基于PVDF的嵌入式水下爆炸冲击波测试系统研究

发布时间：2020-07-05 21:53

【摘要】：目前,水下爆炸冲击波测量均为通用测试方案,压力传感器通过屏蔽线接入多通道通用放大器,放大器再与采集卡连接将模拟信号转化为数字信号,最后将数字信号传入PC进行存储和数据处理。专门针对水下爆炸信号特性,研究专用的小型化、智能化嵌入式水下爆炸冲击波测试系统并不多见。在国防领域,尤其水中兵器与工事的研究,都需要测量冲击波压力信号的时程曲线。然而在水下进行测量时,设备的准备与安装难度要大于地面,这给水中兵器以及舰船防护等方面的研究带来极大的不便。因此,研究小型化专用化嵌入式水下爆炸冲击波测试系统非常必要。本文提出了一种基于PVDF的嵌入式水下爆炸冲击波测试系统,搭建了整套软硬件平台,为水中兵器的威力测试提供了技术支持。首先,通过对爆炸冲击波在水中作用机理和传播过程进行分析,分别给出了冲击波阶段和一次气泡脉动阶段压力的数学模型,分析表明,冲击波信号和一次脉动信号压力变化特性有很大不同,前者频率高变化快,后者频率低变化缓慢,因此需采用不同的采样速度,以满足嵌入式系统很小的存储资源和低功耗的要求。将离散化的压力信号作为研究对象,通过内插增加采样率,抽取降低采样率。对冲击波阶段的采样使用L-上采样,一次气泡脉动阶段使用M-下采样,通过转换函数H(n)实现嵌入式水下冲击波测试系统变采样策略。其次,对PVDF压电薄膜材料物理、机械、电学特性进行了分析,建立了 PVDF电路等效模型,确定采用电流模式获取压电信号。设计差分接口电路,采用AD8253使得放大电路模块体积最小的情况下实现放大倍数可编程,直接驱动后级AD8275,将放大电路模块输出信号转换到0至3.3V,并输入到AD7612模数转换器中,128Mbit的flash存储器,满足系统连续测量的要求,通过对整体结构设计完成并实现了基于PVDF的水下爆炸冲击波测试系统的硬件。通过对测试系统电路进行标定,得到电路系统灵敏度Kp=0.254mv/bit。通过数学分析,建立了系统采集的压力信号与冲击波压力的转换关系。最后,采用有限状态机方法设计了冲击波测试系统控制状态,并分析了三次样条插值法在冲击波局部超压信号重构方面的应用。应用Python语言实现上位机软件。设计等效水靶舱加载装置进行试验和仿真,分析了仿真与试验的误差原因。KD2004传感器测试系统与PVDF嵌入式测试系统结果较为接近,波形一致性较好,表明本文基于PVDF的嵌入式水下爆炸冲击波测试系统所有工作可行,实现了从无到有的过程。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ6
【图文】：

水下爆炸气泡,水下爆炸,峰值压力,理论曲线

统分析间，Ｐｍ为峰值压力。逡逑药而言，峰值压力＾与装药量ｍｅ和爆距ｒ有关【５９］：逡逑？／３Ｖ１３逡逑Ｐｍ邋＝邋５３．３１—＾－１邋ＭＰａ／ｍｉ／３＼－°－２３逡逑０邋＝邋９６．５邋ｘ邋ｌ0－３ｍｙ３１邋—ｍｓ是ｋｇ，ｒ的单位是ｍ。逡逑Ｔ炸药在水下自由场中爆炸，距爆心ｌｍ处的压力时

采样策略,信号,采样率,重构方法

＇３逡逑图２．７采样策略ＭＡＴＬＡＢ仿真逡逑通过对图２．７分析可知，通过该采样策略得到的信号与原始输入信号基本一致，对逡逑２５０ＫＨｚ和２０ＫＨｚ的采样率策略能满足高频信号和低频信号的还原，虽然曲线光滑度有逡逑所下降，但系统能保证采样率大于信号频率的两倍以上，通过信号重构方法，是可以将逡逑采样信号恢复到原始信号接近水平。逡逑１５逡逑

压电薄膜,综合设计,脆弱性,相关资料

监控着直流过程所产生的执行结果的变化。逡逑此外ＰＶＤＦ压电薄膜的很多特性都是随着激励频率和温度改变而变化的，这种特性逡逑随频率或温度的变化是可逆的和可重复的。从图３．２（ａ）中可以知道在７０°Ｃ退火后，长时逡逑间曝露在升高的温度下时，ＰＶＤＦ的压电应变常数ｒｆ３３永久性衰变。当达到稳定温度之后，逡逑材料特性就随时间保持恒定，可将压电薄膜退火至特定的工作温度，以实现高温应用时逡逑的长期稳定性。图３．２（ｂ）给出了邋ＰＶＤＦ可逆温度对ｄ３３和仍３系数的影响。在图３．２（ｃ）和图逡逑３．２（ｄ）中，给出了压电薄膜的温度对其介电常数和耗散因数（ｔａｎ５ｅ）的影响。在逡逑非常低的温度下，压电薄膜已表现出极佳的传感器特性。逡逑＾少：逦逦逦逦逦？丨：逦３０逡逑？逦Ｐ邋ｄ３３逡逑８０逦，逦—－－…逦９３３；逡逑ｎ邋６０逦邋邋２０逡逑Ｓ逦一邋７０．ｃ逦只逡逑５？邋４０逦：邋‘８0ｒ邋．逦＾逡逑＿ｉｏｏｒ＾逦１0逡逑２０逡逑00邋２０００逦４０００邋６０００邋８０００邋１００００逦－８０逦－６０逦－４０逦－

【参考文献】