和串口通信模块组成；所述从机设置于密闭的外壳内，由依次连接的传感器、分压电路、模数转换器转换模块、STM8控制模块和485通信模块组成；所述主机与从机之间通过RS485型的总线接口板连接，所述每个从机内的传感器是数个热敏电阻，并列连接于分压电路上，数个传感器对应连接有数个碳纤维棒。
上述的模数转换器采集模块电路采用ADS1115芯片，ADS1115采用IIC通讯协议，SCL与SDA引脚分别接一个10K上拉电阻，模数转换器DR和GND引脚接地，VDD接+3.3V，SCL作为IIC总线的时钟线，SDA作为IIC总线的数据线，AIN引脚的输入为热敏电阻与另一高精度电阻分压之后的电压值的大小，经过模数转换后将数字量通过IIC总线进行传输。
上述串口通信模块选用CH340G，复位输入连接一个反向二极管，连接的电阻为限流电阻，晶振选择12MHz的石英晶体，旁路电容选择22pF的高频瓷片电容。
本发明的有益效果是：
1.该装置中每个温度采集从机PCB尺寸仅为16mm×50mm，温度采集点直径不大于φ2mm，无调理电路，且只需一路3.3V供电，实现了体积的小型化。
2.该装置通过热缩套管更改碳纤维棒和传感器引线长度，自定义碳纤维棒在伸入炸药内部后传感器的位置定位，定位方式简化。
3.该装置的每个温度采集从机通过IIC控制多个模数转换器进行采集，多个温度采集从机通过485总线被主机控制。通过485总线灵活配置多个STM8测温装置组，各个STM8测温装置组通过IIC总线灵活配置多个模数转换器实现每组传感器点数的灵活配置。可灵活更改传感器定位位置、灵活配置传感器点数及组数，使用方便。
4.该装置通过STM8提前在密闭环境内部将模拟量转化为数字量，有效避免了由于模拟电路走线受环境影响带来的测量误差。在上位机中，将烟花算法引入到神经网络模型中，利用烟花爆炸算子同时爆炸扩散的机理，可以对神经网络权重和阈值的寻优过程进行优化，预测精度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种炸药内部温度场测量系统框图；
图2为图1中温度采集从机测量炸药内部温度场示意图；
图3为图1中模数转换器采集模块的电路连接图；
图4为图1中485通信模块的电路连接图；
图5为图1中数据存储模块的电路连接图
图6为图1中串口通信模块的电路连接图
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1和图2，一种炸药内部温度场测量装置，由STM32中控的主机、数个温度采集用的从机和碳纤维棒组成；所述主机由STM32主控部分和上位机组成，STM32主控部分由485通信模块、数据存储模块和串口通信模块组成；所述从机设置于密闭的外壳内，由依次连接的传感器、分压电路、模数转换器转换模块、STM8控制模块和485通信模块组成；所述主机与从机之间通过RS485型的总线接口板连接，所述每个从机内的传感器是数个热敏电阻，并列连接于分压电路上，数个传感器对应连接有数个碳纤维棒。通过设置的多个传感器，每一个从机有多个采集点，实现炸药内部多点的温度监测。
本发明旨在对炸药内部温度进行多点、高精度测量。使用时，首先将多个温度采集从机插入到炸药内部，每个传感器的位置可根据需要调节。将恒定电压经过另一个高精度的电阻分压接到传感器，然后将分压值连接到模数转换器采集模块的输入口，等待STM32主控模块通过485通信模块下发指令，对应的编号的温度采集从机接收到指令后，将模数转换器转换后的一组包含传感器模数转换器值和传感器对应编号送入STM8控制模块，最后由STM32汇总所有温度采集从机的数据进行存储，并发送至上位机进行数据分析与预测，若热累计损伤值大于1，则判定炸药失效。
参见图2，本发明实施例中提供的一种温度采集从机测量炸药内部温度场示意图。在炸药加速老化试验中，炸药处于恒温箱环境下，温度采集从机的碳纤维棒插入到药柱内部，主机与从机之间通过RS485型的总线接口板连接，通过485组网通信将各个系统的数据发送至外部。
