祁少文，范錦彪，王 燕

（1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；

2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

子母彈戰(zhàn)斗部是現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中常用的一種戰(zhàn)斗部，子母彈關(guān)鍵技術(shù)之一是拋撒，常用的拋撒方式有活塞拋撒、囊式拋撒、中心爆管拋撒等［1］。子母彈拋撒子彈過(guò)載的測(cè)量，對(duì)于檢驗(yàn)子彈的抗沖擊性和實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)定以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。采集記錄數(shù)據(jù)的方法通常采用的是存儲(chǔ)測(cè)試的方法［2-5］。存儲(chǔ)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)記錄，事后通過(guò)專用接口電路與計(jì)算機(jī)通信，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)專用軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，再現(xiàn)被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信息。在做子母彈拋撒試驗(yàn)時(shí)，往往是在裝配廠先裝配好，再通過(guò)卡車?yán)奖茍?chǎng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于裝配和路上需要時(shí)間，以及種種不確定因素的影響，考慮到電池電量的問(wèn)題，常采用爆炸現(xiàn)場(chǎng)斷線上電的方式，但由于裝配條件的限制，經(jīng)常會(huì)無(wú)意中磨斷導(dǎo)線而提前上電，在無(wú)法知情的情況下實(shí)驗(yàn)，得不到數(shù)據(jù)，并且如果走線的槽開(kāi)的稍微大些，將會(huì)改變裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的拋撒效果產(chǎn)生影響。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于光電倒置開(kāi)關(guān)的子母彈拋撒過(guò)載測(cè)試儀。

1 光電倒置開(kāi)關(guān)

1.1 光電倒置開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理

光電倒置開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光電倒置開(kāi)關(guān)是由小鋼球、光電器件（接收器、發(fā)射器）、蓋板、電路模塊、外筒和機(jī)械殼體等組成。為了抵抗高沖擊，用環(huán)氧樹(shù)脂在真空中灌封外筒。最終引出的三根線為控制上電線、電源線和地線。

圖2是光電倒置開(kāi)關(guān)的電路原理圖。光電倒置開(kāi)關(guān)的光電器件由接收器和發(fā)射器組成。發(fā)射器由發(fā)光二極管構(gòu)成，它直接把電能轉(zhuǎn)化成光能，在電極上加正向偏壓后，由于PN 結(jié)的存在，將會(huì)把部分能量轉(zhuǎn)化成光能。接收器由光敏三極管構(gòu)成，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。發(fā)射器和接收器安裝固定在同一個(gè)對(duì)光基線的殼體上，內(nèi)腔裝有小鋼球，通過(guò)小鋼球的運(yùn)動(dòng)隔斷發(fā)射器和接收器之間的光通路，使得開(kāi)光電路系統(tǒng)做出響應(yīng)，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或者斷開(kāi)。如圖1所示，豎直及水平狀態(tài)下，小鋼球不會(huì)擋住發(fā)光二極管D1發(fā)出的光線，光敏三極管Q1接收到光，導(dǎo)通，ID 拉高到VCC，通過(guò)HC4050，ON輸出低電平；倒置后小鋼球擋住D1的光線，光敏三極管接收不到光，斷開(kāi)狀態(tài)，ID 為低電平，通過(guò)HC4050，ON 輸出高電平。將ON 接到數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊中，即可作為上電開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)狀態(tài)。為了防止誤上電，在數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)定判斷ON 持續(xù)1min為低電平，才認(rèn)為是上電［6-8］。

1.2 光電倒置開(kāi)關(guān)的抗沖擊實(shí)驗(yàn)

光電倒置開(kāi)光在拋撒實(shí)驗(yàn)中要承受幾萬(wàn)g 的沖擊，能否經(jīng)受得住高沖擊，成為了測(cè)試儀的關(guān)鍵。首先，為了提高倒置開(kāi)關(guān)的抗沖擊性，在真空中用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)其進(jìn)行灌封。其次，用空氣炮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行沖擊測(cè)試?？諝馀谘b置如圖3所示，其原理是突然把壓縮的空氣釋放來(lái)推動(dòng)子彈，子彈沿管身運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行碰撞，產(chǎn)生高g 值加速度，同時(shí)用差動(dòng)式激光多普勒測(cè)試儀記錄整個(gè)過(guò)程，進(jìn)而可以得到目標(biāo)所受的加速度沖擊值。

