一、引言
內彈道試驗研究的對象主要是炮管內的壓力、炮口速度和作用時間（擊發(fā)底火后到彈丸通過身管所需要的時間）。最主要的測量對象是壓力，因為只有壓力能表征內彈道的循環(huán)特性，從壓力曲線可以得到火藥的火藥力、壓力沖量及火藥的燃速等重要參量。火藥氣體壓力首先從零開始迅速地增加到某一個最大峰值，然后，下降。整個過程的時間只有千分之幾秒，而且，是一個非周期性的單次脈沖過程。因此，測量這種瞬變動態(tài)參數，壓電式壓力傳感器的寬頻響、高動態(tài)性能具有明顯優(yōu)勢。
常規(guī)火炮發(fā)射平臺的內彈道壓力側量是將用于膛壓測量的壓力傳感器直接固定在膛壁上，輸出的電荷信號經長低噪聲電纜傳輸至電荷放大器，由電荷放大器轉換成相應的電壓信號，再通過長同軸電纜傳輸至數據采集系統(tǒng)。
在電熱化學炮發(fā)射平臺進行試驗時，由于存在高電壓、大電流的脈沖放電過程，會產生多種電磁干擾源。采用傳統(tǒng)的測壓方式容易將電磁干擾信號耦合到測壓線路中，影響測試精度。國外電熱化學炮壓力測量采用模擬光纖調頻技術，由光纖將壓力信號輸出至數據采集設備，減少電磁干擾信號的耦合途徑。國內有采用光電隔離方式、脈沖變壓器隔離方式和現場存儲方式等技術。現場存儲型測壓方式很好地解決了電磁干擾問題，但壓力曲線的時間零點與其他參量沒有統(tǒng)一的時間零點，給深人研究等離子體增強作用帶來一定影響。
本試驗室在電熱炮膛壓測量中，采用光纖傳輸測壓方式測量膛壓，既解決了電磁干擾問題，又實現了多參數時間零點統(tǒng)一。
二、原理與組成
光纖傳輸測壓方式的現場采集發(fā)送模塊由電荷放大器、模數轉換器及電光轉換器組成，完成4個轉換過程：壓力量轉換為電荷量、電荷量轉換為模擬電壓量、模擬電壓量轉換為數字電壓量，再經過電光轉換，以光信號進行傳輸。遠程接收模塊由光電轉換器、數模轉換器組成，通過2個轉換過程：光電轉換和數模轉換，將光信號轉換為電壓信號后，復原出模擬電壓信號輸出至數據采集系統(tǒng)。如圖1所示。
壓電式壓力傳感器利用石英晶體的壓電效應，將火藥氣體壓力的變化轉換為電荷量的變化，即
Q=Kp （1）
式中Q為電荷量；K為壓電式壓力傳感器靈敏度；P為被測火藥氣體壓力。
電荷放大器將電荷量的變化轉換為電壓幅值的變化
式中 Q為電荷量；A為電荷放大器靈敏度；U為數據采集系統(tǒng)所測得的電壓值。
由（1），（2）兩式可得到被測火藥氣體壓力的計算公式
（一）壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器選用瑞士Kistler公司的6215型石英壓力傳感器。利用石英晶體的壓電效應，可以把火藥氣體壓力的變化轉換為電荷量的變化，其測量范圍為0-600 MPa,靈敏度為14 pC/MPa,固有頻率＞240 kHz ；上升時間≤1μS。
（二）現場采集發(fā)送模塊
現場采集發(fā)送模塊包括電荷放大器、A/D轉換器和光發(fā)射器，由電池供電。
電荷放大器完成2個功能：
1．將壓電式傳感器輸出的微弱電荷信號按比例放大轉換為相應的電壓信號；
2．實現電平變換功能，使放大器輸出電平范圍達到A/D轉換器輸人范圍的滿標，減小相對誤差。
A/D轉換器將電荷放大器輸出的模擬電壓信號轉換為14位數字電平信號，經并串轉換移位電路，由光發(fā)射器完成電光轉換，通過光纖傳輸到接收部分。
（三）光纖
光纖是非金屬介質材料，不導電，因而，不會產生磁場，也不受外部電磁干擾的影響，能抗各種電磁干擾、射頻干擾。光纖的基本材料二氧化硅，絕緣性能好，所用光波的波長超出普通電磁干擾波長的數個數量級，且光敏接收器件又有一定的敏感波長范圍，因此，電磁波很難耦合人光纖，疊加到光波上；即使有一些電磁波的疊加，也遠不在光敏接收器件的敏感波長范圍內，因此，從諸多角度都說明：光纖是強電磁場環(huán)境中信號傳輸的理想介質。光纖接頭采用用戶連接器（subscriber connector，SC）——光纖連接器（ optical fiber connector），螺紋連接具有良好的電磁屏蔽特性。
（四）光接收機
光接收機完成光電轉換器和D/A轉換器功能，恢復出原始的模擬信號，輸出至數據采集系統(tǒng)。
三、安裝結構
光纖傳輸測壓方式如圖2所示，將電荷放大器與數字光發(fā)射機密封在一個現場模塊中，用防電磁性能的金屬材料做外殼，與壓力傳感器一起直接安裝炮管上。壓力傳感器與電荷放大器通過短低噪聲電纜連接，金屬外殼將光發(fā)射機、電荷放大器、壓力傳感器和低噪聲電纜都封裝在其中，屏蔽了外界電磁干擾的影響。電壓信號經過A/D轉換、電/光變換后，通過120 m的光纖傳輸到光接收機，恢復出原始壓力信號輸出至數據采集系統(tǒng)。
四、試驗結果
圖3為采用傳統(tǒng)測壓方式得到的壓力曲線，其中，脈沖干擾由時序放電、等離子體發(fā)生器電爆炸、等離子體熄弧等過程產生的電磁輻射耦合到測壓傳輸線造成的。
而采用如圖2所示的光纖傳輸測壓方式可以屏蔽這些干擾。圖4為某次電熱炮試驗中，采用光纖傳輸測壓方式的壓力測量曲線。對比圖3和圖4，各種脈沖干擾被有效地屏蔽消除了。
另外，采用光纖傳輸測壓方式，使得瞬態(tài)記錄儀可以同時測量等離子體負載電壓、膛內壓力、炮口壓力和用于測速的區(qū)截裝置信號。從而在一個時間軸上以同一時間零點將電壓、壓力、速度參量的時間關系表現出來，如圖5所示。
從圖5中可得到許多信息：
1．最大壓力出現的時刻；
2．由膛內壓力和炮口壓力曲線可以得到彈丸在身管內的作用時間；
3．由炮口壓力曲線和區(qū)截裝置信號可以推算炮口速度（用2個區(qū)截裝置之間的距離除以所測得時間差即可得到彈丸運行的速度）；
4．等離子體負載電壓信號和膛內壓力信號的時間關系為研究電熱炮的等離子體點火、電增強作用提供重要試驗依據。
讀出圖5中區(qū)截裝置1和區(qū)截裝置2電壓信號的時間間隔，應用平均速度既可得到初速
式中：S為區(qū)截裝置1和2之間的距離。
五、結論
光纖傳輸測壓方式能有效切斷電磁干擾藕合到測壓通路的途徑，避免了各種脈沖干擾給壓力測量帶來的影響，提高了壓力測量的抗干擾性和測量精度。同時，這種測試方法能將內彈道最主要的3個參量（壓力、炮口速度和作用時間）的關系在一個時間軸上表征出來，為開展電熱炮內彈道機理和試驗研究提供了較好的試驗方法。