技术报告-炸药爆发点检测装置

炸药爆发点检测装置研制
技术报告
一、前言
炸药爆发点是炸药在一定试验条件下发生爆发的最低温度，可用以衡量炸药的热感度，但它不是一个严格的物理化学常数。

除了炸药的化学结构外，爆发点还不仅与炸药的物化性质，如熔点、挥发性、导热性、热容等有关，而且与测试条件，如仪器构造、测试方法、装药量等有关。

通常系在一定试验条件下，测定炸药在不同恒温下发生爆炸的延滞期，再进行数据处理，求得炸药具有一定延滞期（常为5s或5min）的爆发点。

本次设计便是在一定实验条件下，求炸药5s延滞期的爆发点。

炸药爆发点的检测，国内多采用放置伍德合金的方法进行升温检测，这样不仅加热和恒温效果不好，对一起设备的使用环境等条件要求苛刻，不能满足某些特殊试验的要求。

类似的一个试验仪器，如BDY-I型和II型爆发点测试仪主要用于火工药剂爆发点的测试。

在20多年的使用过程中，其许多缺陷暴露粗来，如加热浴容积小、加热介质（伍德合金）质量不够、加热浴功率小、人工手动操作费时费力、人工操作记时同步性差等问题。

同时，加热器的加热温度低，其应用范围小，只能做火工药剂爆发点的测试，而且测试结果数据的处理依靠人工计算和作图处理。

多数实验装置的放药机构过于简单，使用不够方便，可靠性不高。

目前迫切需要一种试验装置，采用圆柱体状的金属加热炉，同时在不放置伍德合金的情况下进行升温试验，希望取得良好的加热和恒温效果。

而扩大试验温度范围也可满足某些特殊试验的要求。

炸药爆发点检测装置的研制目的在于改变加热浴容积小、加热介质（伍德合金）质量不够（3㎏）、加热浴功率小（1000W）、人工手动操作费时费力、人工操作记时同步性差等问题;同时，加热器的加热温度低（不高于450℃），其应用范围小，只能做火工药剂爆发点的测试，而且测试结果数据的处理依靠人工计算和作图处理。

改进设计不但提高了测试精度，还扩大了使用范围。

二、系统组成
“炸药爆发点检测装置”是对使用了近20年的BDY-I型和II型爆发点测试仪的全面改进和升级的自动检测系统。

系统由两大部分组成：一是硬件系统，二是软件系统。

系统改变了以伍德合金为热传导介质的升温检测，同时使用单片机来控制温度的升温、恒定，并且能自动记时，自动实时显示温度，并能通过I/O端口向上位机传送数据，通过上位机软件自己算出5s爆发点。

硬件系统的核心是双向可控硅脉冲触发电路，软件系统的核心是数字PID控制算法。

而数字PID又是最重要的核心，传感器采集的信号作为控制信号的输入，而数字PID控制算法的最终实现要通过双向可控硅触发电路来实现。

控制系统原理如图1所示：
1、硬件电路系统
炉体加热系统
炉体的加热通过加热电热丝的方法来实现。

工频220V电压被电阻分压后，经过运放输出得到幅值为10V的正弦电压，此电压的频率与工频电压频率相同，为50HZ。

经过芯片MC14528，正弦波整形为脉宽为2~3ms、周期为10ms的方波。

方波信号触发双向晶闸管导通，从而实现加热丝加热回路的导通，使加热丝正常工作加热炉体。

炉温检测
经过电热丝的加热，炸药容室内的温度得到提升，进而将检测到得数据进行采集，便可对数据进行处理。

只有炉温的检测精度非常的高，在后续调试中才能确保数据的可靠性。

炉温的检测包括Pt100铂热电阻检测。

Pt100铂热电阻的阻值会随着温度的升高而增加。

本设计中，检测范围是0℃~500℃。

0℃时其阻值为100欧姆，500℃时其阻值为280.9欧姆。

后续采集电路中，A/D采集电压值范围是0~5V，所以，这里需要将0℃~500℃转
化为0~5V，其线性对应关系使得中间部分的温度值和电压值一一对应。

在每一个固定温度值时，热电阻的阻值是个定量，如果流经热电阻固定的电流，便会得到确定的电压值。

这时，就需要设计一个恒流源，系统设计的恒流源构造采用接近零温飘恒流源的方法。

2、软件控制系统
在对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行检测和控制中，采用单片机控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

本装置采用ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机AT89S52。

AT89S52完全兼容传统8051的指令系统和引脚，其网络资源丰富，应用领域广泛。

在软件系统中一52单片机为控制核心，采用位置式控制算法，实现对温度的智能控制，同时，具有超调量小、温度上升较快、稳定性好等优点。

在连续—时间控制系统中，PID控制器应用的非常广泛。

其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。

PID控制的优点有以下几个方面：1.适应性强 2.鲁棒性强 3.对模型依赖少。

在计算机系统中，较多使用的是数字PID控制算法，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中穿在的问题。

