王建軍,劉曉玲,田曉霞

摘 要:氣炮是廣泛用于研究物體撞擊速度與破壞效應(yīng)的一種動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量氣炮中彈體飛行速度方法存在的問(wèn)題,提出新型激光測(cè)速方案。通過(guò)測(cè)量彈體遮擋不同測(cè)點(diǎn)激光束的時(shí)刻,計(jì)算彈體的飛行速度。根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)做了仿真分析和標(biāo)定實(shí)驗(yàn),證明設(shè)計(jì)方案正確可行。目前,已研制成功并已應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量,極大地提高了測(cè)量的效率和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞:氣炮;激光測(cè)速;時(shí)間間隔;硬件描述語(yǔ)言;可編程器件

中圖分類號(hào):TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-121-03

Measurement of Body′s Velocity in Air Gun Based on Laser Technique

WANG Jianjun1,LIU Xiaoling2,TIAN Xiaoxia2

(1.Sichuan TOP Vocational College of Information Technology,Chengdu,611743,China;

2.Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi′an,710024,China)

Abstract:Air-gun is a dynamical experimental equipment that is widely used to study the velocity of object and damage and destructive effects.A new system is proposed to measure the body′s velocity in air-gun based on laser technique.The principle and constitution of the system are introduced in detail.Parts of the simulation and experiments are presented.The system has been applied successfully,the efficiency and accuracy of measurement are improved.

Keywords:air-gun;laser measuring velocity;time interval;hardware description language;programmable logic device

0 引 言

氣炮作為一種動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置,可廣泛用于研究物體撞擊問(wèn)題。對(duì)于物體之間的撞擊研究,已越來(lái)越受到人們的重視。例如,汽車的安全極限、生物體的生理和心理?yè)p傷、材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等。在不同撞擊速度下,物體會(huì)出現(xiàn)凹陷、嵌入、斷裂和穿洞等不同的現(xiàn)象和效應(yīng)。因而,氣炮中彈體或飛片(以后簡(jiǎn)稱彈體)的飛行速度,特別是擊中靶體的速度是衡量氣炮性能和研究靶體力學(xué)效應(yīng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

測(cè)量氣炮中彈體的飛行速度,主要有金屬探針?lè)?、電磁法和激光測(cè)速法。它們的基本原理都是通過(guò)測(cè)量彈體到達(dá)不同測(cè)點(diǎn)的時(shí)間,再用公式v=s/t計(jì)算彈體的飛行速度,但以上3種技術(shù)在工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有較大差別。金屬探針?lè)ㄊ禽^早使用的一種技術(shù),屬于接觸式測(cè)量。在每次實(shí)驗(yàn)中必須更換新探針,消耗人力物力,實(shí)驗(yàn)效率低,特別是每次實(shí)驗(yàn)探針的貼放對(duì)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性影響很大。由于是接觸式測(cè)量,故準(zhǔn)確性低。電磁法是一種非接觸性測(cè)量,但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多不足。首先它要求在靶區(qū)附近建立一個(gè)恒定的磁場(chǎng),而產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置一般都比較笨重;其次對(duì)靶體和彈體有特殊要求。例如要求靶體為非金屬材料,而彈體必須為良磁導(dǎo)體,這就限制了它的應(yīng)用范圍。激光測(cè)速法為非接觸性測(cè)量,具有系統(tǒng)穩(wěn)定,測(cè)量精度高,測(cè)速范圍大,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)由He-Ne激光器、光敏管、專用電源、記錄示波器或動(dòng)態(tài)記錄儀等組成。系統(tǒng)所用設(shè)備較多,維護(hù)和使用不便,整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)成本偏高。這里提出一種以半導(dǎo)體激光器、光敏管和專用時(shí)間間隔測(cè)量芯片為核心的激光測(cè)量系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,體積小,性價(jià)比高。

1 半導(dǎo)體激光器-光敏二極管測(cè)速的基本原理

1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器體積小,功耗低,性價(jià)比高,抗干擾能力強(qiáng),采用它和光敏二極管組成的測(cè)量系統(tǒng)具有非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)。

