楊文忠， 丁立波， 張合

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

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基于地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)的引信化學(xué)電池相對(duì)激活時(shí)間測(cè)試方法研究

楊文忠， 丁立波， 張合

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

針對(duì)小口徑引信化學(xué)電池激活時(shí)間的測(cè)試需求，提出了一種利用彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)同時(shí)記錄化學(xué)電池電壓曲線和彈道地磁信號(hào)的測(cè)試方法。給出了引信電池相對(duì)激活時(shí)間的定義和測(cè)試原理；仿真分析了突變磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法及局部地磁信號(hào)的畸變特性；給出了動(dòng)態(tài)回收試驗(yàn)方法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試方法可以獲得電池電壓上升曲線、彈丸出炮口時(shí)刻及電池相對(duì)激活時(shí)間，對(duì)優(yōu)化電池性能及提升引信作用精度有參考意義。 關(guān)鍵詞： 兵器科學(xué)與技術(shù)； 化學(xué)電池激活時(shí)間； 地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)原理； 亥姆霍茲線圈； 彈載存儲(chǔ)測(cè)試

0 引言

引信化學(xué)電池是在雙環(huán)境力下工作的一次性電源，其安全性好，可儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于攻擊短距離目標(biāo)的引信極為有利，尤其適合于雙環(huán)境力結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的引信[1]，因此國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。很多電子時(shí)間引信都以化學(xué)電池作為引信電源且以電池激活做為引信電路工作的起點(diǎn)。起點(diǎn)信號(hào)是影響電引信作用精度的重要因素之一，隨著引信定時(shí)、定距技術(shù)水平的不斷提高，電池激活時(shí)間誤差在引信作用精度影響因素中所占的比重越來(lái)越高。因此，改進(jìn)電池激活特性成為提高引信總體性能的重要途徑，而如何準(zhǔn)確測(cè)量電池激活時(shí)間則是首先要解決的問(wèn)題。

化學(xué)電池一般采用豎式極片組或疊層式結(jié)構(gòu)，電解液瓶置于豎式極片組中央。在彈丸發(fā)射的高過(guò)載作用下，激活機(jī)構(gòu)沖破電解液瓶上的塑料薄膜，電解液在彈丸高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下，迅速均勻流入豎式極片組中，并與極片發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[1]。特殊的結(jié)構(gòu)及工作方式給其激活特性的測(cè)試帶來(lái)了很大的困難，目前國(guó)內(nèi)外化學(xué)電池的性能測(cè)試主要是電壓幅值、電壓噪聲及放電時(shí)間等參數(shù)的測(cè)試，主要有兩種方法：一種是在實(shí)驗(yàn)室條件下采用雙環(huán)境力模擬裝置激活電池進(jìn)行測(cè)試，另一種是在真實(shí)發(fā)射環(huán)境下激活電池，采用彈載存儲(chǔ)或遙測(cè)方式進(jìn)行測(cè)試。文獻(xiàn)[2]介紹了一種主要用于模擬引信液體儲(chǔ)備電池在炮彈發(fā)射時(shí)后坐與旋轉(zhuǎn)的環(huán)境力模擬裝置，其關(guān)鍵的技術(shù)是安裝引信電池的彈丸碰撞到高速旋轉(zhuǎn)的木制沖擊墊上，其瞬態(tài)沖擊過(guò)程參數(shù)和彈丸轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間是否符合引信電池的測(cè)試條件；文獻(xiàn)[3]采用雙環(huán)境測(cè)試平臺(tái)模擬高沖擊和高速旋轉(zhuǎn)的電池激活條件，通過(guò)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)引信電源的一些重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)。雙環(huán)境力模擬裝置技術(shù)的瓶頸在于旋轉(zhuǎn)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及最大后坐力，目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中旋轉(zhuǎn)機(jī)最高轉(zhuǎn)速不高于20 000 r/min，最大后坐力一般只能達(dá)到幾千g，因此雙環(huán)境力模擬裝置一般只能用來(lái)測(cè)試低轉(zhuǎn)速低過(guò)載引信電池[4]。某些小口徑引信轉(zhuǎn)速達(dá)到80 000 r/min,后坐力更是高達(dá)70 000g，目前為止國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有雙環(huán)境力模擬裝置能夠模擬其激活條件，因此只能采用彈載存儲(chǔ)或遙測(cè)技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)發(fā)射試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的彈載數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地完成數(shù)據(jù)傳輸工作，且傳輸數(shù)據(jù)迅速、準(zhǔn)確、無(wú)錯(cuò)幀與丟幀現(xiàn)象，具備一定的工程實(shí)用價(jià)值；文獻(xiàn)[6]介紹了一種膛內(nèi)多路瞬態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù),在發(fā)射過(guò)程中將被測(cè)載體飛行過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)和狀態(tài)信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)下來(lái),發(fā)射后將測(cè)試儀器回收得到所需要的測(cè)試信息。彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)都能夠準(zhǔn)確記錄電池電壓曲線隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以測(cè)試電池電壓、噪聲及放電時(shí)間，但由于無(wú)法獲知彈藥擊發(fā)或出炮口時(shí)刻，因此不能給出電池的激活時(shí)間等參數(shù)。

