裴東興，祖 靜，張 瑜，沈大偉，劉祖凡

(中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051)

0 引言

武器系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的測試，由于其測試環(huán)境的惡劣性，對于測試裝置提出了特殊的要求?；诖鎯y試的彈載電子測試儀可置于被測體體內(nèi)實時、完整記錄被測參數(shù)變化規(guī)律的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于彈藥性能和彈道的測試。這種無需引線且具有良好電磁兼容性的彈載電子測試儀在多種動態(tài)參數(shù)如各種彈箭發(fā)射、飛行、終點環(huán)境的加速度、姿態(tài)、壓力等動態(tài)參數(shù)的測試中發(fā)揮了重要的作用，成為我國多種高價值彈藥性能的主要測試手段[1－2]。文中針對目前國內(nèi)在彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測量難題進行了深入的研究，并成功應(yīng)用于多個彈載多參數(shù)測試試驗。

1 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

國外的彈載電子測試儀有著廣泛的應(yīng)用，1996年美國國防部和美國陸軍聯(lián)合提出了強化超小型遙測和傳感器系統(tǒng)(hardened subminiature telemetry and sensor system，HSTSS)計劃，以開發(fā)和演示新一代高g值遙測技術(shù)，并將這些產(chǎn)品用于測試領(lǐng)域，美國陸軍研究實驗室(ARL)、圣路易斯(德法)聯(lián)合研究所、美國阿伯丁靶場等多個武器研究和試驗的重要單位相繼發(fā)表了一系列關(guān)于彈體飛行過程中動態(tài)參數(shù)測試的技術(shù)研究和實測報告。瑞士的武器系統(tǒng)與彈藥試驗中心設(shè)計了高g值彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器FDR，其結(jié)構(gòu)緊湊(232mm × 64mm)，重量較輕(3.58kg)[3－5]。為了避免FDR的損壞，敏感的電路部分和電池(抗沖擊氧化銀電池)用一種三組分的環(huán)氧樹脂進行灌封，并用鋼外殼進行保護，并且成功測得90000g的最大加速度。

國內(nèi)在無線遙測技術(shù)領(lǐng)域也進行了大量的工作，研制的微型彈載姿態(tài)遙測系統(tǒng)成功獲取了某火箭彈的飛行參數(shù)，但是對于彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測量，無線遙測系統(tǒng)難以完成[6]。國內(nèi)的彈載存儲測試系統(tǒng)的研究始于20世紀80年代，中北大學較早開展了這方面的工作，根據(jù)彈載存儲測試的特點曾經(jīng)設(shè)計了3代專用大規(guī)模集成電路，第一代的TJ8815A、TJ8815B，第二代的HB9401、HB9402、HB9403A、HB9403B，第 三 代 的HB0201、HB0202等共8種，這些專用大規(guī)模集成電路減小了電路的體積，提出并實現(xiàn)了隨被測體運動規(guī)律的變化而自適應(yīng)、自動化的改變采樣規(guī)律的技術(shù)，在國內(nèi)外未見報道。基于以上專用大規(guī)模集成電路的使用，中北大學曾大量成功的測得彈體侵徹素混凝土靶、鋼筋混凝土靶的加速度數(shù)據(jù)以及彈丸穿透鋼質(zhì)靶板的沖擊數(shù)據(jù)和導彈、彈丸飛行的姿態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)，為彈載電子測試儀的設(shè)計積累了許多寶貴的經(jīng)驗。

2 彈載電子測試儀的總體方案設(shè)計

2.1 彈載電子測試儀的總體結(jié)構(gòu)

彈載電子測試儀的體系結(jié)構(gòu)是：把彈上動態(tài)參數(shù)測試必不可少的功能結(jié)構(gòu)部分放置到彈載電子測試儀上，而把盡可能多的功能結(jié)構(gòu)部分如接口、數(shù)據(jù)傳輸、計算機、控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、繪圖等功能部件放置在地面。再經(jīng)過特殊的校準系統(tǒng)進行校準，及專門的惡劣環(huán)境可靠性考核系統(tǒng)進行考核使其適應(yīng)彈載測試的惡劣環(huán)境。

彈載電子測試儀完成被測參量的獲取和存儲記錄，通過抗高沖擊殼體緩沖結(jié)構(gòu)的有效防護，可以提高儀器的存活性。通過專用數(shù)據(jù)通信接口，地面計算機完成對彈載電子測試儀的參數(shù)設(shè)置及實驗數(shù)據(jù)的讀取、處理、顯示。

彈載電子測試儀由電路模塊、電池、上電開關(guān)、面板、傳感器接口、通訊接口、灌封結(jié)構(gòu)、殼體緩沖結(jié)構(gòu)等組成。儀器的原理框圖見圖1，圖中傳感器1為軸向安裝的加速度傳感器;傳感器2和3為徑向安裝的加速度傳感器;傳感器4為自制的地磁傳感器;電路的核心中心控制電路采用本研究室研制的專用ASICHB0202，完成對整個測試系統(tǒng)的控制，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性采用了兩級防護結(jié)構(gòu)(見2.2關(guān)鍵技術(shù))。

