CN114545021A - 高精度瞬态爆速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度瞬态爆速测量装置，该装置采用电探针和通靶方法测量爆速，捕捉前端电探针状态从高电平转变为低电平的瞬态信号，经前端锁存、电平转换和信号比较后产生前端输入下降沿信号的映射，记录映射下降沿信号的时间戳，可计算出多个电探针之间的时间差，进而得出爆速。本发明可抗复杂环境的干扰和捕捉瞬时变化的前端输入信号，最小测量时间精度可达20ns，配置多个独立的前端信号采集通道可实现高精度测量多点区段平均爆速，且整体装置小型化便于携带。
Description
技术领域
本发明属于爆炸场测试技术，具体涉及一种高精度瞬态爆速测量装置。
背景技术
炸药的爆速是表征炸药性能指标的重要参数。现有电探针方法和高速摄像方法测量爆速，但电探针测速方法相比于高速摄像方法具有简单、造价低廉、可靠性高等优点。电探针测速方法有内置式和外置式，通过测量两个或多个电探针之间时间间隔和距离，可以计算出炸药的爆速。然而现有电探针式爆速测量装置存在四个问题：一是有些仪器最小精度只能到0.1us；二是受爆炸场等条件复杂的环境影响较大，容易误触发或记录不到真实可靠的信号；三是前端信号高低电平转换速度慢，影响最终计时结果，造成计时不准，速度差异大；四是此类装置体积大，便携性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高，高低电平转换速度快，不受复杂环境条件影响且体积小便携性好的爆速测量装置。
实现本发明的技术解决方案为：一种高精度瞬态爆速测量装置，包括N个前端信号采集通道、一个状态复位电路、一个数据传输模块和一个后端信号处理模块；N个并联的前端信号采集通道输出端分别与后端信号处理模块输入端连接，后端信号处理模块输出端连接数据传输模块，其中，前端信号采集通道将前端的瞬态下降沿信号先锁存、再电平转换、最终比较后输出到后端信号处理模块，后端信号处理模块检测并记录前端采集通道输出的下降沿信号的时间戳，经数据传输模块传输到上位机；每个前端信号采集通道包括一个前端信号锁存模块、一个前端电平转换模块、一个前端触发状态指示电路和一个前端信号比较模块；前端锁存模块连接前端电平转换模块，前端电平转换模块分别连接前端触发状态指示电路和前端信号比较模块，前端信号比较模块的输出作为前端信号采集通道的输出；前端信号锁存模块只记录该通道的第一个前端下降沿信号并把该信号传输到前端电平转换模块，前端电平转换模块将高低电平的电压值从高转换到低，并把信号同时传输到前端状态指示电路和前端信号比较模块，前端触发状态指示电路表明前端是否有瞬态下降沿信号，前端信号比较模块将前端电平转换模块的输出信号与固定电压值比较产生一个后端信号处理模块可处理的信号；状态复位电路分别与各前端信号采集通道的前端信号锁存模块连接，初始化各前端信号采集通道的前端信号锁存模块输出端的电平状态。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本发明为了防止外界复杂环境和爆炸的干扰而误触发，采用了12V电源给前端锁存模块供电，高电压不易受到干扰。
（2）本发明前端信号锁存模块将电探针状态由高电平转换到低电平的瞬态过程锁存，使前端信号锁存模块输出由高电平转换为低电平并保持低电平不变，避免爆炸产生的复杂电离场及其爆轰产物对输入端信号干扰，解决了电探针导通时间过短无法检测到下降沿信号问题，且不受到多次输入端信号高电平转变为低电平的干扰，即高低电平只转换一次，极大提高了测试的可靠性。
（3）本发明将前端电探针状态由高电平转换到低电平的瞬时变化过程反映到前端信号比较模块输出信号由高电平转变为低电平，且变化的时间小于20ns，高低电平转换速度快，可视为瞬态变化过程。
（4）本发明后端信号处理模块可配置采样时钟频率，采用50MHZ的时钟频率，最小时间精度可达20ns，实现高精度测量。
（5）本发明N个前端信号采集通道独立，输入端信号由高电平转变为低电平反映到前端信号比较模块输出信号由高电平转变为低电平这一时间间隔可以抵消，避免了累计误差。
