趙少雄,余紅英*,楊 臻

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.中北大學機電工程學院,太原 030051)

一種改進型槍械自動機測試系統(tǒng)設(shè)計

趙少雄1,余紅英1*,楊 臻2

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.中北大學機電工程學院,太原 030051)

針對傳統(tǒng)的水下槍械自動機測試系統(tǒng)存在的靈敏度低,噪聲嚴重,后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題,提出一種改進型槍械自動機測試系統(tǒng)。采用低導磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)永磁型感應(yīng)測速傳感器的鐵芯,并以漆包線纏繞坡莫合金作為感應(yīng)線圈用以增強其靈敏度,解決了傳感器因內(nèi)部鐵心線圈產(chǎn)生渦流影響測量精度的問題;利用小波變換對采集數(shù)據(jù)進行降噪處理和突變點的檢測,準確捕捉自動機運動過程。經(jīng)試驗驗證,測試結(jié)果可精確至mV,系統(tǒng)整體不穩(wěn)定度為1.65%。

參數(shù)檢測;系統(tǒng)改進;小波分析;槍械自動機

自動機是槍械武器的核心部分,其性能及工作狀態(tài)直接影響到自動武器的整體性能。因此對于自動機運動規(guī)律的研究在武器的設(shè)計及武器性能的評定方面具有重要意義。傳統(tǒng)的測試方法大多數(shù)為陸基測試環(huán)境設(shè)計,而由于水環(huán)境的特殊性,對于自動機參數(shù)的準確有效測量提出了更高要求。

現(xiàn)有的水下測試系統(tǒng)常采用線圈傳感器對自動機進行感應(yīng)測速,但是在實際使用過程中,現(xiàn)有的線圈傳感器由于靈敏度較低,常常采用大倍率放大器放大信號,極易引入水體噪聲,造成誤判誤讀,采用的模擬方式或者紙質(zhì)形式進行記錄,無法進行詳細的數(shù)據(jù)分析和回顧;并且由于傳統(tǒng)永磁感應(yīng)傳感器的鐵芯采用的是高導磁材料,造成鐵芯表層易形成渦流,導致線圈總感應(yīng)電動勢無法真實反映自動機的運動過程,損害了傳感器性能。

本文提出一種改進型水下槍械自動機測試系統(tǒng),對永磁型測速傳感器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,并對測試系統(tǒng)實現(xiàn)過程進行介紹。

1 槍械自動機測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1.1 傳感器工作原理及改進設(shè)計

測試系統(tǒng)采用永磁式感應(yīng)傳感器作為自動機運動檢測裝置,測試過程中,保持傳感器線圈與與自動機運動軌跡平行,利用安裝于自動機上的磁頭部件與線圈相互作用,完成對自動機運動的檢測。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理示意圖

當自動機運動時,安裝于自動機上的磁頭部件(永久磁鐵)與感應(yīng)線圈發(fā)生相對運動,切割磁感線,速度線圈和位移線圈隨之產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)電磁學理論,當磁頭部件以速度v穿過速度線圈時,速度線圈的磁通量隨磁頭部件的運動而變化。因為速度線圈為均勻密繞,設(shè)線圈匝數(shù)為N,磁感應(yīng)強度B(x),其中x為磁頭所在位置,線圈面積為S,線圈總的磁通量:

Φ=NB(x)S

(1)

由法拉第電磁感應(yīng)定律:

(2)

由式(2)可知,當磁頭部件在感應(yīng)線圈表面運動時,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與自動機速度v成正比。位移線圈纏繞方式采用類似矩形波纏繞方式如圖1,并且使相鄰節(jié)距略大于磁頭部件寬度,這樣纏繞使得相鄰繞組間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢正好相反,則位移線圈輸出信號為鋸齒波,磁頭部件通過一個節(jié)距所用的時間為峰-峰或谷-谷對應(yīng)的時間,自動機位移即為所經(jīng)過線圈節(jié)距的個數(shù)。

