嚴 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學(xué)研究所)

基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)

嚴 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學(xué)研究所)

針對傳統(tǒng)發(fā)射藥藥型尺寸測量儀存在的問題，研制了一套基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理。采用2/1樟標準藥對系統(tǒng)測量結(jié)果進行了驗證，利用兩種藥型發(fā)射藥產(chǎn)品對測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)尺寸測量儀的測量結(jié)果進行了對比試驗，結(jié)果表明：系統(tǒng)測量結(jié)果與標準藥的總體平均值無顯著差異，測量系統(tǒng)分辨率達到1μm，量程達到0.02～100mm。

發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng) 光柵尺 孔徑 弧厚

隨著火炸藥技術(shù)的發(fā)展，新型發(fā)射藥的配方和工藝技術(shù)不斷進步。藥型尺寸作為影響火藥彈道性能的重要因素，一直是各種新型藥劑必須控制的指標之一。為了適應(yīng)不同武器發(fā)射對彈丸形狀尺寸的要求，發(fā)射藥被制成球狀、片狀、帶狀、環(huán)狀、粒狀、管狀及梅花形等；從內(nèi)孔數(shù)來看，有無孔、單孔和多孔之分。發(fā)射藥藥型尺寸的測定包括長度、寬度、弧厚、孔徑及外徑等指標。常規(guī)測量(長度測量)采用直尺、游標卡尺及百分表等工具測試，人員目測讀數(shù)并記錄[1]。除去由手工測量帶來的偶然誤差，對于非剛性的發(fā)射藥樣品，利用游標卡尺等接觸測量工具測量時，測量結(jié)果受測量工具力度的影響較大。采用藥型尺寸測量儀進行測量時，將樣品置于可調(diào)節(jié)方位的載物臺上，在高倍顯微鏡下通過目鏡十字形基線確定樣品位置，通過電子按鈕進行測量，計算機負責完成數(shù)據(jù)的儲存、處理和輸出。這種非接觸式測量儀能夠客觀、快速、準確地完成測量。

然而，現(xiàn)役發(fā)射藥藥型尺寸測量儀器大多存在一些不足，主要包括：建立在電子表格基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能不夠，數(shù)據(jù)處理繁瑣；數(shù)碼千分尺較短，單批測量藥型數(shù)量有限，不能滿足大藥量測試需要；電腦拍照圖形失真，人工修復(fù)工作量大，增加了測試的偶然誤差[2,3]。為此，筆者利用光柵測量技術(shù)開發(fā)了一套藥型尺寸測量系統(tǒng)，以擴大藥型測試量程，提高測量精度，并通過光柵尺完成量值溯源[4,5]。

1 發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)

發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)(圖1)分為光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和測試控制系統(tǒng)3部分。系統(tǒng)采用特有的光柵尺測量技術(shù)，實現(xiàn)精密測量和量值溯源，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計專用軟件，完成藥型尺寸測量系統(tǒng)的自動控制、圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和結(jié)果處理輸出功能，降低由標準藥間接溯源帶來的誤差。

圖1 發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)包括一套高精度的顯微鏡系統(tǒng)和一套光柵尺測量系統(tǒng)。通過目鏡與物鏡的合理匹配，使顯微鏡系統(tǒng)的總放大倍數(shù)最高可達100。其中，物鏡可以選擇2.5倍、10倍兩種范圍，目鏡可選10倍。

光柵尺測量系統(tǒng)利用精密光柵定量測量，和原普通標尺測試系統(tǒng)相比，其精度較高?？紤]到光柵標尺移動回位“死位移”值，設(shè)計時需預(yù)先確定并輸入校正值，降低測試誤差。光柵尺測量系統(tǒng)避免了原系統(tǒng)需要通過標準藥校正溯源的缺點，直接向最高標準溯源，因此其測量量程擴大到0.02～100mm，測試精度提高約10倍。

1.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件進行上層軟件界面的組態(tài)設(shè)計，將不同規(guī)格發(fā)射藥測試方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)先內(nèi)置。系統(tǒng)能在Windows XP操作環(huán)境下運行，窗口操作界面，包括數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)，滿足大量數(shù)據(jù)存儲和測試報告按自主設(shè)定格式輸出的要求。軟件主要功能有：

a. 用戶登錄。設(shè)定密碼進入用戶界面。

b. 藥型選擇。根據(jù)測試藥型，在預(yù)設(shè)軟件庫中選擇合適的測試藥型。

c. 藥型批次。輸入測量批次，并可加注標記，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類管理。

d. 藥型測量。進入測量界面，在預(yù)設(shè)軟件庫中先選擇測量藥型，再設(shè)置測量方法(如“一條線法”、“三條線法”等)，然后選擇需要測量的藥型長度、弧厚、孔徑及外徑等指標，完成選擇后，讀取光柵尺初始數(shù)據(jù)開始測量。

