1.本发明涉及水下爆炸测量，具体涉及一种水下爆炸冲击波测试装置和一种水下爆炸冲击波测试方法。
背景技术：2.水中兵器爆炸威力主要体现在爆炸冲击波和气泡脉动的大小，舰船在水下爆炸作用下的结构损坏和冲击响应也由爆炸冲击波造成。水下爆炸冲击波压力测试不仅对装药设计和战斗部威力的提高有着重要意义，同时对舰船被动冲击损伤评估判定以及水下爆破工程和破坏效应等基础性问题的研究都是重要依据。
3.现有的技术中对于水下爆炸冲击波的测试可分为引线电测法、无线传输测试法和实时存储法。引线电测法是由线缆连接测点传感器与远端采集系统，优点是实时监控测点传感器工作状态，缺点是现场布设复杂且信号干扰大。无线传输测试法多采用水面浮标与水下吊舱通过线缆相连接的方式，将无线通讯模块放置在水面浮标实现与远端控制系统的通讯与数据传输，优点是现场布设简单能够实时监控测试单元工作状态，缺点是受限制于通讯速度造成采集速度较慢、传输不稳定。且上述两种方法在实际操作中，都存在线缆断裂而丢失数据的风险。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提出一种水下爆炸冲击波的测试装置，以保证对水下冲击波测试的有效性、精细性和真实性。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种水下爆炸冲击波测试装置，包括密封外壳以及密封在外壳内的两路压力传感器、集成在一张电路板上的两路信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块以及电源模块，其中：
6.两路压力传感器实现对水下爆炸冲击波的感知并转换成电信号输入至信号调理电路；两路信号调理电路实现对传感器输出信号的调整并转换为差分信号；数据采集存储模块对经过调理的冲击波信号采样转换为数字信号并实时存储；通讯模块实现测试装置与上位机的通讯和数据传输，由上位机对水下爆炸冲击波数据进行滤波、提取和分析处理；电源模块为测试装置运行供电。
7.进一步的，密封外壳结构包括传感器底座a、m2螺丝、前端盖、圆筒外壳、电池槽、后端盖、传感器底座b，其中：
8.传感器底座a包括前部底座、后部底座两部分，前部底座设置圆孔，内径为12mm且内壁设螺纹，用于安装一路压力传感器，后部底座用于与圆筒外壳的连接，两部分底座之间通过四颗m2螺丝连接固定；
9.传感器底座b设置圆孔，内径为10mm，深度为30mm，用于安装另一路传感器，传感器底座b与圆筒外壳通过两个m2螺丝连接固定；
10.圆筒外壳分别在前后开有两处直径7mm的通孔用于穿过传感器连接线；
11.电池槽开口朝向圆筒后端，用于安装装置电池，与圆筒外壳之间通过3颗m2螺丝连接；
12.前端盖和后端盖与圆筒外壳之间通过螺纹连接。
13.进一步的，压力传感器使用6213b型压力传感器和138a51型压力传感器，其中6213b型压力传感器的测量范围为0-8000bar，灵敏度为-1.2pc/bar，安装在传感器底座a内；138a51型压力传感器为icp型爆炸压力传感器内置电荷放大器，测量范围为0-3450bar，灵敏度为1.5mv/bar，安装在传感器底座b内。
14.进一步的，圆筒外壳材料为35crmnsia，外壳厚度设为5mm。
15.进一步的，不同的传感器对应的信号调理电路不同，6213b型压力传感器的信号调理电路包括电荷放大器和差分电路，138a51型压力传感器的信号调理电路包括衰减电路和差分电路，其中电荷放大器实现6213b压力传感器输出的电荷信号与电压信号的转换，衰减电路实现降低138a51压力传感器输出的电压信号的幅值，差分电路将单信号转换为差分信号输入至adc芯片。
16.进一步的，采集存储模块包含两路高速采集电路，采集部分使用采样位数为16位，转换速度10mhz的snr型adc芯片，存储部分使用两片高速缓存芯片sram实现乒乓缓存，四片非易失性存储芯片nand-flash芯片组成两级16位流水线存储器完成对采集数据的实时存储，两片sram和四片nand-flash芯片都挂载在stm32的fsmc接口，通过片选端口和分时复用的方式实现对存储芯片的选择和数据的实时存储。
