磁平衡式电流传感器在电火工品可靠性试验无损耗监测系统中的研究

摘要：本文在分析电火工品可靠性试验影响试验可靠性的各种因素、尤其是人为因素和环境因素的基础上，根据国军标要求和电磁学原理，提出了一种非接触式的电火工品可靠性试验无损耗监测系统方案。该方案基于电磁学中的霍尔效应（Hall Effect）原理，采用磁平衡式电流传感器作为电信号传感器，使用高速模数转换芯片或转换卡将采到的信号转换为数字信号存入随机存取存储器（RAM）中以供处理。可以预见该种监测仪器的研制将在电火工品可靠性试验中将起到减少人为失误、提高试验成功率等重要作用，对改善电火工品发火可靠性试验工作具有重要意义。
关键词电子技术；电火工品；发火可靠性试验；霍尔效应；微控制器
1、问题的提出
火工品是所有武器弹药系统作用的初始元件。火工品正常作用与否是整个武器弹药系统正常作用与否的先决条件，因此对火工品的可靠性要求极高，最低不得低于0.99。对火工品可靠性试验的要求也是极其苛刻的，仅仅是一发瞎火就可能导致整批产品的报废。
但在实际操作中，火工品发火试验失败屡见不鲜，原因是火工品本身的质量问题和仪器、环境和人为因素等非质量问题。后者是由于下述原因之一或其组合：仪器本身故障使加到被测试火工品上的电刺激量不足规定的刺激量；潮湿；夹子的接触电阻、氧化层；高发火电压下的打火；人为操作失误；其它可能导致电刺激量无法加到火工品上的因素。正是由于以上非质量因素的存在，造成了电火工品发火可靠性试验产生瞎火时经常很难分析清楚真正原因。因此需要研制一种仪器，能够客观真实地记录发火刺激量加载到电火工品上的全过程，准确无误地反映发火可靠性试验的真实情况，从而在分析发火试验失败原因时起到决定性作用。对这种仪器应有以下要求：不直接串入到发火试验电路中去，不消耗电路本身的能量能客观真实地记录发火的全过程，以存储、打印等手段永久保存试验记录备查。
2、方案设计
目前实际使用的各类电火工品都是由电流引发的，其引爆（引燃）判据是随时间变化的电流I（t），或电流的变化率dI（t）／dt。作为方案设计的核心是选用或研制可行的传感器。I（t）或I（t）／dt都可以引起磁场变化，而磁场变化对电火工品发火回路正是非接触的。可考虑记录磁场变换的传感器有霍尔元件及罗果夫斯基（Rogowski）线圈。
非接触的、无损耗电火工品可靠性试验监测系统的整体方案应包括传感器、模数变换、高速RAM、控制系统和输出设备等几部分构成。
2.1 霍尔效应（Hall Effect）传感器
在本监测系统中所使用的发火电流传感器是霍尔效应电流传感器，是使用霍尔效应原理的磁平衡式（磁补偿式）电流传感器。
2.1.1 霍尔效应
霍尔效应是指当与磁场垂直的金属板通过电流时，洛仑兹力会使电荷在垂直于电流和磁场的方向上移动，电荷位移将在金属板的两侧形成一电动势，即所谓霍尔电压。
霍尔电压UH与电流Ia和磁通密度B乘积成正比，与金属板的厚度d成反比，即
UH=IaBRH/d        (2.1)
其中，RH磁场中金属板的霍尔系数。
纯金属的霍尔系数比较小，而半导体材料的霍尔系数要大几个数量级，因此一般使用硅、锗、砷化铟、锑化铟等半导体材料作为霍尔元件。
2.1.2 磁平衡式霍尔电流传感器
磁平衡式霍尔电流传感器是基于霍尔效应及零磁场平衡原理来测量电流的。传感器内部磁场总是被控制在零磁场。用于平衡零磁场的电流是流过导体的初级电流乘以初次级线圈的比例系数，该电流就是霍尔电流传感器的输出，通过外接电阻可转换为电压输出。
一般来说，次级线圈所产生的磁场和初级导体所产生的磁场在铁芯中大小相等、方向相反，因此铁芯中的磁场永远等于零，而砷化铟霍尔芯片位于铁芯的缝隙之中，输出霍尔电压UH。在磁平衡式霍尔电流传感器中，存在以下基本等式：
IPNP=ISNS
其中，IP为被测的初级电流；初级匝数（一般为1）；IS为次级电流（输出）；NS为次级线圈匝数（1000—5000匝）。