為了盡可能減少感應(yīng)渦流對線圈造成的干擾,同時提高傳感器的使用壽命,采用低導磁率材料作為傳感器鐵芯,在外框內(nèi)部采用0.47mm漆包線緊密纏繞400匝并使用;由于自動機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較小,為了提高傳感器的靈敏度,在線圈與鐵芯之間夾一層坡莫合金作為鐵芯,而坡莫合金具有在弱磁場下具備極高的導磁率和極低矯頑力的特性[3-4]。

1.2 信號調(diào)理電路

根據(jù)式(2)可知,感應(yīng)電動勢的大小與自動機速度和線圈匝數(shù)成正比關(guān)系[5]。水下測試環(huán)境中自動機速度低、速度衰減劇烈,感應(yīng)電動勢將較難測量。由實驗得出,自動機速度一般在0～20 m/s,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為(10±5)mV,若采用最大量程為±5 V、采樣精度為16 bit的采集設(shè)備進行采集,則該設(shè)備最小分辨電壓為0.1 mV,不滿足測試技術(shù)要求,數(shù)據(jù)將丟失較多細節(jié)[6]。

水下槍械測試一般在獨立的測試倉中進行,測試倉多為密封或者半密封,所有傳感器通過防水線纜引出至設(shè)備室。為了保障數(shù)據(jù)正確,一般要求采用線徑較粗阻抗低、抗干擾及防水性能較好的線纜。

考慮到感應(yīng)線圈和線纜易受到共模干擾故采用共模抑制比較大的儀表放大器。由于有用信號能量集中在低頻區(qū)域,故在放大器前級放置RC濾波器組成共模濾波電路。主運放芯片采用儀表放大器芯片OP213,其低漂移高共模抑制比為120 dB。設(shè)計的信號調(diào)理電路如圖2所示,電路可同時對速度和位移兩路信號做放大處理,通過改變電阻R11和R12的阻值改變信號放大倍數(shù),由于傳感器的輸出信號比較微弱,一般位移線圈產(chǎn)生信號需放大約400倍,速度線圈產(chǎn)生信號需放大約200倍。

圖2 信號調(diào)理電路

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

為了保證數(shù)據(jù)采集的精度和速度,數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國NI公司出品的PXI-6368數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡能夠以1 Mbit/s的速度進行16通道、16 bit精度的數(shù)據(jù)采集[7]。整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 測試結(jié)果

將制作好的傳感器安裝后對某型號水下槍進行多次射擊測試,圖4為某次測試的速度原始數(shù)據(jù)曲線,圖5為位移原始數(shù)據(jù)曲線,采樣頻率為50 kHz。橫坐標為測試時間,縱坐標為永磁感應(yīng)傳感器信號調(diào)理器輸出的自動機位移和速度信號電壓值[8]。由原始速度測試曲線可知,當自動機開始動作時,將產(chǎn)生一個正向電動勢,隨后不斷變化,最后歸零,電動勢變化即為自動機的運動過程,但是;由原始位移曲線可知,每相鄰波峰或者波谷表示自動機運動了10 mm行程。

圖4 速度原始數(shù)據(jù)曲線

圖5 位移原始數(shù)據(jù)曲線

由于水體流動等原因,原始信號有較多毛刺,并且水下槍械發(fā)射采用電磁扳機,在激發(fā)和復進時伴隨著強烈的電磁干擾,從原始速度測試曲線僅能觀察到自動機的運動和停止,不能準確觀察到自動機的開鎖,后坐到位,閉鎖,復進到位等詳細運動過程;位移測試曲線中也含有較多高頻噪聲干擾,對自動機的實際位移造成干擾,需要對數(shù)據(jù)進行進一步處理。

3 基于小波變換的測試曲線分析

對于一段平穩(wěn)信號,信號的大部分能量都處于低頻部分,只有少部分的細節(jié)會出現(xiàn)在高頻區(qū)域,但是噪聲大部分集中在高頻部分[9-10]。而對于一段非平穩(wěn)信號,頻率在整個頻域均有分布,則噪聲在頻域上是有重疊的,所以經(jīng)典的時不變方法不能適用于非平穩(wěn)信號處理和降噪[11]。