17.进一步的，所述电源模块包括7.4v锂电池、分压电路、升压电路和充电电路，分压电路与7.4v锂电池连接，通过对电源电压进行分压处理，实现对两路信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块的供电，升压电路与分压电路的一路输出连接，实现对138a51压力传感器的供电，充电电路与7.4v锂电池连接，实现对7.4v锂电池的充电。
18.进一步的，通讯电路包括百兆以太网和串口通讯两部分，百兆以太网的接口型号为rj45，串口通讯的接口型号为micro-usb，两者都用于水下爆炸冲击波测试装置与上位机的数据传输。
19.进一步的，装配方式如下：电池槽通过3颗m2螺丝安装在圆筒外壳内部；电路板在装置外部与电池的连接线通过卡座连接，电路板与6213b压力传感器和138a51压力传感器的两根kiag 10-32同轴电缆连接；连接完成后，将电路板横向插入圆筒外壳4内部的插槽，将电池安装在电池槽；传感器底座a的后部底座通过m2螺丝安装在圆筒前端通孔处，将位于电路板上方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳前端通孔和传感器底座a的后部底座与6213b压力传感器连接，6213b压力传感器与传感器底座a的前部底座通过螺纹连接，将安装了6213b压力传感器的前部底座与后部底座通过四颗m2螺丝连接；传感器底座b通过m2螺丝安装在圆筒外壳后端通孔处，将位于电路板下方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳后端通孔和传感器底座b与138a51压力传感器连接，将连接好的138a51插入传感器底座b内并在连接处填充非导电液体硅油，使用防水胶带缠绕连接处；安装前端盖，前端盖与圆筒外壳通过螺纹连接；完成上述安装步骤后，将装置结构前端盖朝下直立放置，向圆筒内部灌封环氧树脂至电路板上端位置；安装后端盖，后端盖与圆筒外壳通过螺纹连接。至此，完成整个装置的装配。
20.进一步的，上位机首先使用滤波算法对采集到的水下爆炸冲击波中的噪声进行剔
除，再通过多项式拟合方法对冲击波的峰值进行提取，利用小包分解算法对冲击波进行能量特征提取，完成对冲击波数据的提取和爆炸威力的计算，最后由多个测点的数据得出水下爆炸场的压力变化情况。
21.本发明与现有技术相比，其显著优点为，1)设计了适用于水下的高强度密封防水防护筒，在前后两侧安装两个不同量程的压力传感器，实现一个装置两点测试；2)采用10mhz高速采集电路，模数转换更加精细并使用非易失性存储器将数据保存在装置内部，有效防止装置在水下受到侵害而造成的数据丢失。
附图说明
22.图1为本发明测试装置结构刨面及安装示意图。
23.图2为本发明测试装置侧视图。
24.图3为本发明测试装置电路结构框图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
26.如图1所示，一种水下爆炸冲击波测试装置，测试装置包括高强度抗冲击密封外壳，外壳包括传感器底座a1、m2螺丝2、前端盖3、圆筒外壳4、电池槽5、后端盖6、传感器底座b7、两个压力传感器、两路信号调理电路、数据采集存储模块，通讯模块，电源模块、上位机和一种数据处理方法。传感器底座a1、m2螺丝2、前端盖3、圆筒外壳4、电池槽5、后端盖6和传感器底座b7为机械装置，需要使用车床加工成型。压力传感器、双通道信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块和电源模块为电子器件，需要器件选型和电路设计。上位机和一种数据处理方法为软件部分，需要编写程序。下面详细描述各模块的功能。
27.所述的高强度抗冲击密封外壳使用密度较大的高强度材料低合金超高强度钢35crmnsia，这种材料具有很高的强度和韧性，屈服强度大于等于1275mpa拉伸强度大于等于1620mpa。为承受在水下爆炸中产生的超高压，外壳设计为圆筒状，外壳厚度设为5mm。
