楊國(guó)歡，張曉明，2

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)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

炮口初速是測(cè)試火炮性能和彈外制導(dǎo)的重要參數(shù)之一，常規(guī)測(cè)量方法有內(nèi)測(cè)法和外測(cè)法［1］。外測(cè)法將測(cè)試儀器或者發(fā)射平臺(tái)安裝于炮管外部，具有減輕彈體重量，可減少火藥用量的優(yōu)點(diǎn)，但這些裝置在測(cè)量時(shí)，不能實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)外部環(huán)境依賴(lài)較大。如激光式測(cè)速法受氣體煙霧作用，會(huì)造成其它光學(xué)效應(yīng)，影響測(cè)量精度。而內(nèi)測(cè)法能實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)并作為彈外制導(dǎo)的參數(shù)［2～4］。然而內(nèi)測(cè)法也存在不足，例如:使用光電測(cè)速法的天幕靶只能在白天使用，而光幕靶受炮口火藥氣體、顆粒影響，影響測(cè)量精度［5～7］。

針對(duì)常規(guī)彈藥的飛行環(huán)境，本文提出基于線圈靶和磁阻傳感器相結(jié)合的方法測(cè)量彈丸炮口速度，以提高常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的自主性和快速反應(yīng)能力，為后續(xù)彈道解算提供初值。該測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、操作方便、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)速原理

測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，兩個(gè)相同匝數(shù)和相同結(jié)構(gòu)的線圈內(nèi)嵌于炮管制退器中，保證兩組線圈的中心軸線與炮管軸線中心線共線，兩組線圈相距D。將三軸磁阻傳感器組成測(cè)量系統(tǒng)盡量安裝于彈丸質(zhì)心，保證彈丸在飛行過(guò)程中三軸磁阻傳感器不會(huì)有晃動(dòng)。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of measuring device

在兩組線圈通電后，由電磁感應(yīng)原理可知線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向?yàn)槠叫杏谥仆似髦行妮S。彈丸發(fā)射后經(jīng)過(guò)第一組通電線圈時(shí)，磁阻傳感器在感知到線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)后產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，通過(guò)第二組線圈時(shí)，磁阻傳感器再次感知線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)后，產(chǎn)生第二個(gè)脈沖信號(hào)，停止計(jì)時(shí)器，根據(jù)這兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔可得到彈丸經(jīng)過(guò)兩組線圈的所用的時(shí)間Δt;根據(jù)公式(1)可以求得彈丸經(jīng)過(guò)兩個(gè)線圈時(shí)平均速度v

式中 v 為彈丸飛行出炮口的速度;D 為兩組通電線圈的距離;Δt 為定時(shí)器測(cè)得的通過(guò)兩組線圈的時(shí)間。由于相對(duì)彈丸在高速飛行狀態(tài)下，所用的時(shí)間短，距離D 也很短，可近似認(rèn)為這段距離的平均速度為彈丸炮口初度。

2 總體方案設(shè)計(jì)

如圖2 所示，兩組線圈串聯(lián)上電，彈丸飛行通過(guò)第一組通電線圈時(shí)，磁阻傳感器感知到較大磁場(chǎng)，產(chǎn)生一個(gè)較大脈沖，將此信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理(放大、濾波)后，經(jīng)A/D 采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行上下限閾值比較，若大于閾值，響應(yīng)中斷請(qǐng)求，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí);否則，繼續(xù)采集。彈丸飛行通過(guò)第二組通電線圈時(shí)，同理，磁阻傳感器感知到較大磁場(chǎng)，產(chǎn)生一個(gè)較大脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行上下限閾值比較，大于閾值時(shí)，響應(yīng)中斷請(qǐng)求，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，通過(guò)定時(shí)器計(jì)時(shí)可得彈丸飛行經(jīng)過(guò)兩組線圈的時(shí)間，實(shí)時(shí)解算出彈丸炮口速度。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)圖Fig 2 Overall scheme design

3 硬件設(shè)計(jì)

如圖3，硬件電路包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路與A/D 轉(zhuǎn)換采集單元及MCU 運(yùn)算模塊。

圖3 硬件電路模塊Fig 3 Hardware circuit module

本設(shè)計(jì)中選用Honeywell 公司研制生產(chǎn)的HMC1043三軸AMR 磁傳感器，該傳感器具有體積小的特點(diǎn)、其封裝只有3 mm×3 mm×1.4 mm，帶寬為5 MHz，可以測(cè)量500 kHz以下信號(hào)，符合在彈載測(cè)量環(huán)境中的體積小、動(dòng)態(tài)性能高的測(cè)量要求。