小波變換屬于時頻分析的一種,具有多變分析的特點。設(shè)U(t)施平方可積函數(shù),即U(t)∈L2(R),則U(t)的小波變換為:

(3)

式中:a>0是尺度因子,τ∈R為平移參量;則信號可以通過式(4)進行重建

(4)

3.1 小波變換對自動機波形進行降噪

小波變換實際上是將信號通過低通和高通兩組濾波器,把信號分解為低頻和高頻兩部分。采用線性小波分析法,可以通過選擇不同小波基的方法,使得在相應(yīng)坐標系統(tǒng)內(nèi)的信號同噪聲的重疊盡可能的小。由于傳感器信號非常微弱,僅為mV級別,信噪比較低,頻率集中在5Hz～15Hz之間;同時淹沒在鐵質(zhì)水箱中,水中含有較多的導磁性雜質(zhì),在射擊時由于水流流動產(chǎn)生渦流極易干擾傳感器和信號線,造成誤讀誤判,故采用小波對自動機采集數(shù)據(jù)進行降噪處理。

由原始波形可知波形有效成分均為低頻成分,同時為了避免相移造成多數(shù)據(jù)處理時對特征點的誤讀,同時綜合計算量上的考慮,對速度曲線采用對稱性較好的db6小波進行Level8分解,對位移曲線采用對稱性較好的db9小波進行Level8分解,將高頻系數(shù)全部清零以濾除高頻部分,并進行重構(gòu)。圖6、圖7為原始數(shù)據(jù)處理完成結(jié)果,圖8和圖9為自動機從運動至運動停止的局部特征顯示。由圖8可知:自動機開始運動至運動結(jié)束約耗時100ms,并且能夠清晰觀察到自動機的開鎖,后坐到位,閉鎖,復進到的運動過程;位移曲線中在射擊前后的高頻噪聲已經(jīng)得到明顯濾除,射擊前后的由于電磁扳機帶來的干擾也已經(jīng)得到有效抑制,不影響后期數(shù)據(jù)判讀。

圖6 速度曲線結(jié)果

圖7 位移曲線結(jié)果

圖8 速度曲線局部特征

圖9 位移曲線局部特征

3.2 測試系統(tǒng)整體分析

分析系統(tǒng)測量方法可知,影響待測量不確定度主要因素有[12]:采集卡A/D轉(zhuǎn)換不確定度u1,采樣頻率100 kHz產(chǎn)生不確定度u2,傳感器自身靈敏度產(chǎn)生不確定度u3,磁頭部件的不穩(wěn)定性產(chǎn)生不確定度u4。分析以上4種不確定度特點,則測量系統(tǒng)不確定度的方法采用B類評定方法[13]。

(1)采用16位數(shù)據(jù)A/D采集卡,滿量程為5 V

(5)

轉(zhuǎn)換不確定度計算,相對誤差為0.002%(對應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為[14]:

(6)

(2)采樣頻率100kHz

(7)

轉(zhuǎn)換不確定度計算,相對誤差為1.25%(對應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為:

(8)

(3)傳感器自身靈敏度

當傳感器的工作環(huán)境變化、外磁場干擾、或受到機械沖擊振動時,靈敏度會發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差公式為:

(9)

當溫度變化時,對于銅線有:dla/la=0.167×10-4,dR/R=0.43×10-2;dB/B=-0.02×10-2。

(10)

轉(zhuǎn)換不確定度計算,相對誤差為0.45%(對應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為:

(11)

(4)磁頭部件的不穩(wěn)定性

磁頭部件的不穩(wěn)定性誤差,磁頭部件的磁性除了隨工作環(huán)境溫度變化以外,還會隨著時間的推移發(fā)生變化。此時,磁頭部件的不穩(wěn)定性將成為誤差的決定性因素。根據(jù)經(jīng)驗可知,磁頭部件磁感應(yīng)強度在受到?jīng)_擊或振動作用后,約下降1%:

ΔV4=1%

(12)