28.装置装配方式如下，电池槽5通过3颗m2螺丝安装在圆筒外壳4内部；电路板在装置外部与电池通过卡座连接，电路板与6213b压力传感器和138a51压力传感器的两根kiag 10-32同轴电缆连接；将电路板横向插入圆筒外壳4内部的插槽，将电池安装在电池槽5；传感器底座a1的后部底座通过m2螺丝安装在圆筒前端通孔处，将位于电路板上方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳4前端通孔和传感器底座a1的后部底座与6213b压力传感器连接，6213b压力传感器与传感器底座a1的前部底座通过螺纹连接，将安装了6213b压力传感器的前部底座与后部底座通过四颗m2螺丝连接；传感器底座b2通过m2螺丝安装在圆筒外壳4后端通孔处，将位于电路板下方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳4后端通孔和传感器底座b7与138a51压力传感器连接，将连接好的138a51插入传感器底座b7内并在连接处填充非导电液体硅油，使用防水胶带缠绕连接处；安装前端盖2，前端盖2与圆筒外壳4通过螺纹连接；将装置前端盖朝下直立放置，向圆筒内部灌封环氧树脂；安装后端盖6，后端盖6与圆筒外壳4通过螺纹连接。至此，完成整个装置的装配。
29.所述的压力传感器为6213b型压电式压力传感器和138a51压力传感器，6213b传感
器的测量范围为0-8000bar，灵敏度为-1.2pc/bar，稳定性高，无热释电漂移，具有出色的线性度。138a51型压力传感器为icp型爆炸压力传感器内置电荷放大器，测量范围为0-3450bar,灵敏度为1.5mv/bar。
30.所述的两路信号调理电路实现对两路传感器的输出信号分别进行处理并输入至adc端口，其中包括对信号的放大以及输出差分信号。6213b型压力传感器为电荷输出，满量程电荷输出为-8000pc。因此需要电荷放大器将电荷量转换为电压值，使用高输入阻抗、低输入偏置电流的运算放大器构成电荷放大器，放大倍数设置为-2.5倍。138a51型压力传感器内置电荷放大器，测量范围为0-3450bar,灵敏度为1.5mv/bar，电压输出为0-5v。需要设计电压衰减电路将电压调整至0-2.5v，衰减倍数设为0.5倍。设计差分电路将信号转化为峰峰值为2.5v的差分信号以输入至adc芯片。
31.所述的数据采集存储电路用于对信号调理电路输出的冲击波信号的模数转换以及同步存储。采集电路使用两片转换速度10msps，转换位数16位,并口输出的adc芯片ltc2202构成两路高速采集电路，adc芯片的输入时钟由主控cpu提供，ltc2202的输出信号首先进入锁存器再同步输入至主控cpu的i/o口。两路高速采集电路的数据转换速度远高于任何一种非易失性存储芯片的写入速度，因此使用两片静态随机存储器(sram)采用乒乓缓存的方式对数据缓存，使用四片非易失性存储芯片nand-flash构成16位两级流水线存储器完成对数据的保存。两片sram和四片nand-flash芯片都挂载在stm32的fsmc接口，通过片选端口和分时复用的方式实现对存储芯片的选择和数据的实时存储。
32.所述的电源模块包括锂电池、分压电路和充电电路。装置放置于水下独立工作因此需要搭载电池供电，由两节3.7v聚合物锂电池串联实现对电路板的7.4v供电。分压电路通过对7.4v电源电压进行分压处理，实现对两路信号调理电路、数据采集存储模块和通讯模块的供电，其中信号调理电路需要
±
5v电压和3.3v电压的工作电压，数据采集存储模块和通讯模块的工作电压为3.3v。升压电路用于对分压电路输出的+5v电压做升压处理以实现对恒流源需要的28v供电电压，恒流源输出4ma电流向138a51传感器供电。充电电路用于对锂电池的充电管理，充电电压由usb接口提供。
33.所述的通讯电路包括百兆以太网和串口通讯两种传输方式。百兆以太网的接口型号为rj45，串口通讯的接口型号为micro-usb。都可用于测试装置与上位机的数据传输。
34.所述的位于上位机的数据处理模块首先对采集到的水下爆炸冲击波信号做滤波处理，再采用多项式拟合方法对冲击波的峰值进行提取，利用小包分解算法对冲击波进行能量特征提取，完成对冲击波数据的提取和爆炸威力的计算。通过多个测点的数据即可模拟水下爆炸场的压力变化情况。