另外，在磁平衡式霍尔电流传感器中使用了霍尔芯片所产生的误差电压（霍尔电压UH对次级线圈的控制作用，该作用是通过负反馈闭环控制实现的：霍尔芯片产生的霍尔电压经运算放大器电路后以次级电流形式施加到次级线圈上，而次级线圈所产生的磁场与初级电流的磁场叠加，从而在霍尔芯片中产生新的霍尔电压再次经运放施加到次级线圈上，如此周而复始，直到铁芯中的磁场为零，此时所
输出的电流即为传感器所测得的电流，这个过程所使用的时间称为霍尔电流传感器的反应时间。
2.2 两种方案的选择
随着示波器技术的迅猛发展，尤其是数字存储示波器技术的发展，存在将示波器应用于电火工品发火试验中的可能。但是使用示波器有几个不利的地方：一个是示波器的探头可能会引入部分阻抗，从而导致电发火能量的损失；另一个原因是从试验目的和使用方便考虑，对测试系统有专门要求。因此最好是研制专用的监测设备仪器，从而满足国军标的要求。
传感器问题解决之后，在无损耗监测系统数字部分的方案选择上可以采用高速模数转换芯片加微控制器或采用高速数采卡加个人电脑两种不同方案。
（1）采用微控制器的方案
控制面板→微控制器→打印输出单元
→RAM—高速A/D—电流传感器—雷管
（2）采用个人微机的方案
个人微机→高速数据采集卡—电流传感器—雷管
（3）两种方案的比较。
方案      研制周期   易用性   体积   便携性   成本
方案一     较短        好     较小     好     较低
方案二     较短        好     较大     差     较高
通过上表可以看出：与采用个人微机的方案二相比，采用微控制器的方案一更加符合对电火工品发火可靠性试验的专用仪器要求，同时还具有便携性好、成本较低等优点。因此方案一是一种较为切合实际的设计方案。
3、方案实现
3.1 电流传感器
通过对传感器市场调研和技术分析，南京中旭电子科技有限公司已完成了该类采用霍尔元件的磁平衡式电流传感器，其性能指标为：线性度优于0.1%；响应时间小于3μS；测量带宽直流～100KHZ。
可以看出，这种电流传感器对于普通电火工品、尤其是作用时间为毫秒级的电雷管是适用的，能够满足其发火可靠性试验对响应时间和测量带宽的要求。
3.2 数字部分
3.2.1 高速A／D芯片和RAM
高速A／D芯片市场上种类繁多，最高转换速率可到100MHZ，选型较为容易。
RAM可根据对存储长度的实际要求，选择几KB到1MB不等的RAM型号。
3.2.2 微控制器及外设
51系列微控制器在我国已经广泛使用了十余年，有大量的设计实例和接口电路可供参考，从而大大降低了设计的复杂程度；而美国Microchip公司的PIC微控制器技术先进，易用型较好，是一种综合性能较为突出的微控制器，因此选用以上两种均可。
电源模块可在市场上购买到现成的，不必另行研制；微型打印机可采用北京工业大学的TP-uP等微打型号。
4、问题与讨论
（1）监测系统防护问题 由于该系统用于测量爆炸品，如何防止系统受到爆炸冲击的损害是一个切实的问题。一般而言，至少应将该系统的数字部分置于发火试验的爆炸间之外，另外开辟一块场地以供监测之用。此外，电流传感器不应与电雷管置于同一个爆炸罐中，而应测量爆炸罐外的雷管脚线与发火线之间的连接线部分。
（2）电流传感器问题虽然所选择的磁平衡式霍尔电流传感器对普通的毫秒级电雷管是适用的，但是对微秒级电雷管和冲击片雷管等快速雷管则难以监测。对微秒级雷管而言，一种可能的解决方法是寻找速度足够快的霍尔元件，自行研制放大电路；而对使用高电压（2～3KV）、大电流（2～4KA）的冲击片雷管而言，则必须使用罗果夫斯基（Rogowski）电流测量线圈，在此不再赘述。
（3）抗干扰问题电火工品爆炸时将产生大量的等离子体，使整个监测系统处于强电磁干扰之下，这种干扰不仅是产生误差的主要原因，同时也危害着整个系统安全性、可靠性。因此，采用带屏蔽的同轴电缆、使用光耦或隔离变压器等抗干扰措施就值得考虑。
（4）电路接口问题由于涉及到各部分元器件较多，接口电路是应着重解决的问题。此外，在本设计中，仅仅使用了打印输出一种硬拷贝手段，如果能够增加像软盘控制器等软拷贝手段对于提升整个系统的性能是大有帮助的，但这将大大增加设计的难度和工作量。