一种轻小型冲击过载测试装置
1.本发明属于冲击测试技术领域，尤其涉及一种轻小型冲击过载测试装置。
背景技术：
2.随着现代军事技术的发展，对弹药武器的动能侵彻试验和膛内冲击测试提出了新的要求。在侵彻试验中，需要准确地测量侵彻过程的冲击加速度-时间曲线，才能为建立侵彻物理模型提供试验依据，并为研制抗高过载的引信装置提供参考。在膛内冲击测试中，需要在恶劣的内弹道环境下测量发射过程中的纵向冲击载荷，为弹载机构设计和强度校核提供试验数据。因此，冲击过载测试装置在武器系统研制阶段有着广泛的应用需求，在冲击过载试验充分支撑的条件下，能够深入分析武器系统瞬态冲击特性，全面评估弹载机构的设计性能，并有助于分析高强度冲击导致的可能故障，对于现代武器系统研制具有重要的现实意义。一般工业场所的冲击测试中，测试传感器安装于被测位置，采集存储及数据处理装置集成在独立的计算机中，二者通过外部的信号线缆实现连接。在武器系统的冲击测试环境中，试验环境恶劣，试验条件严苛，在侵彻试验和发射试验等情况下弹体内部的信号线缆难以对外连接，就需要将冲击过载测试装置安装于弹体内部，连接测试传感器完成冲击信号的采集存储，在试验完成后取出测试数据进行分析。因此，为了适应武器系统的弹载冲击测试需求，冲击过载测试装置需要采用轻量化、小型化设计，能够在重量和尺寸上满足弹体内部安装的严格要求，并能够在数万g的冲击过载作用下可靠工作，具备模块化、嵌入式的设计特点，便于维护，使用灵活，满足武器测试的多样化需求。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种轻小型冲击过载测试装置，以实现武器系统在高冲击的条件下冲击过载测试，该装置通过外部传感器精确检测出武器系统运行过程中的变化情况，以arm芯片为核心，实现信号调理、采集、传输、编码、存储以及向数据处理设备输出数据的功能。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：
5.一种轻小型冲击过载测试装置，包括双通道传感器输入接口、两路调理单元、ad转换芯片、arm芯片、硅晶体振荡器、fram存储芯片、emmc存储芯片、micro usb接口、锂电池充电芯片、电压调节器、稳压芯片、低差压稳压芯片、升压转换器；
6.所述双通道传感器输入接口用于适配冲击加速度传感器，获取冲击信号，两路输入信号经调理单元去除噪声、放大信号并检测模拟信号是否产生故障；
7.所述ad转换芯片具有两个独立的信号输入通道，用于采集冲击信号，将模拟信号转化为数字信号；
8.所述arm芯片用于控制信号的采集、储存、传输过程以及与上位机的信号交互；
9.所述硅晶体振荡器用于为arm芯片提供时钟信号；
10.所述fram存储芯片、emmc存储芯片用于存储系统运行过程中的数据；
11.所述micro usb接口可以通过usb驱动器与锂电池充电芯片连接，用于给锂电池充电，也可以与计算机通信；
12.所述稳压芯片、升压转换器均与锂电池相连，为arm芯片、fram存储芯片、emmc存储芯片供电；稳压芯片连接低差压稳压芯片和电压调节器，为调理单元供电。
13.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
14.(1)本发明所述的故障检测电路，主要通过两个比较器实现检测输入信号开路或短路的情况，成本较低，且提升了检测精度和准确性。
15.(2)本发明所述的传感器供电单元，通过电流电压转换芯片实现，外接mosfet晶体管能够保证宽顺的电压范围，传感器供电单元不仅为外部传感器提供电流激励，还能够抑制温漂，解决传感器工作时易受温度影响的问题。
16.(3)本发明所述的装置集传感器模块、信号采集、信号存储模块为一体，采用小型化设计，能够经受50000g的过载冲击，具有抗高过载能力。
附图说明
17.图1为轻小型冲击过载测试装置正面三维结构图。
18.图2为轻小型冲击过载测试装置背面三维结构图。
19.图3为轻小型冲击过载测试装置双通道信号采集示意图。
20.图4为轻小型冲击过载测试装置arm芯片连接示意图。
21.图5为轻小型冲击过载测试装置锂电池供电示意图。
