2024年5月26日发(作者：昂子墨)
第２４卷第９期
２０１１年９月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２０１１
Ｌｏｗ－Ｐｏｗｅｒ Ｂｌａｓｔ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ Ｓｔｒａｉｎ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｓｈａｏｊｉｅ，ＭＡ Ｔｉｅｈｕａ ，ＳＨＥＮ Ｄａｗｅｉ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆｚ ）ｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｉｎ￣ｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ， ａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａ１．ＳＯ ｔｈａｔ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｒｓ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｖｉ－
ｒｏｎｍｅｎｔ，ａ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｓｔｒａｉｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｉｇｈｔ ａｎｇｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｏｓｅｔｔｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｓ
ｏｒ ｓｔｆｒａｉｎ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｂｌａｓｔ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｐｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｇｅｔ ｇｏｏｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃｒｅｄｉｂｌｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；ｓｔｒａｉｎ；ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｏｒａｇｅ；ｂｌａｓｔ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｒｉｇｈｔ ａｎｇｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｏｓｅｔｔｅ；
ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ
ＥＥＡＣＣ：７２１０；７２２０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１６９９．２０１１．０９．０２６
低功耗爆炸冲击波应变测试系统
张少杰，马铁华 ，沈大伟
（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１）
摘 要：为了改进或加固弹性材料的结构，以便给在高温高压高冲击环境下工作的测试仪提供良好的机械结构，设计了基于
直角应变花的低功耗应变存储式测试系统；进行了爆炸冲击波对弹性材料造成的应变的实际测试，对实验数据进行了分析和
处理。得出本次设计的应变测试系统，能够应用于环境条件比较差的爆炸试验中，在可靠可信、微功耗的基础上能得到较好
的实验数据。
关键词：测试计量仪器；应变；动态存储；爆炸冲击波；直角应变花；低功耗