基于彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，本文提出了一種同步采集電池電壓與彈道地磁信號(hào)的測(cè)試方法，可以給出電池電壓上升曲線與彈丸出炮口時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲知電池激活時(shí)間等參數(shù)。

圖1 化學(xué)電池激活時(shí)間曲線Fig.1 Activation time curve of chemical battery

1 化學(xué)電池相對(duì)激活時(shí)間測(cè)試方法

化學(xué)電池激活時(shí)間是指在規(guī)定的電流負(fù)載條件下，自激活機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作至電池輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱值的時(shí)間[7]。本文所述的化學(xué)電池相對(duì)激活時(shí)間是指以彈丸出炮口為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，電池電壓V達(dá)到引信電路可靠工作電壓的時(shí)間。圖1為化學(xué)電池理想激活時(shí)間曲線，tf為彈丸擊發(fā)時(shí)刻，ts為電池電壓開始上升時(shí)刻，tm為彈丸出炮口時(shí)刻，tw為電池電壓達(dá)到引信電路工作電壓時(shí)刻，t90為達(dá)到電池最大電壓90%時(shí)刻，tmax為最大電壓時(shí)刻，其中定義的相對(duì)激活時(shí)間為炮口至引信系統(tǒng)可靠工作點(diǎn)之間的時(shí)間即T=tw-tm. 激活時(shí)間大于零表示引信電路工作起點(diǎn)在彈丸出炮口之后，激活時(shí)間小于零表示引信電路工作起點(diǎn)在彈丸出炮口之前。

為了測(cè)量電池的相對(duì)激活時(shí)間，在試驗(yàn)彈丸上安裝地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，采用彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)同時(shí)采集電池電壓曲線與彈丸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交變地磁信號(hào)，根據(jù)彈道地磁信號(hào)判斷彈丸出炮口的時(shí)刻。

由于發(fā)射藥爆燃引起的強(qiáng)烈電磁干擾，膛內(nèi)和后效期內(nèi)地磁傳感器的信號(hào)呈現(xiàn)很大的不確定性，不能夠表示出彈丸出炮口的準(zhǔn)確時(shí)刻。為此，在彈道上遠(yuǎn)離炮口區(qū)的某一特定位置上疊加一個(gè)與地磁場(chǎng)方向相反的局部磁場(chǎng)，形成一個(gè)磁場(chǎng)突變區(qū)。彈丸在飛經(jīng)該磁場(chǎng)突變區(qū)域時(shí)，地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)傳感器的輸出信號(hào)將產(chǎn)生相應(yīng)的幅度和周期畸變。