（6）本发明可任意配置N个通道，且元器件排列紧凑，采用小型化器件封装，做到整体装置体积小便携性好，方便出差测试。
附图说明
图1为本发明高精度瞬态爆速测量装置结构图。
图2为本发明前端信号锁存模块电路图和状态复位电路图。
图3为本发明前端电平转换模块电路图和前端触发状态指示电路图。
图4为本发明前端信号比较模块电路图。
图5为本发明数据传输模块电路图。
图6为本发明前端输出信号高低电平转换示波器波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1，本发明所述的一种高精度瞬态爆速测量装置，包括N个前端信号采集通道、一个状态复位电路、一个数据传输模块和一个后端信号处理模块；N个并联的前端信号采集通道输出端分别与后端信号处理模块输入端连接，后端信号处理模块输出端连接数据传输模块，其中，前端信号采集通道将前端的瞬态下降沿信号先锁存、再电平转换、最终比较后输出到后端信号处理模块，后端信号处理模块检测并记录前端采集通道输出的下降沿信号的时间戳，经数据传输模块传输到上位机；每个前端信号采集通道包括一个前端信号锁存模块、一个前端电平转换模块、一个前端触发状态指示电路和一个前端信号比较模块；前端锁存模块连接前端电平转换模块，前端电平转换模块分别连接前端触发状态指示电路和前端信号比较模块，前端信号比较模块的输出作为前端信号采集通道的输出；前端信号锁存模块只记录该通道的第一个前端下降沿信号并把该信号传输到前端电平转换模块，前端电平转换模块将高低电平的电压值从高转换到低，并把信号同时传输到前端状态指示电路和前端信号比较模块，前端触发状态指示电路表明前端是否有瞬态下降沿信号，前端信号比较模块将前端电平转换模块的输出信号与固定电压值比较产生一个后端信号处理模块可处理的信号；状态复位电路分别与各前端信号采集通道的前端信号锁存模块连接，初始化各前端信号采集通道的前端信号锁存模块输出端的电平状态。
利用N个前端信号采集通道和一个后端信号处理模块记录前端输出信号由高电平转变为低电平的瞬态时间戳，即下降沿时间戳，数据传输模块将时间戳数据发送到上位机。
总体流程为：本发明采用电探针和通靶方法测量爆速，所述高精度瞬态爆速测量装置上电后，按下状态复位电路的第一按键K1，状态复位电路的RESET输出低电平到前端信号锁存模块，使前端信号锁存模块和前端信号比较模块输出复位到高电平，当前端电探针电平状态由高电平转变到低电平的下降沿信号输入到前端信号锁存模块时，前端信号锁存模块将输出端高电平信号瞬时转变为低电平信号并锁住低电平信号，任何外界复杂环境的干扰都不能使其变化；再将下降沿信号输入到前端电平转换模块，输出较低电压值的下降沿信号到前端触发状态指示电路和前端信号比较模块；前端触发状态指示电路通过发光二极管的亮灭判断前端是否有下降沿信号产生；下降沿信号通过前端信号比较模块，输出一个后端信号处理模块可处理的低电压下降沿信号；后端信号处理模块通过信号采样时钟对前端信号比较模块的输出信号采样，记录N个通道的下降沿瞬态时间戳，并存储数据通过数据传输模块上传到上位机；计算N个相邻通道之间的时间戳差值乘上时钟周期即为相邻通道之间的时间间隔，已知电探针之间的距离，可解算出炸药的多点之间的区段平均爆速。
结合图2，前端信号锁存模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1及与非门芯片U1；前端信号锁存模块采用12V单电源供电；第一电阻R1一端连接12V电源，另一端连接信号输入端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接与非门芯片U1的输入端A和第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接12V电源，与非门芯片U1输入端B连接与非门芯片U1输出端M，与非门芯片U1的输出端J分别连接与非门芯片U1的输入端G、输入端C，与非门芯片U1的输入端H连接状态复位电路的RESET，与非门芯片U1的输入端D连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接12V电源，与非门芯片U1的输出端K作为前端信号锁存模块的输出连接到前端电平转换模块。