中图分类号：ＴＪ４１４；ＴＭ９３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－１６９９（２０１１）０９－１３５９－０４
炸药发生爆炸时，爆轰产物将猛烈冲击其周围
的介质，并在介质的界面上产生压力突跃，即爆炸冲
击波，这是造成破坏效应的直接原因。爆炸冲击波
体积小、动态响应快、价格低廉、测量精度高的应变
片，并配以高效低功耗的测试电路来进行爆炸冲击
波一应变实验，可以取得理想的实验结果。
的峰值超压、高压持续时间以及冲量是炸药能量特
性的三项重要参数，也是衡量弹药特别是爆破及杀
伤——爆破战斗部损伤效果的关键指标，其准确测
量具有重要的意义。其中，爆炸冲击波对弹性材料
的破坏程度在很大程度上受其峰值压力衰减到大气
压所需的时间的影响，即冲击波作用于目标的冲量，
而巨大的冲量将会使物体内部产生极大的应
力 Ｊ。由于炸药爆炸将造成巨大的破坏力，如果
在爆炸冲击波对弹性敏感元件的应力测试中运用精
１ 系统设计方案
应变测试系统主要由电阻应变式传感器、模拟
部分、采集存储部分、控制模块以及机械壳体结构五
部分组成。系统的工作原理为：当炸药爆炸产生巨
大冲击波时，弹性元件发生变形，其表面产生应变，
而粘贴在其表面的电阻应变片将随之产生应变，因
此应变片的电阻值将会产生相应的变化。通过桥式
测量电路将电阻值的变化转变成电压的变化。然后
经由模拟电路将微弱的电压信号放大滤波，再通过
密的传感器或使用电阻应变仪作为测试系统的话，
成本非常高；同时为了减少对测试环境的影响，利用
收稿日期：２０１１—０３—０４ 修改日期：２０１１—０５—１６
Ａ／Ｄ转换采集电路把模拟电压信号转换为数字信
１３６０
传感技术学报
ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ．ｃｏｒｎ 第２４卷
号，并由存储电路存储。系统设计中，ＣＰＬＤ控制电
路时序、电源管理和工作模式的产生。当数据存满
后由接口电路与计算机连接，通过读数软件将所测
得到的数据保存到计算机并显示相应的应变曲线，
再按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应力
值＿３ Ｊ。为了适应爆炸造成的高压高温高冲击的测
试环境，将设计的电路模块封装在以１８Ｎｉ马氏体时
效钢为弹性材料的机械壳体内，在其上端盖内侧安
电阻，其阻值和Ｒ１相同。当输出端接人高阻抗负
装电阻应变式传感器。应变测试系统的原理框图如
图１所示。
冲击波
Ａ／Ｄ转换ｌ ｌ存储
信号
采集电路Ｈ模块
供电普暑 卜管理ｌ —匦ｌ：：＝＝＝ 接口电路
耐高温高强度壳体结构
图１ 应变测试系统原理框图
２关键技术
２．１传感器的选择
传感器的性能好坏及其使用是否得当直接关系
到测试信号的优劣，它是测试技术的核心Ｅ４］。在本
次爆炸冲击波一应变实验中，由于主应力方向未知，
所以采用日本ＫＹＯＷＡ公司生产的ＫＦＵ系列三轴
直角应变花测量应变。该类型应变片线性度好、分
辨率高、动态响应快，最高工作温度可达３００℃，非
常适合在恶劣条件高温应变的测量。在应力测试过
程中，主应变的大小和方向可以先用三轴直角应变
花的各敏感栅测得各个方向应变，然后按公式算出，
或从应变莫尔圆画图求出。主应力的大小，可以用
各敏感栅测得的应变，及被测构件材料的弹性模量
和泊松比按公式算出。
２．２桥式测量电路设计
应变片可以将应变转换为电阻的变化，由于电
阻的变化在数量值上很小，因此须采用高精度的测
量电路一电桥测量电路，将其转化为电压的变化，这
种测量电路不仅测量的准确度高，而且可进行温度
补偿 Ｊ。在应变测量中绝大多数是使用不平衡电
桥，在不平衡电桥中是依靠电桥的不平衡输出反映
应变的大小和正负。本次实验中电桥测量电路采用
单臂（１／４桥）电压输出型接法，如图２所示。
其中， 为５ Ｖ电源电压， 为电桥输出电压；
Ｒ１为工作应变片电阻，Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４为高精密固定
载时，电桥的输出端可视为开路，电桥的输出电压
为：
Ｕｏ（ 一丽Ｒ２ （１）