三、 关键技术研究
炸药爆发点检测装置是在前人及研究团队进行的基础理论、基础工艺、基础材料研究基础上，结合我国现在使用较多的BDY-I 型和II 型爆发点测试仪，以改变热传导介质（伍德合金）、加热浴、加热功率为突破口，设计机械结构与电子电路，开发了基于单片机的电路温度控制系统，实现装置自动读取数据、记时、处理数据、作图处理。

实现炸药爆发点检测装置。

其关键技术首先在于软件实现的数字PID 控制算法，单片机读取温度值，并将其值用于PID 控制算法中，系统使用的位置式PID 控制算法计算出的值直接用来控制双向可控硅的开断，从而控制加热的时间，使电炉能更快更稳定的达到控制温度。

1、 位置式PID 控制算法
PID 控制器根据系统的误差，利用误差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出空置量。

其中广义被控对象包括调节阀、被控对象和测量变送元件；比例、积分、微分部分是PID 控制器，其输入为设定值()r t 与被调量实测值()y t 构成的控制偏差信号()e t
()()()e t r t y t =-
图2 常规PID 控制原理图
由于计算机只能处理数字信号，所以要用计算机实现PID 控制，首先要将PID 控制算法离散化，也即设计数字PID 算法。

考虑式（3-1）所述的模拟PID 控制算法，为将其离散化，首先将连续时间t 离散化为一系列采样时刻点kT （k 为采样序号，T 为采样周期），而后以求和取代积分，以向后差分取代微分，于是得离散化的PID 控制算法
[]0
()()()()(1)k
D
p j I
T T
u k K e k e j e k e k T T =⎧⎫=+
+
--⎨⎬⎩
⎭
∑ 3-1 上式即基本数字PID 算法，包含三个部分，比例部分()p K e k ，积分部分
()
k
p j I
K T e j T =∑
和微分部分
[]()(1)p D K T e k e k T
--。

由于计算机输出()u k 是直接控制执行机构动作的，
()u k 的值与执行机构的位置一一对应，所以通常称式（3-1）为位置式PID 控制算法。

r t ）
位置式PID 控制系统的示意图
PID 参数的整定
在PID 参数整定之前，先要了解各参数对系统性能的影响。

放大倍数P K 对系统性能的影响
1. 对系统的动态性能：P K 加大，将使系统动作灵敏，P K 偏大，衰减振荡次数增多，调节时间变长。

当P K 太小又会使系统的响应速度缓慢。

P K 的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。

2. 对系统的稳定性能：加大P K ，在系统的稳定性的前提下，可以减少余差（又称残差或稳态误差），但靠它不能消除余差。

因此P K 的整定主要依据系统的动态性能。

具体的整定方法如下：
1. 选择采样周期T ；
2. 选择一个较小的比例系数P K ，做纯比例控制；
3. 系统给定值作单位阶跃变化，记录被控参数的阶跃响应曲线；
4. 若阶跃响应曲线没有出现等幅振荡，则加大P K ，给定值重新作单位阶跃（从原平衡点开始），直至系统（被控参数）出现等幅振荡；
5. 记录这时的P K 作为s K ，记录两波峰之间的时间差作为s T ；
四、结论
1、完成了炸药爆发点检测装置系统建模，温控电路的优化设计、接近零温飘恒流源的温度检测系统、恒温加热炉体的设计、数字PID控制算法理论研究，一元回归法的研究，为炸药爆发点检测装置的实施奠定了理论基础。

2、现场实验炸药爆发点检测装置系统后，实现了电炉的加热恒温、温度实时检测和显示、数字PID实时控制。

多次进行实验表明，系统运行过程中实时检测、数据传输、自动控制、数据管理、声音检测等功能可靠，温度传感器、双向可控硅脉冲触发电路、爆炸声音检测准确、实时、可靠，设备运行良好。

3、采用炸药爆发点检测装置后，改变了以放置伍德合金的方法进行升温检测，这样不仅加热和恒温效果不好，对一起设备的使用环境等条件要求苛刻，不能满足某些特殊试验的要求，同时加热器的加热温度低，其应用范围小，只能做火工药剂爆发点的测试，而且测试结果数据的处理依靠人工计算和作图处理。

炸药爆发点检测装置用所带来的意义与影响是深远的。

本项目的研制成功，改变了用了近20年相关测试仪的弱点，使炸药爆发点检测装置不仅能使用在火工药剂爆发点的测试，并开辟了更加广泛的用途和使用范围。

对各种炸药及含能材料的研究具有重要意义，使用方面，安全，快捷，系统稳定，具有巨大的推广应用空间。