35.综上所述，本发明测试方法属于实时存储法，将两路压力传感器安装在同一装置内，进一步减少了实验设备，不存在电缆断裂丢失数据的风险。
36.实施例
37.步骤一、同步测试系统各个测点装置的时钟，配置各装置的位置信息，擦除内存芯片数据，按确定位置放入水中；
38.步骤二、装置入水后进入低功耗待机状态等待冲击波信号来临；
39.步骤三、传感器感知到冲击波，系统进入工作状态，采集存储模块实现对传感器信号的高速采集和存储；
40.步骤四、实验结束后回收装置，通过百兆以太网或串口通讯将数据从测试装置中传输至上位机；
41.步骤五、在上位机内通过数据处理模块提取有效的冲击波数据，得出各测点的冲击波变化曲线，分析计算爆炸威力。
42.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
技术特征：1.一种水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，包括密封外壳以及密封在外壳内的两路压力传感器、集成在一张电路板上的两路信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块以及电源模块，其中：两路压力传感器实现对水下爆炸冲击波的感知并转换成电信号输入至信号调理电路；两路信号调理电路实现对传感器输出信号的调整并转换为差分信号；数据采集存储模块对经过调理的冲击波信号采样转换为数字信号并实时存储；通讯模块实现测试装置与上位机的通讯和数据传输，由上位机对水下爆炸冲击波数据进行滤波、提取和分析处理；电源模块为测试装置运行供电。2.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，密封外壳结构包括传感器底座a(1)、m2螺丝(2)、前端盖(3)、圆筒外壳(4)、电池槽(5)、后端盖(6)、传感器底座b(7)，其中：传感器底座a(1)包括前部底座、后部底座两部分，前部底座设置圆孔，内径为12mm且内壁设螺纹，用于安装一路压力传感器，后部底座用于与圆筒外壳(4)的连接，两部分底座之间通过四颗m2螺丝(2)连接固定；传感器底座b(7)设置圆孔，内径为10mm，深度为30mm，用于安装另一路传感器，传感器底座b(7)与圆筒外壳(4)通过两个m2螺丝连接固定；圆筒外壳(4)分别在前后开有两处直径7mm的通孔用于穿过传感器连接线；电池槽(5)开口朝向圆筒后端，用于安装装置电池，与圆筒外壳(4)之间通过3颗m2螺丝连接；前端盖(3)和后端盖(6)与圆筒外壳(4)之间通过螺纹连接。3.根据权利要求2所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，压力传感器使用6213b型压力传感器和138a51型压力传感器，其中6213b型压力传感器的测量范围为0-8000bar，灵敏度为-1.2pc/bar，安装在传感器底座a(1)内；138a51型压力传感器为icp型爆炸压力传感器内置电荷放大器，测量范围为0-3450bar，灵敏度为1.5mv/bar，安装在传感器底座b(7)内。4.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，圆筒外壳材料为35crmnsia，外壳厚度设为5mm。5.根据权利要求3所述的水下爆炸冲击波测试系统，其特征在于，不同的传感器对应的信号调理电路不同，6213b型压力传感器的信号调理电路包括电荷放大器和差分电路，138a51型压力传感器的信号调理电路包括衰减电路和差分电路，其中电荷放大器实现6213b压力传感器输出的电荷信号与电压信号的转换，衰减电路实现降低138a51压力传感器输出的电压信号的幅值，差分电路将单信号转换为差分信号输入至adc芯片。6.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，采集存储模块包含两路高速采集电路，采集部分使用采样位数为16位，转换速度10mhz的snr型adc芯片，存储部分使用两片高速缓存芯片sram实现乒乓缓存，四片非易失性存储芯片nand-flash芯片组成两级16位流水线存储器完成对采集数据的实时存储，两片sram和四片nand-flash芯片都挂载在stm32的fsmc接口，通过片选端口和分时复用的方式实现对存储芯片的选择和数据的实时存储。7.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，所述电源模块包括