当发生爆炸时，由于冲击波的作用弹性材料感
受微应变为 ，应变片Ｒ１变化的电阻增量为ＡＲ，即
Ｒ ＝Ｒ ＋ＡＲ，桥路平衡被破坏，电桥输出不平衡电
压为：
Ｕｏ＝（ Ｒ１ ＋Ａ Ｒ
一丽Ｒ２）・ （２）
设Ｒ１＝ ２＝Ｒ３＝尺４＝尺，
Ｕｏ Ｒ ＋Ａ Ｒ
一
）・
：
＝—｛．４—０ Ｒ ．——‘— 一‘， ／
．
＋
１△Ｒ
＝
＝｝・一０４ Ｒ － ２ ［Ｉ １ｌ一 一１・ Ｒ。 －．４－２（ｌ、 ・— Ｒ ） ｌ一 …］…ｌ ・０ ｌＵ（３’）ｌ
由于 ：Ｋ． ，其中 为应变片灵敏度系数， 为微
应变。代人式（３）得：
Ｕｏ＝÷ ［－一 如＋（丢如） 一（ Ｉ ＋．．・］・Ｕ
（４）
上式表明电桥输出 只与Ｋ、ｓ和 有关而与
尺的大小无关并且 与 呈线性关系，由于式中
存在高次项， 与如呈非线性关系。对于一般应
变片，其灵敏度系数Ｋ＝２，当微应变 很小时，可略
去高次项，近似作线性化处理，得：
Ｕｏ＝ ＪＬ如 （５）
２．３电源管理模块
由于测试系统需要在恶劣的条件下工作，所需能
量是靠高温电池来供应，电量有限。为使系统能够正
常工作，低功耗的要求就必须考虑 ］，因此本次设计
采用了先进的多路电源供电管理模块，选用Ｎａｔｉｏｎａｌ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司生产的ＬＰ５９９６作为电源管理芯
片。ＬＰ５９９６是一个双线性调节器，驱动能力很大，分
别能驱动１５０ ｍＡ和３００ ｍＡ。它具有３５ ＬＬＡ的超低
第９期 张少杰，马铁华等：低功耗爆炸冲击波应变测试系统 １３６１
静态电流；当它的两个使能端都禁止的情况下，其消
耗的电流仅为０．５ ｎＡ，便于实现系统低功耗。多路电
源管理模块分别为：ＶＣＣ、ＶＤＤ、ＶＥＥ。电路中，控制
模块ＣＰＬＤ内是始终都需要供电的，电池产生３．６ Ｖ
同时放人模拟膛压发生器中，测量系统在１００ ｇ当
量的炸药引起的爆炸冲击波对１８Ｎｉ马氏体时效钢
造成的应变效果 。图５为１００ ｇ炸药当量下应变
测试系统中直角应变花某一敏感栅所采集的应变数
据的典型曲线。
４００
提供给ＶＣＣ，直接用来给ＣＰＬＤ供电。存储模块部
分、ＡＤ转换部分由ＶＤＤ供电，运算放大器、晶振由
ＶＥＥ控制，通过ＣＰＬＤ内部逻辑程序控制管理这几路
电源的通断，当该路器件需要工作时给其供电；不工
２００
作时，将其电源关断，由此大大降低了电池的耗费，实
现了测试系统的低功耗。
电源管理模块在系统状态转换中的应用如图３
所示。
复位
图３ 系统状态转换图
２．４实验测试环境
在本次爆炸冲击波一应变测试实验中，利用动
态测试系统 模拟炸药爆炸时产生的高压高温环
境，测试１８ Ｎｉ马氏体时效钢所受到的应力。动态
测试系统主要由模拟膛压发生器、应变测试仪和数
据处理系统等组成，如图４所示。
图４动态测试系统原理图
实验前将应变测试系统放人模拟膛压发生器内
腔，实验时将模拟膛压发生器中的发射药点燃，产生
的瞬时爆炸冲击波同时作用在应变测试系统和应变
测试仪上，当数据采集存储完后，由计算机读出数据
并进行数据处理，得到所需要的应力值 Ｊ。
３实验数据分析
在本次爆炸冲击波实验中，为了得到完整可靠
的爆炸冲击波一应变曲线图，将３个应变测试系统
０
＿２００
题一４００
６００
图６直角厘变花各方向微厘变
利用平面应力状态分析¨ ，可得任意与ｘ轴成
０角的方向上的微应变：
Ｏ
￣
ｘ
＋Ｏ￣ｙ
＋—Ｏ￣
－
￣
ｘ
Ｏ
ｙｃ。ｓ２０一—０ Ｙ ｘｙ ｉ ２０
：
— 一＋—— —一。。 一—
—
ｓｉｎ２０ （６）Ｌｏ Ｊ
取０分别为０。，４５。，９０。，得：
Ｓ ＝ ０。
＝ ９ｏ。 （７）
ｙ ＝（占ｏ。＋ ９０。）一２ ４５。
在某应变测试系统中，用直角应变花测得三个
线应变为：
ｏ。＝一２９０ｘ１０一 ， ４５。＝一３５０ｘ１０一 ， ９ｏ。＝８３０ｘ１０一
根据材料力学的应变莫尔圆，可得出主应变大
小及其方向角的表达式为：
：＝
÷（ ±√（学） ＋（ ）
：了
１（Ｅ
０ｏ＋０％ｏ￣）±扣． ：
＝
（２７０＋８３５．４６４）×１０ （８）
１＝１１０５．４６４ｘ１０一
６＂２＝一５６５．４６４ｘ１０一
