常樹茂，王 利，弓 楠

（西安郵電學院，西安 710061）

0 引言

在許多武器的設計過程中，彈丸在彈道飛行中的轉數是一個重要參數。多年來，國內外研究者投入了很大的精力從事這方面的研究工作。目前，國內外主要采用太陽方位角傳感器法[1]、紙靶法[2]、高速攝影法、彈底刻槽法[3]、地磁傳感器法[4]、調頻調幅法[5]等方法進行彈丸轉數的測量。

利用太陽方位角法測得的彈道長。不足是安裝要求高、抗過載能力差、測試費用高。彈底刻槽法簡單，但不適應彈底壁較薄的彈丸。調頻調幅法抗過載能力較強、可靠性較好和測試彈道較長。該方法不足是成本高。地磁傳感器法是利用地磁原理進行彈丸轉數測量的方法。其特點是測試精度較高、抗過載能力強、測試彈道長且測試成本較低。文中研究了利用地磁傳感器測試彈丸轉數的原理及測試系統(tǒng)。

1 彈丸轉數測試原理

1.1 地磁傳感器[6]

地球本身具有磁性，所以地球和近地空間存在著地磁場。地磁場磁力線的分布情況如圖1所示。由于地磁場的存在，且具有方向性，因此對于磁電式敏感元件，當其隨載體——彈丸在近地空間作旋轉飛行時，必定使敏感元件中的磁通量發(fā)生交替變化，進而產生感應電動勢，這就是地磁轉數傳感器的工作基礎。地磁傳感器實際上是由一根鐵芯上纏繞若干圈線 圈——載 流激磁線圈（鐵心由軟磁材料制作）所組成。由線圈和鐵芯組成的地磁傳感器示意圖如圖2所示。其中，傳感器軸與彈丸轉軸重合。當線圈隨彈丸一起作旋轉運動時，線圈將切割地磁磁力線，產生感應電動勢[7]：

圖1 地磁場磁力線分布

式中：N為線圈匝數；Ф為磁通量；B為地線圈和鐵芯磁場的磁感應強度；S為線圈的截面積；ω為線圈的旋轉角速度。

圖2 彈體內線圈位置示意圖

由上式可以看出，當其它參數一定時，線圈中的感應電動勢ξ將是彈丸旋轉角速度ω的函數，因此感應電動勢的周期實際上反映了彈丸的旋轉周期，通過對周期計數就可以確定彈丸轉數。

由于地磁場十分微弱，考慮到地磁場在近距離內可以近似認為磁感應強度B是不變的均勻磁場。當彈丸轉數確定時，信號幅值主要與線圈的匝數N和截面積S有關。因此在條件允許的情況下，通過增加線圈體積和匝數，可以提高傳感器的靈敏度。

1.2 彈丸轉數測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由地磁傳感器、信號放大器、模數轉換器、數據存儲器、彈體環(huán)境傳感器、系統(tǒng)電源、地面數據讀出器和數據處理軟件等組成。系統(tǒng)框圖如圖3、圖4所示。

圖3 彈丸轉數彈內系統(tǒng)框圖

盡管增加地磁傳感器線圈體積和匝數可提高其靈敏度，但由于地磁場十分微弱，一般情形下傳感器的輸出信號幅值仍較低，多為毫伏級。為了能夠滿足后續(xù)電路對信號處理的需要，使用低噪聲高增益放大器放大來自地磁傳感器的信號。轉數信號經放大并濾波后，送入模數轉換器。彈內計算機把這一數字信號以一定的采集率存入存儲器。

利用彈體從靜止到高速運動的加速度，彈體環(huán)境傳感器使彈上系統(tǒng)電源開關接通，彈內系統(tǒng)開始工作。

彈丸轉數地面數據讀取系統(tǒng)通過串行接口把存儲在彈內存儲器上的數據讀入計算機。這些原始數據再經過轉數處理軟件處理，就得到轉數曲線和轉數數據表。

圖4 彈丸轉數地面數據讀取系統(tǒng)框圖

圖5 灌封后的轉數測試裝置

圖6 轉速數據處理軟件視窗

1.3 實測數據

圖5是灌封后的彈內轉數測試裝置；圖6是彈丸轉數地面數據讀取系統(tǒng)的處理軟件視窗圖；圖7是實測彈丸轉數的一段原始曲線；圖8是處理后的彈丸落地前的一段轉數曲線。