將地磁信號(hào)放大并與電池電壓同步采集存儲(chǔ)，回收彈丸后對(duì)地磁信號(hào)進(jìn)行分析，可以獲得彈丸飛過(guò)磁場(chǎng)突變區(qū)域中心的時(shí)刻。由于彈丸在炮口附近每旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程的距離，彈丸從炮口飛行至磁場(chǎng)突變區(qū)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)可以通過(guò)飛行距離與導(dǎo)程的比值得出，因此從回收的彈道地磁信號(hào)中，可以通過(guò)地磁突變區(qū)域中心反推出彈丸出炮口的時(shí)刻，進(jìn)而可以分析電池激活時(shí)間等參數(shù)。

圖2 亥姆霍茲線圈三維模型Fig.2 Helmholtz coil three-dimensional model

圖3 亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Helmholtz coil magnetic field

圖4 B與X關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of B and X

圖5 疊加磁場(chǎng)波形Fig.5 Waveform of superposed magnetic field

2 疊加磁場(chǎng)的產(chǎn)生

局部磁場(chǎng)利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生。亥姆霍茲線圈是一對(duì)彼此平行且連通的共軸圓形線圈，如圖2所示。

在兩線圈內(nèi)的電流方向一致，且線圈之間距離等于線圈的半徑時(shí)，會(huì)在其公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較均勻磁場(chǎng)區(qū)，而公共軸線以外的磁場(chǎng)會(huì)迅速減小。

用多物理場(chǎng)Comsol multiphysics軟件建立亥姆霍茲線圈模型，可得到在兩線圈中心且平行于線圈方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，如圖3所示。

為了采集到比較明顯的地磁突變信號(hào)，希望產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)方向相反，強(qiáng)度相當(dāng)，因此亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)為地磁場(chǎng)的2倍，約為0.1 mT. 根據(jù)不同的線圈直徑和線圈匝數(shù)，可以計(jì)算出產(chǎn)生所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的線圈電流值。圖4為仿真所得亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度B與線圈位置X的關(guān)系曲線。

將亥姆霍茲磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)(Be=0.05mT)反向疊加可得到如圖5所示的磁場(chǎng)強(qiáng)度B與線圈位置X的關(guān)系曲線。

在均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)一個(gè)閉合線圈平面法線與地磁線呈一個(gè)角度φ,并繞平面軸線旋轉(zhuǎn)時(shí),在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):E=-Ndφ/dt，N為線圈匝數(shù)。假設(shè)地磁場(chǎng)強(qiáng)度為Be，彈丸轉(zhuǎn)速為ω，線圈面積為S,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[8-9]為

(1)

從(1)式可知，彈丸旋轉(zhuǎn)一周, 與之對(duì)應(yīng)，地磁線圈也輸出信號(hào)正弦波的一個(gè)周期，且轉(zhuǎn)速越高, 輸出電壓越大。將(1)式進(jìn)一步推導(dǎo)可得地磁線圈切割疊加磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[10]為

(2)

式中：μ為線圈芯的磁導(dǎo)率；α為線圈初始相位；Bs為疊加磁場(chǎng)強(qiáng)度。線圈半徑R不同時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)突變范圍會(huì)不同，當(dāng)α恒定時(shí)，改變R值可得到不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同線圈半徑時(shí)電動(dòng)勢(shì)變化曲線Fig.6 Curves of induction electromotive force for coils with different radii

圖6中線圈半徑R分別取15 cm、25 cm、35 cm和50 cm. 由圖6可知，隨著線圈半徑的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯突變的范圍依次增大，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)突變范圍的增大，不利于線圈中心位置的精確定位。并且線圈半徑越大，產(chǎn)生同等大小的磁場(chǎng)需要的激勵(lì)電流和線圈匝數(shù)也要增加，這會(huì)給線圈的繞制和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電源設(shè)備帶來(lái)不便。因此在考慮試驗(yàn)安全性和可行性的前提下，取線圈半徑R=15 cm.

