劉紅娟，沈大偉，李新娥*，卓 露

(1.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中北大學(xué)，太原030051;3.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東淄博255201)

目前，國內(nèi)外主要有三種測試膛內(nèi)加速度的方法，分別是高g值遙測技術(shù)、硬線傳輸技術(shù)和動(dòng)態(tài)存儲測試技術(shù)。硬線傳輸技術(shù)是在彈丸發(fā)射過程中，使用引線直接傳輸信號的一種測試方法，此方法對引線電纜的強(qiáng)度和收線杯的容積要求都很大，測試結(jié)果大部分在最高膛壓前后信號即中斷以至于無法達(dá)到測試預(yù)期的效果[1]，甚至在某些場合下無法引線。高g值遙測系統(tǒng)可以對遙測數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與處理，但這種方法容易在傳輸過程中引入空間無線干擾，測試精度低，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜[2－4]。

近些年隨著動(dòng)態(tài)存儲測試技術(shù)[5]在低功耗、微體積方向的不斷發(fā)展，利用存儲測試技術(shù)獲取加速度信號的方法得到了廣泛運(yùn)用[6－7]。利用此技術(shù)開發(fā)的彈載加速度測試系統(tǒng)采用測試專用ASIC芯片(如HB0202)已在多次靶場實(shí)驗(yàn)中成功測得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]，但不足之處是這類專用芯片功能單一且性能不穩(wěn)定，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在三通道測試中多通過損失數(shù)據(jù)精度的方法來實(shí)現(xiàn)通道識別[9]。本文提出的彈載高g值三維加速度測試系統(tǒng)在以往存儲測試技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)[10]上采用xilinx公司的CPLD芯片為控制中心，配合性能高、功耗低的COMS模擬電路、A/D芯片及鐵電存儲器，具有精度高、性能穩(wěn)定、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能為準(zhǔn)確分析膛內(nèi)壓力變化規(guī)律和研究沖擊載荷對火炮性能的影響提供技術(shù)支持。

1 測試系統(tǒng)工作原理

整個(gè)測試系統(tǒng)分為三部分:機(jī)械外殼、電路內(nèi)筒、傳感器內(nèi)筒。共使用三個(gè)高g值加速度傳感器，并沿X、Y、Z軸三個(gè)方向安裝在傳感器內(nèi)筒的機(jī)械外殼上。工作前，將測試系統(tǒng)安裝在彈體內(nèi)部“中心點(diǎn)”上，保證Z軸傳感器質(zhì)心與彈體軸線重合，目的是為了既不影響被測體的振動(dòng)頻率特性又將傳感器的橫向效應(yīng)降至最低[11]。工作時(shí)，測試系統(tǒng)在CPLD總控制下，傳感器將采集到的物理量轉(zhuǎn)化成電量輸出，電信號經(jīng)由信號調(diào)理電路放大濾波后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存儲，根據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)及膛內(nèi)加速度信號特點(diǎn)，采用了800 kHz的采樣頻率，系統(tǒng)在滿足內(nèi)觸發(fā)條件后，進(jìn)行有效數(shù)據(jù)存儲，存滿后，程序控制模擬部分下電。發(fā)射完成后，將裝置收回，連接到上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

2 測試系統(tǒng)微體積設(shè)計(jì)

存儲測試技術(shù)微體積設(shè)計(jì)中，主要考慮機(jī)械外殼設(shè)計(jì)、印制電路板大小及各部件安裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面的因素[12]。對于本系統(tǒng)根據(jù)膛內(nèi)加速度信號有效采樣時(shí)間只在幾十毫秒內(nèi)，信號存儲量小等特點(diǎn)，盡量簡化電路組成結(jié)構(gòu)并對電路板進(jìn)行模塊化、多層板設(shè)計(jì)。電路板分別由數(shù)字板、模擬板和傳感器調(diào)理板組成，三塊板疊放在電路內(nèi)筒中，并選購兵器204所的988加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)小型化，整個(gè)測試裝置結(jié)構(gòu)尺寸為φ25 mm×50 mm。

3 測試系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

電池是存儲測試系統(tǒng)中唯一的供能裝置，電池的體積直接影響整個(gè)系統(tǒng)的大小，所以節(jié)能是動(dòng)態(tài)測試技術(shù)永恒的話題。在存儲技術(shù)的發(fā)展中主要通過選擇低功耗芯片(如模擬電路選擇功耗低的靜態(tài)CMOS芯片)和對電路的供電狀態(tài)進(jìn)行合理規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，采用分區(qū)/分時(shí)電源管理技術(shù)有效地控制功率消耗，配合使用CD4013和LP5996，對電路的數(shù)字和模擬部分按需上電，分開供電，來降低系統(tǒng)功耗，方法如下。