圖7 彈丸轉數原始曲線

圖8 處理后的彈丸轉數曲線

2 實際測試中需要注意的問題

2.1 彈體對轉數測試的影響

彈體一般是鋼鐵材料制成的。這種鐵磁性材料在飛行過程中受地磁場的作用將顯示出磁性，從而對所處空間的地磁場產生影響。根據電磁場理論[8]，彈體外殼的存在只影響地磁場的強度和方向，幾乎不影響彈丸轉動過程中的角度變化量，因此對轉數測試精度的影響甚小。由于彈體外殼影響信號的幅值，不同的彈體厚度、不同的旋轉速度其地磁傳感器輸出感應電動勢的幅值是不同的。測試者必須根據不同彈種設置線圈面積、匝數、放大倍數。對于整個彈道地磁傳感器輸出感應電動勢的幅值起伏很大的情況下，可以考慮多路放大方案（每路不同的放大倍數）。

2.2 小體積彈丸轉數測試[9]

對于小體積彈丸，如果仍使用線圈式地磁傳感器，當體積減小到一定程度后，傳感器的輸出信號幅值將不能被后續(xù)電路放大處理。為了解決這一問題，測試者可以選用靈敏度更高的磁敏感元件，如磁通門、霍爾元件等。磁通門和霍爾元件均是弱磁場測量器件，而且它們的共同特點是結構簡單、體積小。只要對產品合理的設計和灌封，它們可應用于小體積彈丸上。

2.3 測試彈道的選擇

由于彈丸轉數是靠傳感器的線圈切割地磁場磁力線得到。如果彈丸的飛行軌跡恰好與地磁場磁力線重合，則不論彈丸旋轉與否，線圈都不會產生感應電動勢，即存在所謂的“盲區(qū)”。由于彈丸在飛行時的“進動”現象。其彈道實際上并不是光滑曲線，而是一條螺旋狀軌跡，因此彈道與磁力線重合的概率很小。雖然出現盲區(qū)的概率很小，測試者還是應避免測試彈道為南北方向，這是因為即使不出現盲區(qū)，地磁傳感器輸出幅值也很小，不利于測試。所以一般應選擇彈道方向為偏東西方向。

2.4 振蕩器的選擇

彈內計時精度是決定轉數精度的一個重要因素。時間精度是由彈內計算機的振蕩頻率精度決定。一般計算機使用晶振作為振蕩器，振蕩頻率精度很高，完全滿足彈丸轉數測試。但一般轉數測試中彈丸的過載都很大（大于5000g），普通晶振由于抗過載能力小無法使用?，F在市場上已有可抗15000g過載的晶振，這樣對于小于15000g過載的彈丸轉數測試，可以使用高過載晶振來保證時間精度。對于大于15000g的過載，一般使用RC振蕩器，經校準后其測試精度一般可以達到3%。

3 結束語

文中詳細闡述了利用地磁傳感器測試彈丸轉數的工作原理，并給出了彈丸轉數實際測試曲線。還提出了基于地磁傳感器彈丸轉數實際測試中需要注意的問題，給出了解決這些問題的方法。

[1]黃崢，李科杰，金連寶.火炮彈丸捷聯式地磁－太陽方位姿態(tài)測量模型研究.兵工學報，2001，22（1）：19－22.

[2]黃濤.彈丸轉速的傳感器測量方法[J].彈箭與制導學報，2002，22（4）：69－70.

[3]劉濤.輕武器彈丸轉速測試技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2005.

[4]王廣龍，祖靜.地磁場傳感器及其在飛行體姿態(tài)測量中的應用研究[J].北京理工大學學報，1999，19（3）：361－364.

[5]孫發(fā)魚，李科杰.利用無線電引信測量長路徑彈丸轉速的應用研究[J].北京理工大學學報，2001，21（2）：243－246.

[6]馬鐵華.地磁場傳感器測自旋彈飛行姿態(tài)[J].測試技術學報，1988（2）：305－307.

[7]徐文耀.地磁學[M].北京：地震出版社，2003.

[8]馬信山.電磁場基礎[M].北京：清華大學出版社，1995.

[9]趙捍東，張亞，陳宏偉.用地磁感應轉數傳感器實現引信定距方法的研究[J].探測與控制學報，2002，24（1）：57－60.