改變線圈初始相位會(huì)改變局部磁場(chǎng)的疊加位置，因此當(dāng)線圈半徑一定時(shí)，改變相位α?xí)a(chǎn)生不同的疊加曲線，圖7為R=15 cm時(shí)，α在0 rad、π/2 rad、π rad、3π/2 rad時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化曲線。

由圖7看出：當(dāng)α分別為π/2 rad和3π/2 rad時(shí)，疊加磁場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化未經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化的周期數(shù)明顯減少，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向改變次數(shù)明顯減少；當(dāng)α分別為0 rad和π rad時(shí)，疊加磁場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化的周期數(shù)明顯，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向改變次數(shù)明顯增多。因此，無(wú)論彈丸在膛內(nèi)初始位置的相位如何，都能明顯區(qū)別和定位亥姆霍茲線圈的位置。

3 動(dòng)態(tài)回收試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)以上原理，本試驗(yàn)采用如圖8所示方案。

總體試驗(yàn)方案由彈道炮、磁靶(亥姆霍茲線圈)及回收箱組成。其中在回收靶道中距離炮口L=25 m處安裝亥姆霍茲線圈產(chǎn)生局部磁場(chǎng)，在磁靶后方一定位置放置回收箱回收彈丸。

測(cè)試方案需采集的地磁線圈切割疊加磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和電池電壓信號(hào)，通過(guò)彈內(nèi)存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)。彈內(nèi)存儲(chǔ)電路主要有信號(hào)處理模塊、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(A/D)模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊組成，其中存儲(chǔ)模塊采用具有低功耗、抗高過(guò)載特性的非易失性鐵電存儲(chǔ)器，電源模塊采用鋰電池。信號(hào)采集分為兩路：一路為電池電壓分壓后的模擬信號(hào)，另一路為地磁信號(hào)。由于測(cè)試主要關(guān)注地磁頻率信息，為了方便信號(hào)處理，對(duì)地磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形處理，存儲(chǔ)電路直接采集整形后的方波信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖9所示，彈內(nèi)存儲(chǔ)電路如圖10所示。

圖7 不同相位疊加時(shí)電動(dòng)勢(shì)變化曲線Fig.7 Curves of induction electromotive force at different phases

圖8 試驗(yàn)方案框圖Fig.8 Test scheme

圖9 系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Schematic diagram of system

圖10 彈內(nèi)存儲(chǔ)測(cè)試電路Fig.10 Storage testing and measurement circuit in shell

圖11 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電壓數(shù)據(jù)關(guān)系曲線圖Fig.11 Curves of induction electromotive force and battery voltage

圖12 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)周期變化曲線Fig.12 Periodic changing curve of induction electromotive force

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

回收彈丸后將采集到的地磁線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)和電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可以得到如圖11所示關(guān)系曲線，圖11中時(shí)間0點(diǎn)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器記錄的第一個(gè)數(shù)據(jù)。

圖11中信號(hào)在88 ms附近產(chǎn)生了明顯突變，即此刻彈丸剛好穿過(guò)亥姆霍茲線圈位置。根據(jù)圖11的數(shù)據(jù)，計(jì)算出地磁感應(yīng)信號(hào)相鄰兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔，即可得到其周期變化曲線如圖12所示。由圖12可知，信號(hào)周期有兩處異常，起點(diǎn)處的異常是由于炮口火焰干擾造成的，而彈道中的周期異常則是在經(jīng)過(guò)亥姆霍茲線圈位置時(shí)產(chǎn)生的，因此可根據(jù)第二次信號(hào)周期變化區(qū)的中點(diǎn)確定線圈中心位置。

彈丸旋轉(zhuǎn)一周、前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程的距離對(duì)應(yīng)地磁信號(hào)一個(gè)周期，根據(jù)亥姆霍茲線圈到炮口的距離L，彈丸旋轉(zhuǎn)一圈的飛行距離s，可以得到炮口到線圈位置的地磁信號(hào)周期數(shù)為n=L/s；在本試驗(yàn)中L=25 m，s=0.714 4 m,計(jì)算可得n=34.99，近似為35. 即從磁場(chǎng)突變位置向前數(shù)35個(gè)地磁周期為炮口位置。如圖13所示，61 ms時(shí)刻為炮口位置，63 ms時(shí)刻電池電壓達(dá)到5 V，即該電池相對(duì)激活時(shí)間為2 ms.