22.图6为轻小型冲击过载测试装置arm芯片的电路图连接。
23.图7为轻小型冲击过载测试装置传感器供电电路图。
24.图8为轻小型冲击过载测试装置故障检测电路图。
25.图9为轻小型冲击过载测试装置ad转换电路图。
26.图10为轻小型冲击过载测试装置fram存储芯片的电路连接图。
27.图11为轻小型冲击过载测试装置emmc存储芯片的电路连接图。
28.图12为轻小型冲击过载测试装置电源模块电路图。
29.图13为轻小型冲击过载测试装置外壳示意图。
30.图14为轻小型冲击过载测试装置应用示意图。
31.其中，附图标记所对应的名称：
32.1-第一通道传感器输入接口，2-第一通道电压电流转换芯片，3-第一通道运算放大器，4-第一通道比较器，5-第二通道传感器输入接口，6-第二通道电压电流转换芯片，7-第二通道运算放大器，8-第二通道比较器，9-ad转换芯片，10-arm芯片，11-硅晶体振荡器，12-fram存储芯片，13-emmc存储芯片，14-锂电池充电芯片，15-二次电池保护芯片，16-稳压芯片，17-升压转换器，18-电压调节器，19-低差压稳压芯片，20-usb驱动器，21-micro usb接口。
具体实施方式
33.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
34.结合图1、图2，本实施例的一种轻小型冲击过载测试装置，该装置主要元件包括第
一通道感器输入接口1，第一通道电压电流转换芯片2、第一通道运算放大器3、第一通道比较器4、第一通道传感器输入接口5，第二通道电压电流转换芯片6、第二通道运算放大器7、第二通道比较器8、ad转换芯片9、arm芯片10、硅晶体振荡器11、fram存储芯片12、emmc存储芯片13、锂电池充电芯片14、二次电池保护芯片15、稳压芯片16、升压转换器17、电压调节器18、低差压稳压芯片19、usb驱动器20、micro usb接口21。
35.第一通道传感器输入接口1，第一通道电压电流转换芯片2、第一通道运算放大器3、第一通道比较器4、第二通道传感器输入接口5，第二通道电压电流转换芯片6、第二通道运算放大器7、第二通道比较器8、ad转换芯片9、arm芯片10、硅晶体振荡器11均贴焊在装置的正面，fram存储芯片12、emmc存储芯片13、锂电池充电芯片14、二次电池保护芯片15、稳压芯片16、升压转换器17、电压调节器18、低差压稳压芯片19、usb驱动器20、micro usb接口21均贴焊在装置的背面。
36.所述第一通道传感器输入接口1，第二通道传感器输入接口5可以适配冲击加速度传感器，能够精确检测出仪器运行过程中相关参数的变化情况。
37.以测量第一通道为例，第一通道电压电流转换芯片2通过同步串行接口spi连接arm芯片10获取输入信号，不仅为第一通道传感器输入接口外部传感器提供电流激励，还能够抑制温漂，解决传感器工作时易受温度影响的问题。测量第二通道同理。
38.两路传感器输入信号需要经过调理单元转换成模拟电压信号，连接至ad转换芯片9。调理单元由传感器供电单元，低通滤波电路，放大电路，故障检测电路组成。以测量第一通道为例，故障检测电路由两个第一通道比较器4及周围电阻、电容构成，用于检测输入信号开路或短路的情况；低通滤波电路用于消除高频噪声的影响；放大电路由第一通道运算放大器3及周围电阻、电容构成，用于放大信号。测量第二通道同理。
39.ad转换芯片9具有两个独立的信号输入通道，能够同步采集冲击信号，最大采样率可达1mhz。ad转换芯片9连接两路调理单元的输出，将模拟信号转化为arm芯片10可处理的数字信号，通过同步串行接口spi与arm芯片10连接。
40.所述arm芯片10为stm32h743vih6，是装置的核心器件，控制数据采集、储存、传输过程以及与上位机的信号交互。图1中的硅晶体振荡器11具有抗高过载性能，为arm芯片10提供25mhz的时钟信号。arm芯片10具有4个标准同步串行外设spi接口，通过一路spi接口连接第一通道电压电流转换芯片2为第一通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接第二通道电压电流转换芯片6为第二通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接fram存储芯片12；通过一路spi接口连接ad转换芯片9采集信号；通过sdmmc接口连接到emmc存储芯片13。
