基于光透射法云雾浓度测试系统研究

刘 敏，王泽民

(西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

爆炸场云雾的形成是以炸药爆炸的方式来使液体燃料分散成雾状,随着雾状云团不断的增长,雾状云团的形状、体积以及浓度都在不断变化,当雾状云团浓度増长到最佳引爆状态时,进行二次引爆。云爆剂二次起爆的关键是云团浓度是否到达爆轰浓度范围,二次引爆使得含有燃料和氧气的云团发生爆炸,引爆时刻很大程度上影响云雾爆轰产生的威力[1-4]。因此,云雾浓度动态测试技术研究可为二次引爆延迟时间的确定提供有力依据。目前,国内外对云雾浓度的测量已展开了基于激光、微波、红外、遥感摄影、图像分析、脉冲超声阵列等相关研究,文献[5]针对FAE初速下动态抛撒建立了爆炸驱动FAE抛撒的燃料浓度分布模型;文献[6]实现了对高速云雾的抛撒和爆轰过程的数值模拟,得出高速云雾爆轰过程分为:云雾爆轰、云雾边缘爆燃以及云雾外场超压衰减三阶段;文献[7]通过布置高速摄像机进行了燃料扩散浓度的估算;文献[8]和文献[9]基于超声衰减理论建立燃料浓度超声阵列式测试系统;文献[10]建立了引信与燃料云团动态交会的浓度识别模型与试验方法;文献[11]基于光学厚度代理模型处理雾浓度估计及图像去雾方法;文献[12]基于数字图像灰度处理方进行云雾浓度分布特性的研究;文献[13]建立了用于固液混合燃料分散的数值计算模型,给出了实验室环境下燃料浓度与湍流强度的关系;文献[14]在实验室环境下利用光全散射法建立气-液两相云雾粒径及浓度测量系统;文献[15]在实验室内开展动态高速液体云雾抛撒模拟研究,开发出了高速云雾抛撒实验装置。

因燃料抛撒后形成云雾的过程是一个非线性、非定常瞬态的复杂物理变化过程,目前还没有成熟的技术能够精确、实时测量云雾浓度数值,需进一步探索云雾浓度分布规律。

文中采用光透射原理,结合同步触发控制器及嵌入式存储器构建了云雾浓度动态测试系统,研究云雾透过率和云雾浓度的关系,建立云雾浓度测量模型,为云雾浓度分布特性的研究提供一种有效的测量方法。

1 光透射法云雾浓度测量原理

光波通过云雾区域后会产生散射和透射等消光现象,能量会被衰减,透射光的强度与云雾浓度之间存在负相关关系。因此,采用单色性好、指向性强的650 nm激光器作为光源,设计入射及透射光学系统,利用云雾颗粒的消光特性检测云雾浓度,测量原理如图1所示。

图1 光透射法云雾浓度测量原理Fig.1 Principle of cloud concentration measurement based on light transmission method

根据朗伯-比耳光吸收定理,在被测云雾作用范围下,一束平行单色光穿过被测云雾产生吸收和散射作用,导致出射光强会有一定程度的衰减。在光源的波长、光程以及云雾颗粒粒径等条件一定的情况下,出射光衰减系数与云雾颗粒浓度存在一定数量关系,通过测量出射光能量大小即可实现云雾颗粒浓度的测量。假设云雾颗粒粒径单一时,入射光强度I0与透射光强度It之间存在如下关系:

(1)

式中:T为消光系数;L为待测云雾区域厚度;Nv为云雾颗粒的粒子数浓度。

对式(1)进行变换得:

(2)

对式(2)进行推导变换后得云雾粒子数浓度:

(3)

根据吸光度的叠加特性,对于多种燃料构成的复合云雾颗粒,由于各种燃料对某一波长的单色光均有吸收、散射作用,并且这些燃料之间相互不会进行化学作用。单色光通过这种复合云雾颗粒时,云雾的总吸光度应等于各种燃料的吸光度之和。假设云雾颗粒为近似球形,直径为d,密度为ρ,则可求得云雾的质量浓度:

