郭尚生，吳曉穎，張萬(wàn)君

(1遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045;2裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

0 引言

研究彈丸立靶密集度試驗(yàn)和制導(dǎo)彈藥首發(fā)命中率試驗(yàn)皆采用活動(dòng)靶車進(jìn)行，靶車上安裝有6m*6m的木制靶板，射擊后，由人員利用簡(jiǎn)單測(cè)量工具對(duì)落點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，工作量大，安全性差，工作效率低，同時(shí)由于靶板太大，加之受氣候影響，經(jīng)常導(dǎo)致靶車傾覆，給試驗(yàn)帶來(lái)許多困難。若實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量彈丸落/著點(diǎn)坐標(biāo)，例可采用 CCD交互測(cè)量，需要 3臺(tái)CCD設(shè)備布置在不同的站點(diǎn)，通過(guò)交互式測(cè)量確定彈丸落點(diǎn)。但由于需要?jiǎng)佑么罅堪嘿F設(shè)備，組織和實(shí)施困難，因此在實(shí)踐中極少采用。文中針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)中存在的問(wèn)題，利用彈丸通過(guò)預(yù)定磁場(chǎng)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向能夠發(fā)生變化的特性以及磁傳感器對(duì)弱磁場(chǎng)變化感知能力來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換測(cè)量彈丸落點(diǎn)。

1 電磁定位系統(tǒng)工作原理

磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用該效應(yīng)制成的傳感器稱為磁阻傳感器。當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于磁阻傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)方向時(shí)，電阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)變化，當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離磁阻傳感器內(nèi)部磁化方向時(shí)，電阻發(fā)生變化。通過(guò)各向異性磁阻的電阻值隨周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變的特性，感知彈丸距磁阻傳感器的距離，進(jìn)而確定彈丸通過(guò)靶板時(shí)的落/著點(diǎn)位置，利用該原理測(cè)量彈丸落/著點(diǎn)位置的裝置稱為感應(yīng)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由磁阻傳感器陣列靶、通電線圈、自動(dòng)檢靶儀、數(shù)字傳輸儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中的磁阻傳感器是由各向異性物質(zhì)構(gòu)成的電橋，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)作用的情況下，若在電橋的一端加載電壓，電橋的另一端輸出電壓不變;如果有外加磁場(chǎng)的作用，磁阻傳感器的電阻會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓的變化，通過(guò)測(cè)量電壓變化，可以獲得外加磁場(chǎng)的變化情況。磁阻傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 磁阻傳感器的工作原理圖

對(duì)于一定的工作電壓，如對(duì)HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。

式中:k為磁阻傳感器靈敏度;B為待測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度;U0為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)傳感器的輸出量。

在電磁定位系統(tǒng)中，為降低地磁場(chǎng)的影響，首先繞制一定規(guī)格的線圈并通交流電建立一個(gè)弱磁場(chǎng)。該線圈半徑為a，通電電流為i，匝數(shù)為n。采用圓柱坐標(biāo)系構(gòu)建線圈在其垂直軸線上的磁場(chǎng)分析模型，該磁場(chǎng)在某一點(diǎn)M處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:

圖2 線圈靶磁場(chǎng)分析模型

式中:n為線圈匝數(shù);i為通過(guò)線圈的電流;a為線圈半徑;z為測(cè)量點(diǎn)距線圈中心的距離;r為線圈任一點(diǎn)到M點(diǎn)的距離;μ0為真空磁導(dǎo)率。

據(jù)式(3)可以計(jì)算出通電線圈不同位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)合式(1)，可計(jì)算出磁傳感器在線圈不同位置處的輸出電壓值。

當(dāng)有彈丸通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)，線圈周圍的磁場(chǎng)會(huì)隨著彈丸位置的變化發(fā)生改變。利用磁阻傳感器組成的陣列將不同位置處的磁阻變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸出，根據(jù)輸出電壓的變化，確定彈丸通過(guò)線圈的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)非接觸精確測(cè)量彈丸落/著點(diǎn)的目的。

2 電磁定位系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電磁定位系統(tǒng)為完成精確定位的功能，應(yīng)包括磁阻傳感器陣列靶、自動(dòng)檢靶儀、數(shù)字傳輸儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。系統(tǒng)工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作過(guò)程