LP5996是具有兩個(gè)使能端的電源管理芯片，可分別控制兩路電源輸出。CD4013由兩個(gè)獨(dú)立工作的D觸發(fā)器組成，如圖2和圖3所示。

圖2 CD4013中D觸發(fā)器1

圖3 CD4013中D觸發(fā)器2

如圖中所示，ON負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電，OFF負(fù)責(zé)系統(tǒng)全局下電;ONA控制LP5996其中的一個(gè)使能端，負(fù)責(zé)數(shù)字電路部分上電，ONB控制LP5996另一個(gè)使能端，負(fù)責(zé)模擬電路部分上電;TC信號是存儲器記滿后由CPLD發(fā)出的，負(fù)責(zé)模擬電路下電。通過圖中可知，需要上電時(shí)，只需給ON一個(gè)高脈沖，便可通過ONA經(jīng)過電容式置位電路改變ONB的狀態(tài)，上電過程便于操作且降低了引入噪聲的概率。系統(tǒng)工作各狀態(tài)的供電情況如下圖4所示，其中VCC為電池電源，VDD為數(shù)字電源，VEE為模擬電源。

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

系統(tǒng)在各工作狀態(tài)的功耗情況如下表1所示。

表1 系統(tǒng)功耗

4 測試系統(tǒng)觸發(fā)方式設(shè)計(jì)

在存儲測試系統(tǒng)中，通過觸發(fā)技術(shù)使系統(tǒng)進(jìn)入有效數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中，由于測試裝置安裝在被測彈體內(nèi)部，無法從外部提供觸發(fā)信號，火炮發(fā)射過程中炮膛內(nèi)的惡劣環(huán)境難免會對信號產(chǎn)生干擾，而且內(nèi)彈道階段持續(xù)時(shí)間極短，為保證觸發(fā)精度，防止誤觸發(fā)，本設(shè)計(jì)采用了多次比較內(nèi)觸發(fā)方式，通過對CPLD進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。基本原理是對軸向測得的加速度信號值與設(shè)定的觸發(fā)值進(jìn)行比較，當(dāng)軸向加速度信號值連續(xù)比較三次均大于設(shè)定的觸發(fā)值時(shí)，則判定為滿足觸發(fā)條件，比較計(jì)數(shù)器會產(chǎn)生觸發(fā)信號，驅(qū)動(dòng)負(fù)延遲計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)由循環(huán)采樣存儲狀態(tài)進(jìn)入采樣存儲狀態(tài)。

此觸發(fā)方式使電路完全適應(yīng)環(huán)境信號，觸發(fā)點(diǎn)即為第一個(gè)采樣點(diǎn)，記錄采樣過程數(shù)據(jù)的存儲器起點(diǎn)地址是隨機(jī)的且僅取決于被測信號。用延遲計(jì)數(shù)器作為采樣過程控制因子，采用延遲計(jì)數(shù)器加比較器來實(shí)現(xiàn)靈活的延遲設(shè)置，負(fù)延遲時(shí)間靈活可控。有效數(shù)據(jù)記錄完整準(zhǔn)確，保證了數(shù)據(jù)的精確度。所有過程全部由CPLD實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)且減少了硬件電路數(shù)量，縮小了整個(gè)系統(tǒng)的體積。

5 實(shí)測結(jié)果

上述高g值三維加速度測試系統(tǒng)已在靶場進(jìn)行了實(shí)彈測試，成功獲取了某引信在膛內(nèi)及其發(fā)射過程中的加速度參數(shù)。

5.1 軸向加速度

圖5 軸向加速度曲線

如圖5所示，在0～2 ms中，軸向加速度曲線振蕩頻率較低，這一階段，彈丸的彈帶擠入彈線;2 ms～14 ms中，曲線震蕩頻率迅速升高，振幅加大，并且在6 ms處受到膛內(nèi)最大壓力，軸向加速度達(dá)到最大值8 466 gn(濾波后);14 ms～19 ms中，曲線振蕩頻率又逐漸降低;19 ms～23 ms中，曲線又出現(xiàn)明顯震蕩，此時(shí)，彈丸出炮口，持續(xù)時(shí)間5 ms。對軸向加速度信號進(jìn)行積分后得到的軸向最大速度為600.599 m/s。

5.2 徑向加速度

如圖6和圖7所示，彈丸在彈帶擠入彈線，和出炮口處在徑向都發(fā)生了明顯的震動(dòng)，震動(dòng)頻率及震動(dòng)幅度都很大，對曲線進(jìn)行濾波后得到，在炮口處，X軸徑向加速度正向峰值為1 950 gn，負(fù)向峰值為－1 040 gn;Y軸徑向加速度正向峰值為1 060 gn，負(fù)向峰值為－966 gn;如果引信零件無法承受如此高的縱向沖擊，就可能會導(dǎo)致引信失去炮口保險(xiǎn)，發(fā)生早炸。

圖6 X軸－徑向加速度曲線

圖7 Y軸－徑向加速度曲線

6 結(jié)論

本文提出的彈載高g值三維加速度測試系統(tǒng)，充分利用了動(dòng)態(tài)存儲測試技術(shù)的優(yōu)勢，具有小體積、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠成功的載入彈上并在惡劣的膛內(nèi)環(huán)境中獲取了有效數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)與理論分析情況相符，從實(shí)測結(jié)果來看測試系統(tǒng)成功獲取了彈丸在內(nèi)彈道各個(gè)階段的加速度情況。此研究對于彈丸和火炮的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及研究有著十分重要的意義。

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