41.所述fram存储芯片12选型为fm25v02a，fram存储芯片12存储容量为256kb，访问速度快，读写功耗低，掉电后也能保留数据，通过spi接口连接arm芯片10。
42.所述emmc存储芯片13选型为mtfc16gapalgt，存储容量为128gb，极大扩展了装置的存储空间，通过sdmmc接口连接arm芯片10，使用并行数据传输，实现数据的快速存储或读取。
43.装置通过micro usb接口21不仅可以与计算机通信，还可以为锂电池充电。micro usb接口21通过usb驱动器20与锂电池充电芯片14连接，给锂电池充电使用。锂电池充电芯片14与二次电池保护芯片15相连，二次电池保护芯片15集成了高精度的检测电路，可以防止电池过充电，过放电的情况。
44.装置内部采用锂电池供电，锂电池一方面与升压转换器17相连，输出24v电压；另一方面与稳压芯片16连接，输出5.5v电压。稳压芯片16连接低差压稳压芯片19，输出3.3v电压，为arm芯片10、fram存储芯片12、emmc存储芯片13等供电；稳压芯片16连接电压调节器19输出5v电压，为第一通道运算放大器3，第二通道运算放大器7、ad转换芯片9供电。不同大小的电压为装置的不同组件供电。
45.结合图3，装置连接传感器后，电压电流转换芯片为传感器提供电流激励，保证传感器的正常工作。由于传感器输入信号存在温漂大，谐振频率高，噪声干扰多，输出信号弱的特点，需要经过调理单元进行改善。调理单元由低通滤波电路，放大电路，故障检测电路组成。故障检测电路用于检测输入信号开路或短路的情况；低通滤波电路用于消除高频噪声的影响；放大电路由运算放大器及周围电阻、电容构成，通过合理配置电阻阻值和电容值调节放大倍数，用于放大信号。两路传感器输入经过调理单元后，连接到ad转换芯片9转换成数字信号。
46.结合图4，arm芯片10具有4个标准同步串行外设spi接口，通过一路spi接口连接第一通道电压电流转换芯片2为第一通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接第二通道电压电流转换芯片6为第二通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接fram存储芯片12；通过一路spi接口连接ad转换芯片9采集信号；通过sdmmc接口连接到emmc存储芯片13。硅晶体振荡器11具有抗高过载性能，为arm芯片10提供25mhz的时钟信号，电源管理模块为arm芯片10提供3.3v电压。
47.图5是轻小型冲击过载测试装置锂电池供电示意图。装置内部采用锂电池供电，锂电池一方面与升压转换器17相连，输出24v电压；另一方面与稳压芯片16连接，输出5.5v电压。稳压芯片16连接低差压稳压芯片19，输出3.3v电压，为arm芯片10、fram存储芯片12、emmc存储芯片13等供电；稳压芯片16连接电压调节器18输出5v电压，为第一通道运算放大器3，第二通道运算放大器7、ad转换芯片9供电。不同大小的电压为装置的不同组件供电。
48.结合图6、图7，为实现所述轻小型冲击过载测试装置的传感器供电单元，包括电压电流转换芯片、电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r50、电阻r51、电阻r52、电容c54、电容c55、mosfet晶体管q3、mosfet晶体管q4。电压电流转换芯片od端口连接电阻r48后接到3.3v电压，ef端口连接电阻r47后接到3.3v电压，vin端口连接电阻r50后，通过spi串行接口连接arm芯片来获取输入信号，vsp端口连接电容c54后接地，is端口与vg端口之间连接mosfet晶体管q3、mosfet晶体管q4、电阻r49，set端口连接电阻r51后接地。mosfet晶体管q3、mosfet晶体管q4来确保高输出电阻和宽泛的顺从电压范围，传感器供电单元不仅为传感器提供电流激励，还能够抑制温漂，解决传感器工作时易受温度影响的问题。