参见图3，所述的模数转换器采集模块电路采用ADS1115芯片。ADS1115采用IIC通讯协议，SCL与SDA引脚分别接一个10K上拉电阻，通过上拉电阻保证在空闲时间SCL和SDA为高电平状态，保证了通信的正常进行；模数转换器DR和GND引脚接地，VDD接+3.3V，SCL作为IIC总线的时钟线，SDA作为IIC总线的数据线。AIN引脚的输入为热敏电阻与另一高精度电阻分压之后的电压值的大小，经过模数转换后将数字量通过IIC总线进行传输。
参见图4，所述的485通信模块电路采用MAX3485芯片。电路通过接上、下拉电阻减弱外部电流对芯片的干扰MAX3485的VCC引脚接+3.3V；GND引脚接地；2号引脚和3号引脚控制芯片直接连接一个至STM8的I/O口用于切换芯片的发送接收状态。
参见图5，所述数据存储模块选用SD卡进行数据存储，其具有容量大、速率快的特点。通过SPI方式与主控模块进行通信。管脚1、7、8、9作为SPI通信的数据信号，管脚5作为SPI通信的时钟引脚，其他引脚可以使其处于悬空状态。
参考图6，所述串口通信模块选用CH340G。复位输入连接一个反向二极管，有效防止引脚通过电流倒灌影响其他芯片的正常使用。连接的电阻为限流电阻，防止引脚电流过大导致芯片内部出现异常。晶振选择12MHz的石英晶体，旁路电容选择22pF的高频瓷片电容，使晶振更容易进行起振。4号管脚的电容用于内部电源节点退耦，来改善传输过程中的电磁干扰，电容大小选择0.01uF。
本发明选取炸药内部温度、测量点坐标、持续时间、炸药高度和炸药直径作为上位机的输入指标，选取炸药热损伤预测值作为网络预测模型输出指标。为提高数据之间的可比性，对数据进行归一化处理，设置输入层节点数为4，输出节点数为1，隐含层数为1。在训练过程中，学习速率设备为0.02，动量因子为0.9，最大迭代次数为30000，训练最小误差为0.0001。
所述算法将烟花算法引入到神经网络预测模型中，首先选取实数向量的编码策略对模型中的关键参数进行编码；将神经网络中节点间的权重系数和阈值初始化在区间[-1,1]内，并用烟花算法中烟花个体的位置表示网络节点的权重系数和神经元的阈值，则每个烟花个体表示神经网络模型中的一个神经元；在神经网络中，通过引入平方误差函数，来计算烟花个体的适应度值，然后进行烟花种群寻优；根据计算烟花种群中烟花个体的适应度值和烟花个体间的欧式距离，并判断是否满足最大迭代次数的终止条件，若满足则计算得到由当前烟花种群中具有最小适应度值的烟花个体以及具有最大的距离的烟花个体组成新的烟花种群，并取当前的烟花种群为最优的烟花种群，否则继续执行步骤寻优；最后进行更新网络权重和阈值。
Claims (3)
1.一种炸药内部温度场测量装置，其特征在于：由STM32中控的主机、数个温度采集用的从机和碳纤维棒组成；所述主机由STM32主控部分和上位机组成，STM32主控部分由485通信模块、数据存储模块和串口通信模块组成；所述从机设置于密闭的外壳内，由依次连接的传感器、分压电路、模数转换器转换模块、STM8控制模块和485通信模块组成；所述主机与从机之间通过RS485型的总线接口板连接，所述每个从机内的传感器是数个热敏电阻，并列连接于分压电路上，数个传感器对应连接有数个碳纤维棒。
2.根据权利要求1所述的一种炸药内部温度场测量装置，其特征在于：所述的模数转换器采集模块电路采用ADS1115芯片，ADS1115采用IIC通讯协议，SCL与SDA引脚分别接一个10K上拉电阻，模数转换器DR和GND引脚接地，VDD接+3.3V，SCL作为IIC总线的时钟线，SDA作为IIC总线的数据线，AIN引脚的输入为热敏电阻与另一高精度电阻分压之后的电压值的大小，经过模数转换后将数字量通过IIC总线进行传输。
3.根据权利要求1或2所述的一种炸药内部温度场测量装置，其特征在于：所述的串口通信模块选用CH340G，复位输入连接一个反向二极管，连接的电阻为限流电阻，晶振选择12MHz的石英晶体，旁路电容选择22pF的高频瓷片电容。
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