7.4v锂电池、分压电路、升压电路和充电电路，分压电路与7.4v锂电池连接，通过对电源电压进行分压处理，实现对两路信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块的供电，升压电路与分压电路的一路输出连接，实现对138a51压力传感器的供电，充电电路与7.4v锂电池连接，实现对7.4v锂电池的充电。8.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，通讯电路包括百兆以太网和串口通讯两部分，百兆以太网的接口型号为rj45，串口通讯的接口型号为micro-usb，两者都用于水下爆炸冲击波测试装置与上位机的数据传输。9.根据权利要求3所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，装配方式如下：电池槽(5)通过3颗m2螺丝安装在圆筒外壳(4)内部；电路板在装置外部与电池的连接线通过卡座连接，电路板与6213b压力传感器和138a51压力传感器的两根kiag 10-32同轴电缆连接；连接完成后，将电路板横向插入圆筒外壳4内部的插槽，将电池安装在电池槽(5)；传感器底座a(1)的后部底座通过m2螺丝安装在圆筒前端通孔处，将位于电路板上方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳(4)前端通孔和传感器底座a(1)的后部底座与6213b压力传感器连接，6213b压力传感器与传感器底座a(1)的前部底座通过螺纹连接，将安装了6213b压力传感器的前部底座与后部底座通过四颗m2螺丝连接；传感器底座b(2)通过m2螺丝安装在圆筒外壳(4)后端通孔处，将位于电路板下方的kiag 10-32同轴电缆穿过圆筒外壳(4)后端通孔和传感器底座b(7)与138a51压力传感器连接，将连接好的138a51插入传感器底座b(7)内并在连接处填充非导电液体硅油，使用防水胶带缠绕连接处；安装前端盖(2)，前端盖(2)与圆筒外壳(4)通过螺纹连接；完成上述安装步骤后，将装置结构前端盖朝下直立放置，向圆筒内部灌封环氧树脂至电路板上端位置；安装后端盖(6)，后端盖(6)与圆筒外壳(4)通过螺纹连接。至此，完成整个装置的装配。10.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波测试装置，其特征在于，上位机首先使用滤波算法对采集到的水下爆炸冲击波中的噪声进行剔除，再通过多项式拟合方法对冲击波的峰值进行提取，利用小包分解算法对冲击波进行能量特征提取，完成对冲击波数据的提取和爆炸威力的计算，最后由多个测点的数据得出水下爆炸场的压力变化情况。
技术总结本发明提出了一种水下爆炸冲击波测试装置，包括密封外壳以及密封在外壳内的两路压力传感器、集成在一张电路板上的两路信号调理电路、数据采集存储模块、通讯模块以及电源模块，其中：两路压力传感器实现对水下爆炸冲击波的感知并转换成电信号输入至信号调理电路；两路信号调理电路实现对传感器输出信号的调整并转换为差分信号；数据采集存储模块对经过调理的冲击波信号采样转换为数字信号并实时存储；通讯模块实现测试装置与上位机的通讯和数据传输，由上位机对水下爆炸冲击波数据进行滤波、提取和分析处理；电源模块为测试装置运行供电。本发明能够更加精确的完成测量并保存数据，计算分析水下爆炸威力，具有良好的应用前景。景。景。
技术研发人员：顾金良 李桐宁 罗红娥 湾港 夏言 孔筱芳
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