49.结合图6、图8，为实现所述轻小型冲击过载测试装置的故障检测功能，故障检测电路，包括比较器1、比较器2、电阻r55、电阻r56、电阻r57、电阻r58、电阻r59、电阻r60、电容c58、电容c59、电容c60、电容c61、电容c62，电压电流转换芯片vg端口经过电阻r52后连接至比较器2的反相端以及比较器1的同相端，比较器2的反相端连接电容c60后接地，比较器2的同相端与比较器1的反相端、电阻r55、电容c58、电容c61、并联的电阻r60、电容c62相连；比较器1的输出连接电阻r56后接入3.3v电压，比较器2的输出连接电阻r59后接入3.3v电压，比较器1的输出与arm芯片的e3端口相连，以检测输入信号短路的情况。比较器2的输出与arm芯片的d3端口相连，以检测输入信号开路的情况。
50.结合图6、图9，为实现所述轻小型冲击过载测试装置模拟信号与数字信号转换功能。所述ad转换芯片9ainm_a端口与第一通道的低通滤波输出端连接，ainp_a端口与第一通道的输入端连接，ainm_b端口与第二通道的滤波输出端连接，ainp_b端口与第二通道的输入端连接，sdo_a端口与arm芯片10的pb4连接，sclk端口与arm芯片10的pb3连接，端口与arm芯片10的pa15连接，sdi端口与arm芯片10的pb5连接。
51.结合图6、图10、图11，为实现所述轻小型冲击过载测试装置的数据存储功能，所述fram芯片12sck端口与arm芯片10的pd3连接，si端口与arm芯片10的pc1连接，so端口与arm芯片10的pc2_c连接，端口与arm芯片10的pb12连接，vdd端口与低差压稳压芯片19out端口的3.3v输出端连接，vss端口接地。
52.所述emmc存储芯片13clk端口与arm芯片10的pc12连接，cmd端口与arm芯片10pd2连接，dat0至dat3端与arm芯片10的pc8-pc11连接，dat4和dat5端分别与arm芯片10的pb8、pb9连接，dat6和dat7端分别与arm芯片10的pc6、pc7连接，vcc端、vccq端与低差压稳压芯片19out端口的3.3v输出端连接，vss端口接地。
53.结合图6、图12，为实现给所述轻小型冲击过载测试装置各个模块进行稳压供电，所述升压转换器17的vin端口和en端口与电容c43连接，c43一端接地，另一端与锂电池正极端pac+相连；out端口与串联的电阻r39、r40连接，串联电阻另一端接地，out端口输出24v的电压，并与电容c44连接后接地。
54.所述稳压芯片16的两个vin端口与电容c48，电阻r43，并联后的电容c46、电容c47，以及锂电池正极端pac+连接，电容c48另一端接地，电阻r43另一端接入en端口与ps_sync端口，并联电容另一端接地；两个vout端口与电容c52，串联电阻r44、r46，电阻r45，并联电容c49、c50、c51连接，电容c52另一端接地，电阻r44另一端与fb端口相连，串联电阻另一端接地，电阻r45另一端与pg端口相连，并联电容另一端接地，vout端口输出5.5v电压。
55.所述稳压芯片16vout端口一方面与低差压稳压芯片19in端口连接，低差压稳压芯片19out端口输出3.3v电压。另一方面连接电压调节器18的in端口，电压调节器18in端口与电容c37连接，电容c37另一端接地，out端口连接电阻r34，电容c38，同时输出5v电压。
56.图13是轻小型冲击过载测试装置外壳示意图。装置外壳22半径24.5mm，高26.8mm，壁厚2mm，采用铝合金加工而成，整体重量为280g，具有功耗低、一体化、传输线缆少的特点，内部通过锂电池供电，续航时间超过2小时，可适用于室内外环境。pcb组件和锂电池集成并悬置于壳体内部，与周围的壳体内壁保持一定距离，并对装置内部整体进行灌封处理。装置留有两个传感器接口15，可以外接传感器采集信号；留有一个micro usb接口21传输数据以及给锂电池充电。装置上方具有四个限位孔23，可通过螺钉安装在测试仪器内。装置内部对pcb组件及锂电池进行整体灌封处理，能够经受50000g的过载冲击，可在恶劣的发射环境中测试；