試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)差動(dòng)激光干涉儀產(chǎn)生具有多普勒效應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)字示波器采集或直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。對(duì)該調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行頻率解調(diào)后，用相關(guān)算式即可獲得目標(biāo)所受的加速度沖擊值［9-10］。圖4為其中一次測(cè)得的加速度曲線。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該倒置開(kāi)關(guān)具有45 000 g 的抗過(guò)載能力，而一般的子母彈拋撒實(shí)驗(yàn)都在40 000 g 以下，滿足了要求。

圖1 光電倒置開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of electro-optical inversion switch

圖2 光電倒置開(kāi)關(guān)的電路原理圖Fig.2 The circuit principle diagram of electro-optical inversion switch

圖3 空氣炮裝置Fig.3 The device of air guns

圖4 其中一次測(cè)得的加速度曲線Fig.4 One of the acceleration curves

2 基于光電倒置開(kāi)關(guān)的子母彈拋撒過(guò)載測(cè)試儀

2.1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由電源、傳感器（加速度傳感器，量程據(jù)實(shí)際情況而定）、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、倒置開(kāi)關(guān)模塊、USB 接口單元、殼體、緩沖材料等部分組成。高g 值加速度傳感器用來(lái)測(cè)試子彈在拋撒過(guò)程中的沖擊過(guò)載，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊由模擬信號(hào)調(diào)理電路、A／D、鐵電存儲(chǔ)器、CPLD、單片機(jī)組成，負(fù)責(zé)拋撒過(guò)程中信息的采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。不同的測(cè)試要求，通過(guò)單片機(jī)及CPLD 來(lái)完成。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

利用倒置開(kāi)關(guān)進(jìn)行電源管理，確定上電以后，電源管理單元輸出+5V 和+3.3V，給系統(tǒng)供電，晶振送出16MHz時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，循環(huán)采樣。電路觸發(fā)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理單元，進(jìn)入A／D；在CPLD和單片機(jī)控制下，A／D采樣的數(shù)據(jù)寫入鐵電存儲(chǔ)器；鐵電存儲(chǔ)器寫滿后，CPLD 發(fā)送控制信號(hào)給電源管理單元，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存當(dāng)中，測(cè)試專用的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2.3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。模擬信號(hào)調(diào)理部分對(duì)傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合A／D 轉(zhuǎn)換器輸入的信號(hào)?？紤]到系統(tǒng)精度，放大單元選用的是低功耗儀表放大器INAl28；選用高性能低功耗可軌到軌運(yùn)放OPA2340，對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行濾波處理。A／D 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，選用高速高精度低功耗ADC AD7492進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，確保測(cè)試儀的低功耗和高精度。拋撒過(guò)程時(shí)間只有幾十ms，故測(cè)試儀容量設(shè)計(jì)為256 K×8bit，負(fù)延遲為128K×8bit，采樣頻率500kHz，記錄時(shí)間為512 ms，負(fù)延遲為256 ms，完全符合設(shè)計(jì)要求。CPLD和單片機(jī)共同控制A／D 變換器和鐵電存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。USB 接口電路選擇CYPRESS的CY7C68013，單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)通過(guò)USB芯片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

圖5 存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 The structure diagram of storage module

3 驗(yàn)證試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

如圖6所示，過(guò)載測(cè)試儀用于某型號(hào)戰(zhàn)斗部的中心管爆炸拋撒測(cè)試實(shí)驗(yàn)，中心爆管位于中心，子彈呈環(huán)形對(duì)稱兩層排列。測(cè)試系統(tǒng)裝在子彈內(nèi)，布置在離中心爆管較近的內(nèi)層。工廠裝配前，檢查倒置開(kāi)關(guān)與測(cè)試儀的采樣存儲(chǔ)模塊是否連接良好，接通系統(tǒng)的電源，系統(tǒng)立即為倒置開(kāi)關(guān)提供電源，倒置開(kāi)關(guān)進(jìn)行初始化配置，關(guān)閉采樣存儲(chǔ)模塊的模擬電路，此時(shí)測(cè)試儀的控制電路處于值更狀態(tài)，倒置開(kāi)關(guān)處在激活狀態(tài)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。裝配過(guò)程中只是相對(duì)于倒置開(kāi)關(guān)有水平的操作，不會(huì)打開(kāi)開(kāi)關(guān)。爆破前幾分鐘，子母彈倒立1min，倒置開(kāi)關(guān)判斷達(dá)到倒置條件，向存儲(chǔ)測(cè)試電路發(fā)出上電控制信號(hào)，系統(tǒng)的模擬電路得到供電，開(kāi)啟測(cè)試儀的采樣存儲(chǔ)模塊，進(jìn)入工作狀態(tài)，倒置開(kāi)關(guān)進(jìn)入待機(jī)模式，節(jié)省功耗。實(shí)驗(yàn)時(shí)戰(zhàn)斗部前端引信起爆，導(dǎo)爆索切割蒙皮，點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馀c熾熱的固體粒子經(jīng)過(guò)藥床中央傳火管上的各傳火孔噴入拋撒藥床，點(diǎn)燃拋撒藥，中心管內(nèi)拋撒藥燃燒釋放出高溫高壓氣體，當(dāng)管內(nèi)的氣體壓力超過(guò)管本身的承壓強(qiáng)度極限時(shí)，中心管爆裂。最終蒙皮破裂，子彈拋撒出母體。