状态复位电路包括第八电阻R8和第一按键K1；第八电阻R8的一端连接12V电源，第八电阻R8的另一端连接第一按键K1的一端和RESET，第一按键K1的另一端连接GND，RESET连接前端信号锁存模块的与非门芯片U1输入端H。
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第八电阻R8为上拉电阻，上电后先按下第一按键K1使状态复位电路RESET输出低电平初始化前端信号采集通道的电平状态，使前端信号锁存模块的与非门芯片U1输出端J、M和K电平状态分别为低、高和高。前端电探针空闲时信号输入为高电平状态，与非门芯片U1输入端A也为高电平状态；前端电探针导通时信号输入为低电平状态，第二电阻R2、第一电容C1组成电容充电电路，第一电容C1开始充电，此时与非门芯片U1输入端A的电平由于第一电容C1进入充电状态而瞬间被拉到低电平，且随着第一电容C1充电而逐渐升高。根据电容的充电公式，第二电阻R2和第一电容C1的阻抗和容抗大小决定时间常数，为了可靠捕捉到信号输入的低电平信号，时间常数不应过小。与非门芯片U1输入端A电平被瞬间拉到低电平，则与非门芯片U1输出端J、M和K的电平状态发生反转，即高、低和低；此时经前端信号锁存模块输出的电平由高电平瞬间转变为低电平，即输出一个12V到0V的下降沿信号。由于爆炸场环境条件的复杂性，与非门芯片U1输入端A的电平状态可能由低变高或由高再次变低，由于与非门组成的锁存器的特性，经前端信号锁存模块输出的信号都不会因此而变化，彻底地把输出低电平信号锁住，避免外界的干扰，极大提高测量的可靠性。
结合图3，前端电平转换模块包括电平转换芯片U2；前端电平转换模块采用12V和5V双电源供电；前端信号锁存模块的与非门芯片U1输出端K与电平转换芯片U2的输入端A连接，电平转换芯片U2输出端G作为前端电平转换模块的输出分别连接到前端触发状态指示电路和前端信号比较模块。前端触发状态指示电路包括第七电阻R7和第一发光二极管DS1；第七电阻R7的一端连接电平转换芯片U2输出端G和第一发光二极管DS1的一端，第一发光二极管DS1的另一端连接GND。
前端电探针空闲时，前端信号锁存模块输出的12V高电平输入到电平转换芯片U2的输入端A，电平转换芯片U2的输出端G输出5V高电平；前端电探针导通时，前端信号锁存模块输出的12V高电平被瞬间拉低到0V，电平转换芯片U2的输出端G的输出信号也由5V高电平拉低到0V。当前端电探针由空闲转变为导通时，前端电平转换模块将输出一个5V到0V的下降沿信号，此时前端触发状态指示电路的第一发光二极管DS1由亮变灭，代表前端电探针已触发导通，产生了一个瞬态下降沿信号。
结合图4，前端信号比较模块包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4及高速信号比较芯片U3；前端信号比较模块采用3.3V和5V电源供电；第四电阻R4的一端连接电平转换芯片U2的输出端G和第二电容C2的一端，第四电阻R4的另一端连接高速信号比较芯片U3的1IN+端，第二电容C2的另一端连接GND，第五电阻R5的一端连接5V电源，第五电阻R5的另一端连接高速信号比较芯片U3的1IN-端、第三电容C3的一端和第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接GND，第三电容C3的另一端连接GND，第四电容C4的一端连接3.3V电源，第四电容C4的另一端连接GND，高速信号比较芯片U3的V-端和SHDN端分别连接到GND，高速信号比较芯片U3的V+端连接到3.3V电源，高速信号比较芯片U3的输出端OUT作为前端信号比较模块的输出连接到后端信号处理模块。