線圈靶的作用是在線圈周圍形成弱磁場(chǎng)。利用電磁理論計(jì)算磁場(chǎng)內(nèi)不同點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)彈丸接近磁場(chǎng)時(shí)的各種情況進(jìn)行分析、設(shè)定和靜態(tài)試驗(yàn)，分析各種干擾對(duì)磁場(chǎng)的影響，著重分析典型尺寸彈丸以不同速度、不同姿態(tài)進(jìn)入磁場(chǎng)，導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的變化規(guī)律;尋找磁阻傳感器因磁場(chǎng)變化引起的輸出變化規(guī)律，為模型建立提供依據(jù)。

傳感器的作用是將彈丸經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。傳感器選取充分考慮靈敏度、測(cè)量的精度，覆蓋的范圍以及外加磁場(chǎng)變化和輸出的線性度等因素，同時(shí)要考慮其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，如對(duì)高低溫、沙塵、振動(dòng)等耐受程度，力求選擇適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高和測(cè)試范圍廣的產(chǎn)品。傳感器在靶上的布置位置，在滿足測(cè)試要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)牢固可靠，減少受彈概率。圖4即為傳感器陣列的安裝位置示意。

圖4 傳感器陣列安裝位置示意圖

自動(dòng)檢靶儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到由傳感器陣列發(fā)出的信號(hào)，并將該信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤快速的傳給數(shù)據(jù)傳輸儀器，在傳輸儀器中將信號(hào)進(jìn)行整形濾波放大等處理，利用有線或無(wú)線傳輸方式，傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是該定位系統(tǒng)的核心部分，它包括磁場(chǎng)的分布規(guī)律，磁阻變化規(guī)律和彈丸位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

靜態(tài)磁場(chǎng)的分布規(guī)律由電磁理論分析得到，根據(jù)不同位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與距線圈的距離的3次方成反比;彈丸經(jīng)過(guò)線圈時(shí)磁場(chǎng)的變化通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)中研究典型尺寸彈丸，不同彈體材料，彈丸著靶姿態(tài)、著靶速度等對(duì)磁阻變化的影響規(guī)律，建立一系列數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)磁阻變化和彈丸位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系;最后探索試驗(yàn)各種干擾因素對(duì)磁阻傳感器靈敏度和輸出的影響，利用軟件編寫(xiě)修正模型。在各種軟件的支持下，各種模型運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁阻傳感器輸出電量值的處理，得到彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)現(xiàn)利用電磁定位系統(tǒng)精確測(cè)量彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)顯示系統(tǒng)顯示結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該定位系統(tǒng)的核心在于獲得磁阻變化和彈丸位置之間精確的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為此需要對(duì)影響磁阻變化的主要影響因素進(jìn)行修正，從而需要利用軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

為克服外部復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)傳感器的信號(hào)測(cè)量的影響，在每次使用前必須對(duì)磁阻傳感器進(jìn)行置位/復(fù)位(S/R)，來(lái)保證傳感器一直處在高靈敏度模式下工作。S/R電流帶的目的是把磁阻傳感器恢復(fù)到測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度狀態(tài)，一旦傳感器被置位(或復(fù)位)，可實(shí)現(xiàn)低噪音和高靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量。由于磁阻傳感器輸出的電壓信號(hào)很低，不能夠直接進(jìn)行傳輸，因此需要利用兩到三級(jí)的放大電路對(duì)磁阻傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)放大，最終得到消除干擾的輸出信號(hào)，用于后續(xù)的分析和處理，具體的放大電路設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)[10]。

軟件模型建立的主要依據(jù)為靜態(tài)磁場(chǎng)的分布規(guī)律和電磁理論，其次為試驗(yàn)狀態(tài)下獲得的不同影響因素對(duì)定位精度影響的量化數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，擬合成相應(yīng)的關(guān)系式，最終獲得輸出和彈丸落點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電磁定位系統(tǒng)工作原理的分析和結(jié)構(gòu)探討后，認(rèn)為在一定理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ふ业綇椡栉恢煤痛抛枳兓膶?duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)彈丸落/著點(diǎn)的非接觸測(cè)量，為改變?cè)囼?yàn)研究測(cè)量手段和完善測(cè)量方法提供思路。為電磁定位系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研制奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。但該研究?jī)H限于理論分析和靜態(tài)試驗(yàn)階段，距離工程應(yīng)用仍具有一定的距離。

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