(4)

式中:V是单个云雾颗粒的体积。

根据以上云雾质量浓度测量理论可知,测量光程L的确定直接影响测试系统质量浓度的测量范围、探测灵敏度等性能参数。若测量光程过大,当云雾颗粒浓度较大,入射光可能会被完全吸收和散射,无法检测到消光信号的变化;若测量光程过小,当云雾颗粒浓度较小时,因吸收和散射作用较弱,出射光强度几乎无变化,则探测器不能准确响应浓度的变化。

基于以上分析,测试系统采用多通道测试方案,拓宽测量范围、提高测试系统的灵敏度。对测量光程与云雾颗粒浓度的函数关系进行仿真计算,依据文献[3]、文献[5-6]中云爆战斗部爆轰后云雾扩散情况确定本系统的仿真参数,其中装药密度ρ=2.8 g/cm3,折射率n=1.48+i3.9,波长λ=650 nm,则消光系数T=2。因试验中云爆战斗部装药主要成分为环氧丙烷和铝粉等多组分混合燃料,在进行理论仿真分析时,两种物质均简化为离散颗粒,采用离散相模型对颗粒的运动进行分析,离散相模型对颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未考虑,仿真分析结果较为理想。为了更准确的测量云雾浓度变化趋势,取云雾颗粒中铝粉的中位粒径d=20 μm,及环氧丙烷的中位粒径d=300 μm分别进行分析,仿真计算结果如图2、图3所示。

图2 d=20 μm时,不同的光程下随着浓度的增加透过率的变化Fig.2 Variation of transmittance with increasing concentration at different light ranges for d=20 μm

图3 d=300 μm时,不同的光程下随着浓度的增加透过率的变化Fig.3 Variation of transmittance with increasing concentration at different light ranges for d=300 μm

云爆燃料组成成分为多相物质的混合,结合不同云雾颗粒粒径,从仿真结果可知,当云雾质量浓度小于150 g/m3时,测量光程可设置为0.5～1 m;当云雾质量浓度在150～350 g/m3时,测量光程可设置为0.15～0.5 m;当云雾质量浓度大于350 g/m3时,测量光程可设置为0.1～0.15 m。在以上测量区间,透射光强均有明显的变化,光透过率可达到0.2以上,探测器能够准确响应。

2 测试系统硬件设计

为了准确测试云爆武器在抛撒装药作用下形成燃料空气炸药云雾浓度的测量,云雾浓度动态测试系统采用光透射原理,结合同步触发控制器及嵌入式实时采集存储系统,测试云雾爆轰场内部指定测试点在起爆后300 ms内的云雾浓度动态变化过程,测试系统组成如图4所示。

图4 云雾浓度动态测试系统组成Fig.4 Components of a dynamic cloud concentration test system

在云雾爆轰试验中,当二次起爆所形成的云雾团瞬间扩散到云雾浓度测试系统检测点时,激光器发出的激光光束经光学系统后穿过云雾区域入射到光电探测及信号调理单元,当同步触发控制器检测到起爆信号后,嵌入式触发采集与存储单元将触发时刻后的300 ms数据进行存储,然后通过采集到的数据在远程测控终端进行浓度换算处理并输出云雾浓度动态曲线,获取起爆后关键时刻的云雾浓度分布情况。

云雾浓度动态测试系统中的云雾浓度检测传感器由激光光源、光学系统、光电探测及调理电路、A/D转换电路、嵌入式触发采集与存储等模块构成。测试系统硬件设计如图5所示。

图5 云雾浓度检测传感器硬件设计Fig.5 Hardware design of the cloud concentration detection sensor

2.1 光电探测电路设计

云雾浓度动态测试的光电探测器为PIN光电二极管,对不同云雾浓度引起变化的光信号进行光电转换。光电探测器采用零偏置方式接入电路,可得到更好的数据线性度,良好反应输出电压与光照度的关系。