圖1 彈載電子測試儀原理框圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

國中國的防護結(jié)構(gòu)：為了確保數(shù)據(jù)的可靠采集和存儲，該測試儀采用了國中國的防護結(jié)構(gòu)，即儀器的外殼采用高強度鋼以保護內(nèi)部的電路模塊，同時在儀器電路模塊內(nèi)部進一步采用高強度鋼對核心存儲部分閃存進行保護，即使電路模塊在撞擊目標時結(jié)構(gòu)損壞確保閃存內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性。

智能采樣策略：為了滿足彈上多種變化規(guī)律，采樣頻率、增益以及偏置的選擇及設(shè)置關(guān)系到能否正確獲取完整的信號和測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。測試儀采用的專用ASIC-HB0202具有多種采樣策略，可根據(jù)被測對象的特點、信號的變化規(guī)律，實時調(diào)整采樣頻率、增益及偏置等參數(shù)。

強化緩沖技術(shù)：為了確保儀器的可靠性對儀器進行強化處理，即電路模塊采用真空灌封工藝，用高強度高硬度環(huán)氧樹脂灌封，使得在高沖擊過載作用下不致因灌封材料彈塑性變形而拉斷板間的連接線和板上焊點，同時在電路模塊周圍增加合適的緩沖結(jié)構(gòu)對電路進行緩沖;為了確保測試儀在高速旋轉(zhuǎn)時各部件間沒有相對位移，設(shè)計了止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

3 實測數(shù)據(jù)分析

上述的彈載電子測試儀已在靶場進行了20余次實彈測試，成功獲取了某引信在膛內(nèi)和飛行過程的加速度及轉(zhuǎn)速參數(shù)(數(shù)據(jù)捕獲率為96%)，以下對其中一組典型數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 引信加速度信號的實測分析

圖2為利用彈載測試儀測試的某引信在膛內(nèi)及其發(fā)射過程的三軸加速度曲線。

圖2 某引信在膛內(nèi)和發(fā)射過程的加速度信號

在圖2中可以看出，Z代表軸向加速度，X和Y分別代表了兩維徑向加速度?？梢钥闯銎漭S向最大加速度為11670g;其徑向的最大加速度為7930g。

由F=ma可知，加速度跟壓力成正比，本次試驗同時通過放入式電子測壓器獲得了火炮膛壓曲線，圖3為膛壓曲線與軸向加速度曲線的比較。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)rxy公式：

式中：rxy為相關(guān)系數(shù)，Xi為 i時刻的膛壓值，Yi為i時刻的加速度值，為膛壓平均值，為加速度平均值，i=1，2，…，13，N=13。計算得膛壓曲線和軸向加速度曲線的相關(guān)系數(shù)為98.8%，說明膛壓曲線和軸向加速度一致性很高。

圖3 膛壓與軸向加速度的曲線的比較

3.2 引信轉(zhuǎn)速信號的實測分析

圖4(a)為引信在0～1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速信號變化過程;圖4(b)為其在0～100ms內(nèi)曲線的展開，可以看出在膛內(nèi)的發(fā)射過程中轉(zhuǎn)速變化比較復雜，最后在炮口處使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;圖4(c)為膛外轉(zhuǎn)速的變化曲線，可以看出所測得引信膛外轉(zhuǎn)速變化在大約1s時間內(nèi)從1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。

圖4 某引信在膛內(nèi)和發(fā)射過程的轉(zhuǎn)速信號

在發(fā)射的同時使用天幕靶對彈丸的初速進行了測量，初速為703m/s。通過對引信軸向加速度信號的積分得出了彈丸在膛內(nèi)的速度曲線，如圖5所示，計算出引信在出炮口的最大速度為697m/s。和所測的初速相差6m/s，驗證了測試數(shù)據(jù)的正確性。

圖5 彈丸在膛內(nèi)的速度曲線

4 結(jié)論

文中針對彈丸發(fā)射動態(tài)環(huán)境(高沖擊、高轉(zhuǎn)速、空間狹窄等)的測試難題，設(shè)計出了一種新型的存儲式彈載電子測試儀，論述了總體方案和關(guān)鍵技術(shù)，成功測得引信發(fā)射及飛行過程的加速度和轉(zhuǎn)速信號。經(jīng)過多次實測驗證該儀器具有很強的存活性和可靠性，能適應(yīng)于不同的彈載測試。

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[2]祖靜，馬鐵華.動態(tài)測試技術(shù)的若干進展和展望[C]∥中國兵工學會第10屆測試技術(shù)研討會，2000.

[3]Louis R Szabo，William I Osborne.Advances in digital memory telemeters for artillery projectiles，ADD090101[R].1981：321－345.

[4]Louis R Szabo，Leon H Glass.Applications of recoverable digital memory telemeters in artillery projectles，ADD100116[R].1983：217－235.

[5]孫福治.國外兵器測試技術(shù)發(fā)展綜述[J].測試技術(shù)學報，1995(1)：8－13.

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