2024年5月26日发(作者：昂子墨)
第２４卷第９期
２０１１年９月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２０１１
Ｌｏｗ－Ｐｏｗｅｒ Ｂｌａｓｔ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ Ｓｔｒａｉｎ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｓｈａｏｊｉｅ，ＭＡ Ｔｉｅｈｕａ ，ＳＨＥＮ Ｄａｗｅｉ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆｚ ）ｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｉｎ￣ｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ， ａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａ１．ＳＯ ｔｈａｔ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｒｓ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｖｉ－
ｒｏｎｍｅｎｔ，ａ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｓｔｒａｉｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｉｇｈｔ ａｎｇｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｏｓｅｔｔｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｓ
ｏｒ ｓｔｆｒａｉｎ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｂｌａｓｔ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｐｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｇｅｔ ｇｏｏｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃｒｅｄｉｂｌｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；ｓｔｒａｉｎ；ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｏｒａｇｅ；ｂｌａｓｔ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｒｉｇｈｔ ａｎｇｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｏｓｅｔｔｅ；
ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ
ＥＥＡＣＣ：７２１０；７２２０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１６９９．２０１１．０９．０２６
低功耗爆炸冲击波应变测试系统
张少杰，马铁华 ，沈大伟
（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１）
摘 要：为了改进或加固弹性材料的结构，以便给在高温高压高冲击环境下工作的测试仪提供良好的机械结构，设计了基于
直角应变花的低功耗应变存储式测试系统；进行了爆炸冲击波对弹性材料造成的应变的实际测试，对实验数据进行了分析和
处理。得出本次设计的应变测试系统，能够应用于环境条件比较差的爆炸试验中，在可靠可信、微功耗的基础上能得到较好
的实验数据。
关键词：测试计量仪器；应变；动态存储；爆炸冲击波；直角应变花；低功耗