57.图14是轻小型冲击过载测试装置应用示意图。图7展示了装置在武器系统发射过程中加速度测试的一种应用，使用螺钉将装置安装在武器测试系统内。将两个iepe加速度传感连接至传感器输入接口，实时采集、存储测试过程中的加速度信号。测试完成后，通过micro usb接口连接计算机，将装置存储的数据传输给计算机，计算机运行软件平台对加速度信号进行分析处理。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本
发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
技术特征：
1.一种轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，包括双通道传感器输入接口、两路调理单元、ad转换芯片、arm芯片、硅晶体振荡器、fram存储芯片、emmc存储芯片、micro usb接口、锂电池充电芯片、电压调节器、稳压芯片、低差压稳压芯片、升压转换器；所述双通道传感器输入接口用于适配冲击加速度传感器，获取冲击信号，两路输入信号经调理单元去除噪声、放大信号并检测模拟信号是否产生故障；所述ad转换芯片具有两个独立的信号输入通道，用于采集冲击信号，将模拟信号转化为数字信号；所述arm芯片用于控制信号的采集、储存、传输过程以及与上位机的信号交互；所述硅晶体振荡器用于为arm芯片提供时钟信号；所述fram存储芯片、emmc存储芯片用于存储系统运行过程中的数据；所述micro usb接口可以通过usb驱动器与锂电池充电芯片连接，用于给锂电池充电，也可以与计算机通信；所述稳压芯片、升压转换器均与锂电池相连，为arm芯片、fram存储芯片、emmc存储芯片供电；稳压芯片连接低差压稳压芯片和电压调节器，为调理单元供电。2.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述调理单元由传感器供电单元、低通滤波电路、放大电路、故障检测电路组成；传感器供电单元用于为两路冲击加速度传感器提供电流激励，故障检测电路用于检测输入信号开路或短路的情况；低通滤波电路输入信号用于消除高频噪声的影响；放大电路用于对输入信号进行放大。3.根据权利要求2所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述传感器供电单元，包括电压电流转换芯片、电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r50、电阻r51、电阻r52、电容c54、电容c55、mosfet晶体管q3、mosfet晶体管q4；电压电流转换芯片od端口连接电阻r48后接到3.3v电压，ef端口连接电阻r47后接到3.3v电压，vin端口连接电阻r50后，通过spi串行接口连接arm芯片来获取输入信号，vsp端口连接电容c54后接地，is端口与vg端口之间连接mosfet晶体管q3、mosfet晶体管q4、电阻r49，set端口连接电阻r51后接地。4.根据权利要求2所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述故障检测电路，包括比较器1、比较器2、电阻r55、电阻r56、电阻r57、电阻r58、电阻r59、电阻r60、电容c58、电容c59、电容c60、电容c61、电容c62，电压电流转换芯片vg端口经过电阻r52后连接至比较器2的反相端以及比较器1的同相端，比较器2的反相端连接电容c60后接地，比较器2的同相端与比较器1的反相端、电阻r55、电容c58、电容c61、并联的电阻r60、电容c62相连；比较器1的输出连接电阻r56后接入3.3v电压，比较器2的输出连接电阻r59后接入3.3v电压，比较器1的输出与arm芯片的e3端口相连，以检测输入信号短路的情况；比较器2的输出与arm芯片的d3端口相连，以检测输入信号开路的情况。5.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述升压转换器的vin端口和en端口与电容c43连接，c43一端接地，另一端与锂电池正极端pac+相连；out端口与串联的电阻r39、r40连接，串联电阻另一端接地，out端口输出24v的电压，并与电容c44连接后接地；所述稳压芯片的两个vin端口与电容c48，电阻r43，并联后的电容c46、电容c47，以及锂电池正极端pac+连接，电容c48另一端接地，电阻r43另一端接入en端口与ps_sync端口，并