轉(zhuǎn)換不確定度計算,相對誤差為1%(對應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為[15]:

(13)

合成標準不確定度:

(14)

提高合成標準不確定度置信值,確定不確定度取包含因子k=3,則系統(tǒng)不確定度為:

U=kuc=1.65%

(15)

根據(jù)B類不確定度評定方法[16],系統(tǒng)總體不確定度為1.65%,滿足系統(tǒng)不確定度為3%的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種對傳統(tǒng)永磁感應(yīng)式傳感器的改進方法,該方法通過更換鐵芯材料和加入坡莫合金的方式,有效地解決了傳統(tǒng)永磁感應(yīng)傳感器高導磁鐵芯易產(chǎn)生渦流問題;采用小波對自動機速度和位移波形進行分析,濾除了水體和擊發(fā)設(shè)備、槍械等對信號造成的干擾,同時能找到精確的特征波形時間。由測試結(jié)果可得,改進的自動機測試系統(tǒng)能過真實反映自動機的運動規(guī)律,對槍械武器的水下性能的研究提供了有力的幫助。

[1] 安寶林,包建東,王昌明,等. 基于虛擬儀器的槍械綜合測試方法研究[J]. 測試技術(shù)學報,2009,23(6):557-559.

[2] 狄長安,孔德仁,王昌明,等. 水下發(fā)射裝置后坐能量測試及特性分析[J]. 火炮發(fā)射與控制學報,2006,3(5):47-50.

[3] Poole,Patrik K,Clower Penn. Systems Approach to Autonomous Underwater Vehicle Propulsion Design[J]. Marine Technology Society Journal,2010,4(10):8-16.

[4] 周國全,孫東振,彭獲然. 基于LabVIEW平臺的新型二維微位移傳感器設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學報,2015,28(4):607-612.

[5] 楊海波,徐元欣,徐文,等. 水下移動平臺數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學報,2014,27(3):361-367.

[6] Diekhoff H. Numerical Analysis of Underwater Weapon Effectiveness and Protection System[J]. Naval Force. 2005,5(28):60-65.

[7] 徐彬. 通用型實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J]. 軟件導刊,2011,8(9):169-171.

[8] 王安騰,王程程,趙洪亮. 基于PSoC和USB音頻類的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化,2015,17(30):106-109.

[9] 宿玲玲,賽景波. 基于ADS濾波器的設(shè)計[J]. 電子器件,2013,36(3):814-819.

[10] 王瓊. 基于小波變換信號去噪方法的研究[D]. 西華大學,2006.

[11] 段煒. 基于小波變換的探地雷達信號去噪方法研究[D]. 中南大學,2008.

[12] 馬建倉,孟凡路. 多小波在振動信號降噪中的應(yīng)用[J]. 計算機仿真,2010,8(15):48-51.

[13] 王超. 測控技術(shù)在固體火箭發(fā)動機質(zhì)心測量中的應(yīng)用[D]. 西安電子科技大學,2010.

[14] 萬穩(wěn). 大尺度激光跟蹤測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京:國防科學技術(shù)大學,2012.

[15] 郭冬妮. 分子測量機宏微結(jié)合機構(gòu)的原理分析與不確定度估計[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

An Improved Design of Gun Automation Motion Measurement System

ZHAOShaoxiong1,YUHongying1*,YANGZhen2

(1.School of Computer Science and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To improve the sensitivity,reduce the noise and simplify the data processing of the gun automation motion measurement system underwater,an improved design of the measurement system is proposed. Using low permeability metal replaces the iron core of the induction sensor,and twining around the Pomo alloy as the induction coil the induction sensor’s sensitivity is enhanced. These methods solve the problem of measuring accuracy of the eddy current caused by the internal core coil. Then,the wavelet transform is used to reduce the noise and accurately capture the automatic motion process. After several tests,the results can be accurate to mV,and the system instability is 1.65%.

parameters detection;system improvement;wavelet analysis;gun automation motion

2016-0426 修改日期:2016-06-23

TP212.9

A

1005-9490(2017)03-0641-05

C:7260

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.025