e. 數(shù)據(jù)存儲處理。共有256個批次數(shù)據(jù)存儲，可自動完成最大值、最小值、平均值的計算，并進行測量誤差和不確定度評定。

f. 用戶配置。可進行多組用戶定義管理，通過用戶優(yōu)先級的設(shè)置，限制數(shù)據(jù)查詢權(quán)限。

采用先進的數(shù)字信號系統(tǒng)代替原拍照系統(tǒng)，避免了因成像系統(tǒng)圖形失真和人工修復(fù)而帶來的測試誤差，使測試精度提高到不大于0.01mm。利用CPS-GA數(shù)據(jù)采集模塊，將圖像信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信息，通過S7-200-226 PLC控制器傳輸?shù)綔y試終端。

1.3 測試控制系統(tǒng)

將數(shù)碼千分尺與測試控制系統(tǒng)組合，測試數(shù)據(jù)用數(shù)字信號傳輸給處理軟件，以滿足不同尺寸發(fā)射藥的測量需求，實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的同時測定。

十字線刻度可調(diào)旋轉(zhuǎn)測試平臺針對藥型邊緣判斷困難的問題，將原定位盤改進為定刻度可旋轉(zhuǎn)平臺，按任意角度旋轉(zhuǎn)測量，測試數(shù)據(jù)數(shù)字信號傳入處理系統(tǒng)自動計算，從而降低測試誤差。

2 系統(tǒng)性能測試

2.1 準確度與精密度

表1 2/1樟標準藥藥型尺寸測定結(jié)果

采用t檢驗對測定結(jié)果進行評價：

當重復(fù)測量次數(shù)n=10時，自由度f=n-1=9，查tα，f表可知：

t0.05，9=2.26

t孔徑

t弧厚

因此，采用基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)進行尺寸測量未引起明顯的系統(tǒng)誤差，即所測數(shù)據(jù)的平均值與總體平均值之間不存在顯著差異。同時，孔徑和弧厚的RSD均為1%左右，說明系統(tǒng)精密度較好。

2.2 藥型尺寸測試結(jié)果

選取兩種單孔藥和一種七孔藥分別在基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)藥型尺寸測量儀上進行測量，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯诠鈻懦叩陌l(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)藥型尺寸測量儀相當，基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)的測量分辨率達到1μm，是傳統(tǒng)儀器的10倍。

表2 藥型尺寸測試結(jié)果 mm

3 結(jié)束語

筆者采用基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測量系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)射藥藥型測試的自動化與智能化，提高了測試精度，降低了測試誤差；光柵尺測量技術(shù)的應(yīng)用使測量分辨率提高到1μm；千分尺測量系統(tǒng)使測試量程擴展至0.02～100mm；經(jīng)檢驗，系統(tǒng)測定結(jié)果與標準藥的總體平均值無顯著差異，能夠滿足發(fā)射藥藥型尺寸測量要求。

[1] 王瓊林.國外槍炮發(fā)射藥技術(shù)發(fā)展概況[J].火炸藥學(xué)報,1998,21(4):54～58.

[2] 田廣豐,康建成,胥會祥,等.小型推進劑管狀裝藥藥形尺寸數(shù)字化檢測技術(shù)[J].火炸藥學(xué)報,2006,29(4):61～64.

[3] 楊均勻,袁亞雄,張小兵,等.基于圖像處理的火藥尺寸測量方法及其實現(xiàn)[J].火炸藥學(xué)報,2005,28(1):28～30.

[4] 節(jié)德剛,劉延杰,孫立寧,等.基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法[J].光學(xué)精密工程,2007,15(7):1077～1083.

[5] 黃敏.一種基于單球測量的光面環(huán)規(guī)測量方法[J].計量與測試技術(shù),2011,38(7):8.

DimensionMeasurementSystemforPropellantsBasedonGratingRuler

YAN Rui, ZHANG Ting, LIU Zhi-wei, CHEN Man,WANG Jing-na, HU Lan
(Xi’anModernChemistryResearchInstitute)

Considering the shortcomings of existing measurement systems for propellants, a grating ruler-based dimensional measurement system for propellants was developed and its overall structure and the operating principle were provided. The measuring result verified by standard 2/1 Zhang propellants shows that, as compared to the traditional dimensional measurement system, no obvious difference exists between them and the resolution of the system developed is 1μm along with the measuring ranges from 0.02 to 100mm.

dimensional measurement system for propellants, grating ruler, aperture, web

TH822

A

1000-3932(2017)04-0376-03

2016-10-25，

2017-02-25)

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項目(JSJL2015208A006)。

嚴蕊(1983-)，副研究員，從事含能材料理化分析的研究，yanrui204@126.com。