摘要：通过研究贫氧推进剂的燃烧特性，主要是燃烧声信号的频速特性和不稳定特性，采用弱信号检测电路，并结合计算机技术，研制了用于贫氧推进剂燃速测试的新型声发射燃速仪。整机具有自动控制测试，计算各种燃速参数等功能。
关键词：贫氧富燃料推进剂；燃速；声发射；测试设备
1 引言
水下声发射燃速测试法在国内固体推进剂研究领域已被广泛使用，它具有测试精度和效率都比较高，测试环境清洁的优点。然而国内对贫氧推进剂的燃速测试基本上是采用经典的靶线法，没有采用声发射法。由于这种推进剂与一般的复合固体推进剂相比，具有工作压强低、燃烧声信号比较弱，且信号波动较大的特点。使用老式的声发射燃速仪检测不能准确提取燃烧的时间信号，表现在测试时燃烧声信号与仪器、环境的噪声信号的信噪比太低，信号门槛电平的正确设置变得很困难。如果门槛电平设高了，不易采到燃烧信号，或是在燃烧还在进行时提前停止计时；如果门槛电平设低了，干扰噪声就很容易混进来，经常在燃烧结束后计时仍不停止。再者，由于贫氧推进剂药条的燃烧不稳定，信号有时波动幅度较大，甚至低于门槛电平，老式燃速仪不能准确判断药条的燃烧是否终止。通过对贫氧推进剂燃烧特性
的深入研究，研制了新型的分氧推进剂声发射燃速测试仪。
2 贫氧推进剂燃烧声信号的特性
针对声发射燃速仪在贫氧推进剂测试时存在的问题，必须首先了解这种推进剂和其他种类推进剂在燃烧特性上的区别，主要是它的声频特征及声波波动。
一方面，采用先进的频谱分析仪器，利用老式声发射仪对铝镁、含硼两种分氧推进剂的一些配方和丁羟类推进剂的一些配方的燃烧声信号进行了测试比较。测试时，需要调整仪器的通频带，以便全面分析各个频带上的信号；同时，设定信号衰减度，避免信号饱和造成频谱分析的误差。在仪器自动分析的基础上，排除了仪器本身由于电路工作造成的噪声干扰，结果发现贫氧推进剂频谱和丁羟类推进剂的频谱都是连续的，并具有许多高度不等的不规则波峰，但前者的能量分布比后者更为集中，分布于一个特定的谱段，如图1所示。不同配方的贫氧推进剂的频谱特性也有一些区别，但分布的谱段基本保持一致。

另一方面，采集了大量贫氧燃烧声信号的波形曲线，并分析研究其特征，发现这类推进剂和丁羟推进剂相比，声信号幅度波动很大。一般来说，药条燃烧过程中常有几次较大的波动，且向下波动的时间最长要长于0.2s，如图2所示。测试仪器应能排除这么大的扰动，连续记录燃烧时间，正确反映燃烧速度，这在设计燃烧信号终止判断电路或软件时必须考虑。

3 新型声发射燃速仪
仪器的测控系统组成框图如图3所示。

3.1 压电声传感器
选取PZT-5型压电陶瓷晶片，它具有高的机电耦合系数和压电应变常数，比较适合超声信号的检测。压电陶瓷晶片工作在厚度伸缩模式，将从燃烧室传来的纵波声信号转换成声频信号。在压电声传感器探头制作时，提高灵敏度和拓展响应带宽是一对矛盾。在此，由于贫氧推进剂燃烧声信号频带比丁羟类推进剂的频带要窄，仪器、传感器的宽频要求已不是主要矛盾，所以，设计时优先考虑提高传感器的灵敏度。压电陶瓷晶片的尺寸直接决定它工作的谐振频率，应尽量使谐振频率在贫氧推进剂燃烧信号频率范围的中部。[/mem]
3.2 低噪声前置放大器和主放大器
由于所测的信号微弱，只有十几到几十微伏，仪器需要很高的放大倍数，这时仪器本身和环境干扰信号也会被放大，因此，低噪声的前置放大器是速机研制的关键。压电传感器的特点之一是输出阻抗非常高，这里输入级采用高输入阻抗电路，能更好地和压电传感器匹配，提高信号的利用率。电路采用了军用级国产低噪声高频三极管3DG140C等元件，通过设计、调整合理的电路工作点，达到降噪并保持所需增益的目的。为进一步降低噪声干扰，前置放大器和主放大器之间采用低噪声同轴电缆连接，同时完成信号传递和前放直流电源供给。
主放大器主要完成交流信号高倍放大，增益调节，带通滤波，施密特速形，直流检波以及信号电平指示的功能，仪器设置了80-110dB之间增益选择开关。设计带通滤波电路时，要与贫氧推进剂的燃烧声信号频带相一致，这就能在最大程度上把所测信号从噪声中提取出来，大大提高了仪器的信噪比。
3.3 微机模块以及软件
考虑到多用户操作系统的特点，所有模拟信号的实时数据采集由以98系列单片机为核心A/D子系统完成。单片机也PC机以并行方式通信，并受控于PC机。单片机工作前，PC机要向单片机发送采样频率、采样通道的地址顺序等参数和启动命令。在采样过程中，PC机可随时向单片机索取数据进行显示和处理。在这里设计燃烧启停时刻的判定算法时，考虑到贫氧推进剂燃烧不稳定因素，采用了延时和累计算法。
I/O模块主要完成燃烧室各开关量参数的检测，如水位、点火丝的状态，并可由手动或自动调节燃烧室工作压强、温度等条件，以及管路阀门的控制，提高测试的自动化程度。
测控软件是在Windows 9X平台下用面对对象的Delphi语言编制，全部测试控制过程在同一主界面下进行。测试过程中将实时显示药条燃烧过程的压强、温度、声发射信号曲线，测试数据自动填充于列表栏内。同时主界面内还设有形象的系统组成和测试进行状态的直观动画图。系统同时具有对测试数据自动计算压强指数、温度敏感系数和数据存档管理，打印报告单和声信号曲线等功能。
3.4 使用效果
表1为两组贫氧推进剂的燃速测试数据。

使用该仪器对多种配方的贫氧推进剂以及其他复合固体推进剂进行了测试，测控系统工作稳定、可靠。
4 结论
该新型声发射燃速仪设计时充分考虑了贫氧推进剂燃烧的特性，不仅适用于一般的复合固体推进剂，更适用于贫氧推进剂的燃速测试，测量精度较高，且和动态燃速数据有较好的对应规律。其效率要大大高于靶线法，且对测试环境污染小，更适合测试人员操作。