中图分类号：ＴＪ４１４；ＴＭ９３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－１６９９（２０１１）０９－１３５９－０４
炸药发生爆炸时，爆轰产物将猛烈冲击其周围
的介质，并在介质的界面上产生压力突跃，即爆炸冲
击波，这是造成破坏效应的直接原因。爆炸冲击波
体积小、动态响应快、价格低廉、测量精度高的应变
片，并配以高效低功耗的测试电路来进行爆炸冲击
波一应变实验，可以取得理想的实验结果。
的峰值超压、高压持续时间以及冲量是炸药能量特
性的三项重要参数，也是衡量弹药特别是爆破及杀
伤——爆破战斗部损伤效果的关键指标，其准确测
量具有重要的意义。其中，爆炸冲击波对弹性材料
的破坏程度在很大程度上受其峰值压力衰减到大气
压所需的时间的影响，即冲击波作用于目标的冲量，
而巨大的冲量将会使物体内部产生极大的应
力 Ｊ。由于炸药爆炸将造成巨大的破坏力，如果
在爆炸冲击波对弹性敏感元件的应力测试中运用精
１ 系统设计方案
应变测试系统主要由电阻应变式传感器、模拟
部分、采集存储部分、控制模块以及机械壳体结构五
部分组成。系统的工作原理为：当炸药爆炸产生巨
大冲击波时，弹性元件发生变形，其表面产生应变，
而粘贴在其表面的电阻应变片将随之产生应变，因
此应变片的电阻值将会产生相应的变化。通过桥式
测量电路将电阻值的变化转变成电压的变化。然后
经由模拟电路将微弱的电压信号放大滤波，再通过
密的传感器或使用电阻应变仪作为测试系统的话，
成本非常高；同时为了减少对测试环境的影响，利用
收稿日期：２０１１—０３—０４ 修改日期：２０１１—０５—１６
Ａ／Ｄ转换采集电路把模拟电压信号转换为数字信
１３６０
传感技术学报
ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ．ｃｏｒｎ 第２４卷
号，并由存储电路存储。系统设计中，ＣＰＬＤ控制电
路时序、电源管理和工作模式的产生。当数据存满
后由接口电路与计算机连接，通过读数软件将所测
得到的数据保存到计算机并显示相应的应变曲线，
再按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应力
值＿３ Ｊ。为了适应爆炸造成的高压高温高冲击的测
试环境，将设计的电路模块封装在以１８Ｎｉ马氏体时
效钢为弹性材料的机械壳体内，在其上端盖内侧安
电阻，其阻值和Ｒ１相同。当输出端接人高阻抗负
装电阻应变式传感器。应变测试系统的原理框图如
图１所示。
冲击波
Ａ／Ｄ转换ｌ ｌ存储
信号
采集电路Ｈ模块
供电普暑 卜管理ｌ —匦ｌ：：＝＝＝ 接口电路
耐高温高强度壳体结构
图１ 应变测试系统原理框图
２关键技术
２．１传感器的选择
传感器的性能好坏及其使用是否得当直接关系
到测试信号的优劣，它是测试技术的核心Ｅ４］。在本
次爆炸冲击波一应变实验中，由于主应力方向未知，
所以采用日本ＫＹＯＷＡ公司生产的ＫＦＵ系列三轴
直角应变花测量应变。该类型应变片线性度好、分
辨率高、动态响应快，最高工作温度可达３００℃，非
常适合在恶劣条件高温应变的测量。在应力测试过
程中，主应变的大小和方向可以先用三轴直角应变
花的各敏感栅测得各个方向应变，然后按公式算出，
或从应变莫尔圆画图求出。主应力的大小，可以用
各敏感栅测得的应变，及被测构件材料的弹性模量
和泊松比按公式算出。
２．２桥式测量电路设计
应变片可以将应变转换为电阻的变化，由于电
阻的变化在数量值上很小，因此须采用高精度的测
量电路一电桥测量电路，将其转化为电压的变化，这
种测量电路不仅测量的准确度高，而且可进行温度
补偿 Ｊ。在应变测量中绝大多数是使用不平衡电
桥，在不平衡电桥中是依靠电桥的不平衡输出反映
应变的大小和正负。本次实验中电桥测量电路采用
单臂（１／４桥）电压输出型接法，如图２所示。
其中， 为５ Ｖ电源电压， 为电桥输出电压；
Ｒ１为工作应变片电阻，Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４为高精密固定
载时，电桥的输出端可视为开路，电桥的输出电压
为：
Ｕｏ（ 一丽Ｒ２ （１）