前端电平转换模块的输出输入到前端信号比较模块的第四电阻R4，即输入到高速信号比较芯片U3的1IN+端。若高速信号比较芯片U3的1IN+端电压大于1IN-端电压则OUT端输出3.3V高电平，反之输出0V低电平。1IN-端的电压取决于第五电阻R5、第六电阻R6的大小，此时1IN-端电压为2V。前端电探针空闲时，前端电平转换模块输出的5V高电平大于1IN-端电压2V，此时OUT端输出3.3V高电平；前端电探针导通时，前端电平转换模块输出的5V高电平瞬间被拉低到0V，此时1IN+端电压小于1IN-端电压，OUT端输出将从3.3V高电平瞬间拉低到0V，产生一个3.3V到0V的下降沿信号。
结合图5，数据传输模块包括USB转串口芯片U4和USB插座；数据传输模块采用3.3V电源供电；USB转串口芯片U4的V3端和VCC端连接3.3V电源，GND端连接GND，USB转串口芯片U4的RXD端、TXD端连接到后端信号处理模块，USB转串口芯片U4的D+端和D-端分别连接到USB插座的D+端和D-端，USB插座的GND端连接GND，其余不连。
前端信号比较模块输出的3.3V到0V的下降沿信号输入到后端信号处理模块。后端信号处理模块内部配置50MHZ的采样时钟频率，并开启内部计数器，同时对前端信号比较模块的输出信号进行采样，当采样点从3.3V高电平变为0V低电平时，记录此时计数器的数值并存储，存储N个通道由3.3V高电平变为0V低电平时的计数器值，并将存储的计数器值通过串口传输到USB转串口芯片U4，再通过USB插座和排线上传到上位机，上位机得到相邻通道之间的时间间隔，已知相邻电探针之间的距离即可计算出多点之间的区段平均爆速。
本实施例中，与非门芯片U1采用CD4011BE芯片，电平转换芯片U2采用CD4010BE芯片，高速信号比较芯片U3采用TLV3501芯片，USB转串口芯片U4采用CH340芯片。
结合图6，当前端电探针由空闲状态瞬时转变为导通状态时，反映到高速信号比较芯片U3的输出电压从3.3V瞬间降低到0V，下降时间小于20ns，可以达到瞬间高低电平转变的精度要求。由于N个前端信号采集通道相互独立且结构器件完全相同，各前端采集通道对前端输入下降沿信号的变换时间相同，前端电探针从高电平转变为低电平这一瞬态变化经前端锁存、电平转换和信号比较后输出的下降沿信号可作为前端输入下降沿信号的映射，多个前端采集通道输出的下降沿信号之间的时间差作为多个前端电探针瞬态变化之间的时间差。
本发明所述的爆速测量装置可定制N个通道，安装N个电探针，得到不同区段的平均爆速。
本发明所述的爆速测量装置元器件紧凑排列，采用小型化封装和内置电池供电，可方便出差测试。
Claims (8)
1.一种高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：包括N个前端信号采集通道、一个状态复位电路、一个数据传输模块和一个后端信号处理模块；N个并联的前端信号采集通道输出端分别与后端信号处理模块输入端连接，后端信号处理模块输出端连接数据传输模块，其中，前端信号采集通道将前端的瞬态下降沿信号先锁存、再电平转换、最终比较后输出到后端信号处理模块，后端信号处理模块检测并记录前端采集通道输出的下降沿信号的时间戳，经数据传输模块传输到上位机；每个前端信号采集通道包括一个前端信号锁存模块、一个前端电平转换模块、一个前端触发状态指示电路和一个前端信号比较模块；前端锁存模块连接前端电平转换模块，前端电平转换模块分别连接前端触发状态指示电路和前端信号比较模块，前端信号比较模块的输出作为前端信号采集通道的输出；前端信号锁存模块只记录该通道的第一个前端下降沿信号并把该信号传输到前端电平转换模块，前端电平转换模块将高低电平的电压值从高转换到低，并把信号同时传输到前端状态指示电路和前端信号比较模块，前端触发状态指示电路表明前端是否有瞬态下降沿信号，前端信号比较模块将前端电平转换模块的输出信号与固定电压值比较产生一个后端信号处理模块可处理的信号；状态复位电路分别与各前端信号采集通道的前端信号锁存模块连接，初始化各前端信号采集通道的前端信号锁存模块输出端的电平状态。