光电探测器的响应为电流值,在激光器的作用下,满照度响应为60 μA,电流响应很小,光电探测电路采用T型反向运算放大电路、二级可调放大及电压跟随器实现微小电流的精密放大设计。为了减小在放大过程中的误差,提升放大质量,选用LT1360高精度低噪声的运算放大器进行设计,LT1360可以实现对微小电流的放大。放大电路采用可调放大方式,实现不同测量量程下输出电压与云雾浓度数值的对应。光电探测电路设计如图6所示。

图6 光电探测电路设计Fig.6 Design of photoelectric detection circuit

2.2 信号处理电路设计

光电探测预处理电路输出的云雾浓度变化电压是0～5 V模拟信号,在不同浓度时,光电探测器的响应随之发生变化,根据输出的电压信号计算检测时间段内相应的浓度值,对其进行A/D转换,实现将电压值量化,再通过主控芯片MCU将测量数据分为两路,分别用于本地嵌入式采集存储和远程传输,信号处理电路框图如图7所示。

图7 信号处理电路设计Fig.7 Design of signal processing circuit

MCU处理器通过读写A/D转换器的通信寄存器与其进行通信和配置,设置数据更新速率为100 Hz,正常工作模式,增益为1,进行一次自校准。同时通过UART2接口将获取的云雾浓度数据进行远程传输。

2.3 嵌入式采集与存储电路设计

采集存储电路采用Altera公司Cyclone IV系列EP4CE10E22I7 FPGA作为嵌入式采集存储模块的控制器,在Quartus II的编译环境下,编译SRAM数据读写逻辑,在内嵌逻辑分析仪SignalTap II下进行逻辑验证;采用高速异步存储器IS61LV51216作为数据的存储模块,最终实现云雾浓度的动态实时存储。

信号处理电路将本地采集到的两路数据通过UART1通讯接口发送给FPGA控制器,FPGA控制器再控制SRAM存储器,进行实时存储,确保数据掉电不丢失;最后利用串口通信对数据进行远程传输。嵌入式采集存储电路框图如图8所示。

图8 嵌入式采集存储电路设计Fig.8 Design of embedded acquisition and storage circuit

3 测试系统下位机软件设计

云雾浓度动态测试系统下位机处理软件设计是基于FPGA的多通道数据采集存储模块,在同步触发控制器的作用下,对多通道云雾浓度数据进行触发控制采集,同时完成远程测控终端对测试系统电源监控与数据传输。测试系统下位机处理软件设计流程如图9所示。

图9 测试系统处理软件设计Fig.9 Design of test system processing software

云雾浓度测试系统通过远程测控终端与测试传感器远程通讯进行电源控制及起爆后300 ms内云雾扩散状态进行实时采集与存储,通讯协议如表1所示。

表1 测试系统通讯协议Table 1 Communication protocols for the test system

系统中远程测控终端同时对多台云雾浓度测试传感器进行控制,测试传感器的地址可通过0xFF命令进行修改。通讯协议中具体指令如表2所示。

表2 通讯协议指令含义Table 2 Command meanings in communication protocols

4 测试系统试验验证

云雾浓度测试试验在野外靶场进行,根据现场测试需求,对测试系统进行抗冲击处理,将测试系统布置在距爆心的指定位置,对不同方向上云雾的扩散进行检测。某次云雾浓度动态测试系统试验布置如图10所示。

图10 某次云雾浓度动态测试系统试验Fig.10 Trials of a cloud concentration dynamic test system

经过多次靶场测试,本系统能够准确采集到云雾浓度的变化曲线,并通过数据解算出指定空间上云雾浓度分布曲线特性。

5 结论

在爆炸抛撒形成云雾之前,燃料的运动形式主要以射流为主,以一定速度扩散在空气中进行扩散运动形成燃料空气炸药云雾;根据测试系统检测到云雾浓度的起始时刻,可进一步推算出起爆后射流的运动速度;在同步触发控制器的作用下,云雾浓度测试系统可准确检测指定点的浓度变化,并给出浓度变化曲线,为今后云雾浓度分布数学模型的研究提供一种有效的测量方法。