實(shí)際半導(dǎo)體激光器是一個(gè)激光二極管-光敏二極管(LD-PD)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的工作,半導(dǎo)體激光器包含一個(gè)PD,它可產(chǎn)生一個(gè)正比于激光束強(qiáng)度的電流,可以通過(guò)跟蹤激光管光功率的變化控制激光器的激光束強(qiáng)度電流。圖1中的電路是實(shí)際用于控制可見(jiàn)激光管輸出恒定的平均光功率。電阻R5將光電管PD的輸出電流轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓,加到由放大器組成的積分器的反向輸入端。積分器電容C1使輸出平滑,并阻止反饋回路受到影響。積分器的泄放電阻R4是為了保證在增加和減小激光器輸出的平均光功率時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。R5上產(chǎn)生的電壓與R1和R2對(duì)Vref的分壓(該分壓電壓可以通過(guò)R1與R2的值選擇進(jìn)行調(diào)整)相比較,經(jīng)A1產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)調(diào)整Q1的導(dǎo)通狀態(tài),調(diào)節(jié)流過(guò)激光器LD的電流,以達(dá)到控制激光器LD輸出光功率的目的。

圖1 控制半導(dǎo)體激光器光功率輸出原理圖

1.2 激光-時(shí)間間隔測(cè)速的基本原理

設(shè)3個(gè)間隔距離為d1,d2的光敏二極管p1,p2,p3分別對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體激光器L1,L2,L3及其發(fā)射的激光束,如圖2所示。

圖2 激光-時(shí)間間隔測(cè)速原理圖

激光器發(fā)射連續(xù)激光束,當(dāng)無(wú)彈體時(shí),光敏管輸出為高電平;當(dāng)飛行的彈體到來(lái)時(shí),其首先遮住p1,使之在時(shí)刻t1輸出為低電平;之后彈體依次遮住p2,p3使它們分別在時(shí)刻t2,t3輸出為低電平,最后到達(dá)靶體。

記錄t1,t2和t3,用這3個(gè)時(shí)間分別開(kāi)啟和關(guān)閉三個(gè)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器:計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2和計(jì)數(shù)器3,即:

n1(計(jì)數(shù)器1) = t2( 關(guān)門 )- t1( 開(kāi)門 )

n2(計(jì)數(shù)器2) = t3( 關(guān)門 )- t2( 開(kāi)門 )

n3(計(jì)數(shù)器3) = t3( 關(guān)門 )- t1( 開(kāi)門 )

又已知,計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘為τ,由它可以計(jì)算出3個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的間隔時(shí)間為τn1,τn2和τn3。

在光敏二極管機(jī)械定位后,可以測(cè)量出其間距d1,d2和d3。根據(jù)位移、時(shí)間和速度三者之間的關(guān)系,可以計(jì)算出彈體在3個(gè)區(qū)間的平均速度,即:

v1=d1/(τn1);v2=d2/(τn2);v3=d3/(τn3)

在實(shí)際工程中,這3個(gè)計(jì)算值還可以相互驗(yàn)證,并用于判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的邏輯電路及仿真

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用VHDL硬件描述語(yǔ)言,提高了設(shè)計(jì)速度,大大降低了制作和調(diào)試PCB板的時(shí)間和工作量。整個(gè)電路用Alteral公司的CPLD芯片實(shí)現(xiàn)。

2.1 VHDL語(yǔ)言描述的硬件電路

采用VHDL語(yǔ)言描述的硬件電路主要包括3組邏輯電路,其功能為M位10進(jìn)制計(jì)數(shù)器、M進(jìn)制計(jì)數(shù)器、M選一選擇器、BCD譯碼器和N-M譯碼器。圖3為其中一組功能框圖。

圖3 VHDL語(yǔ)言描述的硬件電路功能框圖

以兩路(一組)光脈沖信號(hào)為例,設(shè)啟動(dòng)信號(hào)為M位10進(jìn)制計(jì)數(shù)器的開(kāi)門信號(hào),在它到來(lái)時(shí),計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù);停止信號(hào)是關(guān)門信號(hào),在它到來(lái)時(shí),計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。M位10進(jìn)制計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)結(jié)果送到M選一選擇器。選擇器由一個(gè)M進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的進(jìn)位脈沖控制。計(jì)數(shù)結(jié)果由選擇器按每次選擇一位的方式輸出給BCD譯碼器。BCD譯碼器將數(shù)據(jù)變?yōu)長(zhǎng)ED段信號(hào),同時(shí)選擇控制信號(hào)同步送至N-M譯碼器,其中2(N-1)