2.根据权利要求1所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：前端信号锁存模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1及与非门芯片U1；前端信号锁存模块采用12V单电源供电；第一电阻R1一端连接12V电源，另一端连接信号输入端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接与非门芯片U1的输入端A和第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接12V电源，与非门芯片U1输入端B连接与非门芯片U1输出端M，与非门芯片U1的输出端J分别连接与非门芯片U1的输入端G、输入端C，与非门芯片U1的输入端H连接状态复位电路的RESET，与非门芯片U1的输入端D连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接12V电源，与非门芯片U1的输出端K作为前端信号锁存模块的输出连接到前端电平转换模块。
3.根据权利要求2所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：状态复位电路包括第八电阻R8和第一按键K1；第八电阻R8的一端连接12V电源，第八电阻R8的另一端连接第一按键K1的一端和RESET，第一按键K1的另一端连接GND，进而实现状态复位电路与各前端信号采集通道的前端信号锁存模块的连接。
4.根据权利要求2所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：前端电平转换模块包括电平转换芯片U2；前端电平转换模块采用12V和5V双电源供电；前端信号锁存模块的与非门芯片U1输出端K与电平转换芯片U2的输入端A连接，电平转换芯片U2输出端G作为前端电平转换模块的输出分别连接到前端触发状态指示电路和前端信号比较模块。
5.根据权利要求4所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：前端触发状态指示电路包括第七电阻R7和第一发光二极管DS1；第七电阻R7的一端连接电平转换芯片U2输出端G和第一发光二极管DS1的一端，第一发光二极管DS1的另一端连接GND。
6.根据权利要求4所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：前端信号比较模块包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4及高速信号比较芯片U3；前端信号比较模块采用3.3V和5V电源供电；第四电阻R4的一端分别连接电平转换芯片U2的输出端G和第二电容C2的一端，第四电阻R4的另一端连接高速信号比较芯片U3的1IN+端，第二电容C2的另一端连接GND，第五电阻R5的一端连接5V电源，第五电阻R5的另一端连接高速信号比较芯片U3的1IN-端、第三电容C3的一端和第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接GND，第三电容C3的另一端连接GND，第四电容C4的一端连接3.3V电源，第四电容C4的另一端连接GND，高速信号比较芯片U3的V-端和SHDN端分别连接到GND，高速信号比较芯片U3的V+端连接到3.3V电源，高速信号比较芯片U3的输出端OUT作为前端信号比较模块的输出连接到后端信号处理模块。
7.根据权利要求6所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：后端信号处理模块包括XILINX的ZYNQ7020芯片；后端信号处理模块连接数据传输模块。
8.根据权利要求7所述的高精度瞬态爆速测量装置，其特征在于：数据传输模块包括USB转串口芯片U4和USB插座；数据传输模块采用3.3V电源供电；USB转串口芯片U4的V3端和VCC端连接3.3V电源，GND端连接GND，USB转串口芯片U4的RXD端、TXD端连接到后端信号处理模块，USB转串口芯片U4的D+端和D-端分别连接到USB插座的D+端和D-端，USB插座的GND端连接GND，其余不连。
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