針對(duì)某引信化學(xué)電池進(jìn)行了回收試驗(yàn)共8發(fā)，回收到彈丸6發(fā)，其中1發(fā)無(wú)數(shù)據(jù)，另外5發(fā)回讀數(shù)據(jù)如表1所示。其中激活時(shí)間波動(dòng)較為明顯，除電池本身激活差異外，試驗(yàn)中存在的其他誤差有：

1)試驗(yàn)設(shè)置誤差：本試驗(yàn)中，線圈中心位置與炮口之間的距離為25 m，在布置線圈位置時(shí)存在的誤差范圍為±5 mm. 5 mm距離造成的誤差大約為5 μs，相對(duì)電池激活時(shí)間可忽略。

2)原理誤差：彈丸在飛行過(guò)程中，導(dǎo)程衰減會(huì)引起誤差，但是在25 m的范圍內(nèi)的衰減可忽略。

3)數(shù)據(jù)處理誤差：從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形及周期變化曲線中確定線圈中心位置時(shí)，電動(dòng)勢(shì)畸變最大范圍為1 ms，在10%的誤差估計(jì)范圍內(nèi)，線圈中心位置的誤差為0.05 ms.

圖13 炮口位置示意圖Fig.13 Schematic diagram of muzzle position

表1 回讀數(shù)據(jù)

綜上所述，考慮到線圈轉(zhuǎn)數(shù)近似誤差，誤差時(shí)間總和小于0.1 ms，相對(duì)化學(xué)電池激活時(shí)間，誤差在可接受范圍內(nèi)，對(duì)測(cè)試結(jié)果精度基本無(wú)影響。

5 結(jié)論

本文提出了一種利用地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)原理加局部磁場(chǎng)突變的方法，來(lái)測(cè)試小口徑電引信化學(xué)電池相對(duì)激活時(shí)間和幅值。重點(diǎn)介紹了該方法的原理和實(shí)現(xiàn)方案；給出了電池相對(duì)激活時(shí)間的定義及意義；對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的誤差來(lái)源進(jìn)行了分析。在實(shí)彈精度試驗(yàn)中補(bǔ)償了電池激活時(shí)間帶來(lái)的誤差后，引信作用精度明顯提升，證明了該方法測(cè)得的電池激活時(shí)間的精確性。本文提出的方法操作簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、精度高，可用來(lái)測(cè)試化學(xué)電池激活時(shí)間及幅值，對(duì)改善化學(xué)電池存在的問(wèn)題及提升引信作用精度有參考意義，且該方法同樣適用于旋轉(zhuǎn)彈中的其他電池激活性能測(cè)試研究。

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Testing Method for Relative Activation Time of Fuze Chemical Battery Based on Geomagnetism Turns-counting

YANG Wen-zhong， DING Li-bo， ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

A method to use the memory testing technology for the simultaneous record of the voltage curve of chemical battery and the geomagnetic signal in the trajectory is presented for the test requirement of activation time of small-caliber fuze chemical battery. The relative activation time of chemical battery and the testing principle are given. The generation method of mutation magnetic field and the distortion performance of local magnetic field are analyzed, and a dynamic recovery test method and the experimental data are given. The experimental results show that the proposed method can be use to get the voltage curve of chemical battery, the time when a projectile passes a muzzle, and the relative activation time of chemical battery, which has an important significance to optimize the cell performance and improve the precision of fuze. Key words: ordnance science and technology; battery chemistry-activation time; geomagnetism turns-counting principle; Helmholtz coil; memory testing

2016-11-07

楊文忠(1991—)，男，碩士研究生。E-mail:yangwz0727@163.com

丁立波(1977—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail: dinglibo@mail.njust.edu.cn

TJ430.6+4

A

1000-1093(2017)04-0810-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.024