系統(tǒng)的測(cè)量精度與時(shí)鐘頻率和芯片的速度有關(guān)。實(shí)際電路采用10 MHz ,即測(cè)量精度優(yōu)于0.1 μs。最大測(cè)量值由計(jì)數(shù)器的位數(shù)決定,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)為6位,即最大測(cè)量時(shí)間間隔為100 ms。另外,還設(shè)了系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),以保證在每次測(cè)量前使計(jì)數(shù)器輸出為零。

2.2 軟件仿真

首先在計(jì)算機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行功能仿真。圖4為6位計(jì)數(shù)器工作情況的仿真波形。SW1為啟動(dòng)脈沖,它在8.3 μs到達(dá)計(jì)數(shù)器(假設(shè)以仿真起點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn));SW2為停止脈沖,它在454.0 μs到達(dá)計(jì)數(shù)器,兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為:454-8.3=445.7 μs。仿真的時(shí)鐘頻率為20 MHz,計(jì)數(shù)結(jié)果為8 914,即對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為:8 914×0.2=445.7 μs。仿真結(jié)果表明,該電路的功能和時(shí)序完成正確,符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 6位計(jì)數(shù)器工作的仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定與分析

為驗(yàn)證該電路在PCB板上工作時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性和評(píng)估其工作的穩(wěn)定性,用信號(hào)源DG535對(duì)其做了標(biāo)定實(shí)驗(yàn),其原理框圖如圖5所示。標(biāo)定原理是:DG535產(chǎn)生T0,A兩路信號(hào),時(shí)間間隔ΔT可以人為設(shè)定,精度優(yōu)于1 ns,同時(shí)用數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)DG 535輸出。這樣測(cè)量顯示的數(shù)據(jù)即可以與DG 535設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,也可以用示波器來(lái)驗(yàn)證和對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路工作十分穩(wěn)定,測(cè)量重復(fù)性很好,測(cè)量結(jié)果與DG 535設(shè)定值完全吻合,最小變化值為0.1 μs(時(shí)鐘為10 MHz)。

圖5 標(biāo)定電路原理框圖

測(cè)速系統(tǒng)在氣炮上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)速系統(tǒng)在氣炮上的部分實(shí)際測(cè)量值

氣壓 /kPa2.5578.51012.515

n1121 42880 67571 67867 32561 47155 43851 457

n2116 83574 62865 69861 21055 68649 78246 220

V1 /m/s8.2312.4013.9514.8516.2718.0219.40

V2 /m/s8.6413.5015.3716.5018.1420.2921.60

說(shuō)明:d1=10 cm,d2=10.1 cm;τ=100 ns。

由表1可以看出,在撞擊至靶體之前彈體始終是處于加速狀態(tài),氣壓越高,加速現(xiàn)象越明顯。如果增加測(cè)點(diǎn)數(shù),可以詳細(xì)描述彈體在氣炮中的加速過(guò)程和驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)方程。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著所加氣壓的增高,彈體速度有明顯的增加。彈體速度和氣壓的關(guān)系基本與理論設(shè)計(jì)吻合。

影響測(cè)速結(jié)果的因素主要有:光敏器件的間距、光敏器件的響應(yīng)速度和測(cè)量電路的時(shí)鐘。經(jīng)綜合評(píng)定,給出測(cè)量系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1%。

4 結(jié) 語(yǔ)

在測(cè)量氣炮中彈體的飛行速度時(shí),激光測(cè)速較金屬探針?lè)?、電磁法更具?yōu)勢(shì)。該方法原理簡(jiǎn)單、可靠,抗干擾能力強(qiáng),能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)量。設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器、光敏管和專用時(shí)間間隔測(cè)量芯片為核心的激光測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠,能迅速讀取測(cè)量結(jié)果,操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便,特別適合非電學(xué)專業(yè)人員的使用。同時(shí)在設(shè)計(jì)專用時(shí)間間隔測(cè)量電路時(shí),采用VHDL語(yǔ)言和可編程邏輯器件,提高了設(shè)計(jì)速度,大大降低了制作和調(diào)試PCB板的時(shí)間和工作量。最后的仿真和實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)完全達(dá)到了技術(shù)要求。該系統(tǒng)已交付實(shí)際應(yīng)用,滿足了用戶的需要,取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。

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