圖7是中心管爆炸拋撒子彈所受沖擊過(guò)載實(shí)測(cè)曲線圖。從中可以看到，加速度測(cè)試曲線存在著一定程度上的零點(diǎn)漂移，為了減小與真實(shí)速度之間的的誤差，要先對(duì)過(guò)載曲線去除零漂。參考爆炸分析信號(hào)小波變換的處理方法，可以從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出真實(shí)的沖擊過(guò)載信號(hào)。經(jīng)過(guò)matlab濾掉過(guò)載曲線的低頻零漂以后，可以得到過(guò)載曲線如圖9所示。

從中看到，零點(diǎn)漂移已經(jīng)得到了去除。爆炸拋撒的瞬間，會(huì)有大量的高頻信號(hào)疊加在過(guò)載曲線上，因此要想得到真實(shí)的過(guò)載曲線，必須用低通濾波的方法進(jìn)行濾波處理。低通濾波的關(guān)鍵是濾波截止頻率如何選擇。通過(guò)經(jīng)典的頻譜分析和ANSYS模態(tài)分析（圖9即為通過(guò)matlab處理后的爆炸沖擊過(guò)載頻譜圖）相結(jié)合的方法選擇了低通截止頻率為4.7kHz［11-12］。

通過(guò)matlab的FIR 濾波器進(jìn)行低通濾波處理后的曲線如圖10所示，在曲線的1.4ms左右，有一個(gè)接近4 000 g的極大值，分析可知應(yīng)為中心管爆炸時(shí)子母彈開(kāi)倉(cāng)前作用到傳感器上的爆炸沖擊波。隨著子母彈開(kāi)倉(cāng)，過(guò)載值在降到0以后又迅速上升。整個(gè)過(guò)程中加速度最大值為5 942 g，脈沖寬度為大約620μs。

用matlab對(duì)子彈拋撒的加速度曲線進(jìn)行積分即可得到子彈拋撒的速度曲線，如圖11所示，可得爆炸時(shí)的拋撒速度為19.85 m／s。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了進(jìn)行準(zhǔn)確性對(duì)比，子母彈拋撒過(guò)程中使用高速攝影機(jī)對(duì)配重子彈拋撒過(guò)程進(jìn)行了拍攝，經(jīng)過(guò)專業(yè)軟件分析初速為20.35m／s。以照相機(jī)算出的速度為標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的相對(duì)誤差為：

可知該系統(tǒng)的誤差非常小，測(cè)出的數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

圖6 拋撒實(shí)驗(yàn)裝配圖Fig.6 Assembly drawing of the scatters experiment

圖7 爆炸沖擊過(guò)載實(shí)測(cè)曲線圖Fig.7 The measured curve of the explosion impact overload

圖8 經(jīng)過(guò)小波變換去除零漂的過(guò)載曲線圖Fig.8 The overload curves after the wavelet transform to get rid of zero drift

圖9 爆炸沖擊信號(hào)頻譜分析圖Fig.9 The spectrum analysis diagram of explosion impact signal

圖10 濾波后加速度曲線Fig.10 The acceleration curve after filtering

圖11 經(jīng)過(guò)matlab處理的拋撒過(guò)程速度曲線圖Fig.11 The speed curve of scatters process by matlab processing scatters process

4 結(jié)論

本文提出了基于光電倒置開(kāi)關(guān)的子母彈拋撒過(guò)載測(cè)試儀。該測(cè)試儀由光電倒置開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊組成，很好地替代了斷線上電的方式，可以完成對(duì)子彈受到的加速度的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)。驗(yàn)證試驗(yàn)表明該測(cè)試儀可以很好的完成對(duì)子母彈拋撒過(guò)程中子彈加速度的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，測(cè)出的數(shù)據(jù)真實(shí)可信。對(duì)于檢驗(yàn)子彈的抗沖擊性和實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)定以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有重要意義。下一步將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸以及信標(biāo)機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

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