当发生爆炸时，由于冲击波的作用弹性材料感
受微应变为 ，应变片Ｒ１变化的电阻增量为ＡＲ，即
Ｒ ＝Ｒ ＋ＡＲ，桥路平衡被破坏，电桥输出不平衡电
压为：
Ｕｏ＝（ Ｒ１ ＋Ａ Ｒ
一丽Ｒ２）・ （２）
设Ｒ１＝ ２＝Ｒ３＝尺４＝尺，
Ｕｏ Ｒ ＋Ａ Ｒ
一
）・
：
＝—｛．４—０ Ｒ ．——‘— 一‘， ／
．
＋
１△Ｒ
＝
＝｝・一０４ Ｒ － ２ ［Ｉ １ｌ一 一１・ Ｒ。 －．４－２（ｌ、 ・— Ｒ ） ｌ一 …］…ｌ ・０ ｌＵ（３’）ｌ
由于 ：Ｋ． ，其中 为应变片灵敏度系数， 为微
应变。代人式（３）得：
Ｕｏ＝÷ ［－一 如＋（丢如） 一（ Ｉ ＋．．・］・Ｕ
（４）
上式表明电桥输出 只与Ｋ、ｓ和 有关而与
尺的大小无关并且 与 呈线性关系，由于式中
存在高次项， 与如呈非线性关系。对于一般应
变片，其灵敏度系数Ｋ＝２，当微应变 很小时，可略
去高次项，近似作线性化处理，得：
Ｕｏ＝ ＪＬ如 （５）
２．３电源管理模块
由于测试系统需要在恶劣的条件下工作，所需能
量是靠高温电池来供应，电量有限。为使系统能够正
常工作，低功耗的要求就必须考虑 ］，因此本次设计
采用了先进的多路电源供电管理模块，选用Ｎａｔｉｏｎａｌ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司生产的ＬＰ５９９６作为电源管理芯
片。ＬＰ５９９６是一个双线性调节器，驱动能力很大，分
别能驱动１５０ ｍＡ和３００ ｍＡ。它具有３５ ＬＬＡ的超低
第９期 张少杰，马铁华等：低功耗爆炸冲击波应变测试系统 １３６１
静态电流；当它的两个使能端都禁止的情况下，其消
耗的电流仅为０．５ ｎＡ，便于实现系统低功耗。多路电
源管理模块分别为：ＶＣＣ、ＶＤＤ、ＶＥＥ。电路中，控制
模块ＣＰＬＤ内是始终都需要供电的，电池产生３．６ Ｖ
同时放人模拟膛压发生器中，测量系统在１００ ｇ当
量的炸药引起的爆炸冲击波对１８Ｎｉ马氏体时效钢
造成的应变效果 。图５为１００ ｇ炸药当量下应变
测试系统中直角应变花某一敏感栅所采集的应变数
据的典型曲线。
４００
提供给ＶＣＣ，直接用来给ＣＰＬＤ供电。存储模块部
分、ＡＤ转换部分由ＶＤＤ供电，运算放大器、晶振由
ＶＥＥ控制，通过ＣＰＬＤ内部逻辑程序控制管理这几路
电源的通断，当该路器件需要工作时给其供电；不工
２００
作时，将其电源关断，由此大大降低了电池的耗费，实
现了测试系统的低功耗。
电源管理模块在系统状态转换中的应用如图３
所示。
复位
图３ 系统状态转换图
２．４实验测试环境
在本次爆炸冲击波一应变测试实验中，利用动
态测试系统 模拟炸药爆炸时产生的高压高温环
境，测试１８ Ｎｉ马氏体时效钢所受到的应力。动态
测试系统主要由模拟膛压发生器、应变测试仪和数
据处理系统等组成，如图４所示。
图４动态测试系统原理图
实验前将应变测试系统放人模拟膛压发生器内
腔，实验时将模拟膛压发生器中的发射药点燃，产生
的瞬时爆炸冲击波同时作用在应变测试系统和应变
测试仪上，当数据采集存储完后，由计算机读出数据
并进行数据处理，得到所需要的应力值 Ｊ。
３实验数据分析
在本次爆炸冲击波实验中，为了得到完整可靠
的爆炸冲击波一应变曲线图，将３个应变测试系统
０
＿２００
题一４００
６００
图６直角厘变花各方向微厘变
利用平面应力状态分析¨ ，可得任意与ｘ轴成
０角的方向上的微应变：
Ｏ
￣
ｘ
＋Ｏ￣ｙ
＋—Ｏ￣
－
￣
ｘ
Ｏ
ｙｃ。ｓ２０一—０ Ｙ ｘｙ ｉ ２０
：
— 一＋—— —一。。 一—
—
ｓｉｎ２０ （６）Ｌｏ Ｊ
取０分别为０。，４５。，９０。，得：
Ｓ ＝ ０。
＝ ９ｏ。 （７）
ｙ ＝（占ｏ。＋ ９０。）一２ ４５。
在某应变测试系统中，用直角应变花测得三个
线应变为：
ｏ。＝一２９０ｘ１０一 ， ４５。＝一３５０ｘ１０一 ， ９ｏ。＝８３０ｘ１０一
根据材料力学的应变莫尔圆，可得出主应变大
小及其方向角的表达式为：
：＝
÷（ ±√（学） ＋（ ）
：了
１（Ｅ
０ｏ＋０％ｏ￣）±扣． ：
＝
（２７０＋８３５．４６４）×１０ （８）
１＝１１０５．４６４ｘ１０一
６＂２＝一５６５．４６４ｘ１０一