磁阻傳感器的放大和濾波電路如圖4 所示，AD8426 是雙通道、軌到軌型輸出的儀表放大器，并且體積較小，僅為4 mm×4 mm×0.85 mm。其中一個(gè)通道提供信號(hào)調(diào)理模塊的抬高電壓，另一通道運(yùn)用外接電阻器設(shè)置放大倍數(shù)。

圖4 傳感器信號(hào)調(diào)理電路Fig 4 Sensor signal conditioning circuit

為了使系統(tǒng)具有體積小、動(dòng)態(tài)性能高的特點(diǎn)，炮口測(cè)速系統(tǒng)MCU 選擇使用由ST 公司生產(chǎn)的Cortex—M4 內(nèi)核的高性能微型控制器STM32F405，該芯片內(nèi)部自帶集成的三個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換外設(shè)，不用外接A/D 轉(zhuǎn)換器，所以，可以達(dá)到減小系統(tǒng)體積的目的，此外，其轉(zhuǎn)換速率和分辨率等也符合測(cè)量要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖5 所示，程序主要包括系統(tǒng)初始化模塊、A/D 轉(zhuǎn)換采集模塊、定時(shí)器模塊、中斷模塊和解算模塊。模塊間通過(guò)發(fā)送命令字和返回字來(lái)控制程序的執(zhí)行過(guò)程，程序初始化后開(kāi)始擦除FLASH，然后進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)，判斷是否大于閾值，如是打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，等第二次再次達(dá)到閾值定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，最后進(jìn)行初始速度解算和存儲(chǔ)。

圖5 程序流程圖Fig 5 Program flow chart

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由產(chǎn)生磁場(chǎng)的兩組通電線圈和彈丸內(nèi)部磁傳感器的信號(hào)采集和調(diào)理電路組成。地面實(shí)驗(yàn)采用100 mm空氣炮，空氣炮激光測(cè)速儀如圖6 所示。由于實(shí)驗(yàn)條件限制沒(méi)有空氣炮炮口制退器，選用110 mm 的PVC 管代替，其口徑大小和制退器一致，PVC 管兩端分別繞上兩組線圈，每組線圈纏繞400 匝，兩組線圈相距100 mm。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示。

圖6 空氣炮激光測(cè)速儀Fig 6 Air cannons laser velocimeter

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig 7 Experimental apparatus

將線圈通電，炮彈上膛發(fā)射，采集三軸傳感器輸出數(shù)據(jù)和空氣炮測(cè)速儀數(shù)據(jù)。圖8(a)所示的激光測(cè)速儀測(cè)得的脈沖信號(hào)進(jìn)行解算后得到的炮口速度為81.525 6 m/s。將圖8(b)所示的數(shù)據(jù)事后進(jìn)行解算為81.368 7 m/s，同時(shí)將本測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算出的速度信息通過(guò)上位機(jī)讀出為81.365 0 m/s，與事后解算值相差0.003 7 m/s，與激光測(cè)速儀測(cè)得的速度相比，相對(duì)誤差相差0.197%。

圖8 試驗(yàn)后測(cè)量系統(tǒng)輸出Fig 8 Measurement system output after test

6 結(jié) 論

針對(duì)常規(guī)彈藥的飛行環(huán)境，本文提出基于線圈靶和磁阻傳感器相結(jié)合的方法測(cè)量彈丸炮口速度，通過(guò)根據(jù)炮口測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速原理，設(shè)計(jì)了炮口測(cè)速的整體方案，搭建了硬件電路和設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件。實(shí)驗(yàn)表明:基于三軸磁阻傳感器的炮口測(cè)速系統(tǒng)的誤差在0.2%以內(nèi)。該測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、價(jià)格便宜、操作方便、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)常規(guī)彈制導(dǎo)化改造中具有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 陳 新，曹從詠，劉英舜.彈丸初速膛口激光實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2002，14(1):84-86.

［2］ Gautam R C Kalonia，Amod Mitra.Laser-based projectile speed measurement system［J］.Optical Engineering，2007，46(4):044303.

［3］ 王 斌.迫擊炮彈在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、速度測(cè)試方法初探［J］.兵工標(biāo)準(zhǔn)化，1999(4):18-20.

［4］ 楊 昭.彈載測(cè)速技術(shù)研究［D］.太原:中北大學(xué)，2007.

［5］ 馬 玲，蔡征宇，程風(fēng)雷，等.毫米波測(cè)速雷達(dá)的測(cè)速原理［J］.彈道學(xué)報(bào)，2003，15(4):87-91.

［6］ 馬百雙，劉昌錦.幾種典型炮口初速測(cè)試方法比較［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32(11):53-55.

［7］ Buckner，Benjamin D，LEsperance，et al.Digital synchroballistic schlieren camera for high-speed photography of bullets and rocket sleds［J］.Optical Engineering，2013，52(8):83-105.