联电容另一端接地；两个vout端口与电容c52，串联电阻r44、r46，电阻r45，并联电容c49、c50、c51连接，电容c52另一端接地，电阻r44另一端与fb端口相连，串联电阻另一端接地，电阻r45另一端与pg端口相连，并联电容另一端接地，vout端口输出5.5v电压；所述稳压芯片vout端口一方面与低差压稳压芯片in端口连接，低差压稳压芯片out端口输出3.3v电压；另一方面连接电压调节器的in端口，电压调节器in端口与电容c37连接，电容c37另一端接地，out端口连接电阻r34，电容c38，同时输出5v电压。6.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述ad转换芯片9ainm_a端口与第一通道低通滤波电路输出端连接，ainp_a端口与第一通道的输入端连接，ainm_b端口与第二通道低通滤波电路输出端连接，ainp_b端口与第二通道的输入端连接，sdo_a端口与arm芯片10的pb4连接，sclk端口与arm芯片10的pb3连接，端口与arm芯片10的pa15连接，sdi端口与arm芯片10的pb5连接。7.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，所述fram芯片sck端口与arm芯片的pd3连接，si端口与arm芯片的pc1连接，so端口与arm芯片的pc2_c连接，端口与arm芯片的pb12连接，vdd端口与低差压稳压芯片out端口的3.3v输出端连接，vss端口接地；所述emmc存储芯片clk端口与arm芯片的pc12连接，cmd端口与arm芯片pd2连接，dat0至dat3端与arm芯片的pc8-pc11连接，dat4和dat5端分别与arm芯片的pb8、pb9连接，dat6和dat7端分别与arm芯片的pc6、pc7连接，vcc端、vccq端与低差压稳压芯片out端口的3.3v输出端连接，vss端口接地。8.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，arm芯片具有4个标准同步串行外设spi接口，通过一路spi接口连接第一通道电压电流转换芯片为第一通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接第二通道电压电流转换芯片为第一二通道外部传感器供电；通过一路spi接口连接fram存储芯片；通过一路spi接口连接ad转换芯片采集信号；通过sdmmc接口连接到emmc存储芯片。9.根据权利要求1所述的轻小型冲击过载测试装置，其特征在于，两路传感器输入接口、两路调理单元、ad转换芯片、arm芯片、硅晶体振荡器均贴焊在装置的正面；fram存储芯片、emmc存储芯片、锂电池充电芯片、稳压芯片、升压转换器、电压调节器、低差压稳压芯片、usb驱动器、micro usb接口均贴焊在装置的背面。
技术总结
本发明公开一种轻小型冲击过载测试装置，该装置以ARM芯片为控制核心，控制信号的采集、存储、传输以及与PC机的交互。该装置具有两个独立的信号采集通道，两通道能够同步采集冲击信号，最大采样率可达1MHZ，可以适配IEPE冲击加速度传感器。该装置内部采用锂电池供电，续航时间超过2小时，并能够通过USB接口进行充电。本发明采用小型化、模块化、嵌入式设计，重量为280g，半径24.5mm，高26.8mm，装置内部对PCB组件及锂电池进行整体灌封处理，能够经受50000g的过载冲击。本发明具有体积小、重量轻、一体化、抗高过载的优点，适合于在恶劣的发射环境中对安装体积要求严格的冲击过载测试。环境中对安装体积要求严格的冲击过载测试。环境中对安装体积要求严格的冲击过载测试。
