弹载全弹道多参数测试仪

祁少文,范锦彪*,王 燕,马铁华

(1.电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



弹载全弹道多参数测试仪

祁少文1,2,范锦彪1,2*,王 燕1,2,马铁华1,2

(1.电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

为了准确测量引信在膛内及飞行过程的动态参数,设计了一种可置于引信内部通用、灵活的微型多参数测试仪,它具有小体积、微功耗、抗高冲击等特点。该测试仪使用了薄膜线圈和加速度传感器,成功获取了引信在膛内和发射过程的三轴加速度及转速信号。此研究对于引信、弹丸和火炮的设计和研究有着十分重要的意义。

动态存储测试;弹载测试仪;引信;薄膜线圈;转速

引信作为战斗部的关键部件,随弹头在膛内运动时一方面要经受着高膛压引起的高加速度的冲击作用,另一方面也承受着由于管身剧烈振动而引起的横向冲击载荷的作用,以及在飞行过程中高速旋转的作用。在诸多种载荷的共同作用下,引信的工作环境十分恶劣,导致引信的安全性和可靠性受其影响而下降[1-3]。为了提高引信在工作时的安全性与可靠性,需要同步测量引信飞行全过程的动态参数[4]。

以往的弹载测试系统采用测试专用ASIC芯片(如HB0202)已在多次靶场实验中成功测得了实验数据[5],但不足之处是这类专用芯片功能单一且性能不稳定,电路实现复杂,在三通道测试中多通过损失数据精度的方法来实现通道识别[6]。本文提出的弹载全弹道多参数测试仪是在以往存储测试技术发展的基础上,采用Xilinx公司的CPLD芯片和单片机为控制中心,配合性能高、功耗低的COMS模拟电路,A/D芯片及读写速度快、擦除快、容量大、功耗低的NAND结构的闪存[7],具有体积小、功耗低、精度高、性能稳定等优点,成功获取了引信在膛内和发射过程的三轴加速度及转速信号。

1 系统组成

测试仪由电池,通用电路模块,传感器,保护壳体和橡胶缓冲材料组成。使用CPLD和AVR单片机共同控制:CPLD主要用于需要同时完成的同步信号的数字逻辑,如地址发生器、时钟等相对较固定的逻辑;单片机完成一些判断、运算和控制。CPLD和单片机的组合,实现了逻辑时序的高速可靠和控制命令的简单易行。测试系统的结构如图1所示。该系统由模拟信号调理部分对传感器的输出模拟信号进行放大、滤波等处理,将模拟信号转换成为适合A/D变换器输入的信号,A/D变换器将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。CPLD和单片机共同控制A/D变换器和Flash闪存,将数字信号进行存储操作。数据存储完毕后,测试系统进入休眠状态以降低功耗。在实际使用中,装置回收后通过通信接口对测试装置记录的数据进行读取,测试数据在计算机上完成后续处理工作。这样的装置作为独立的系统能够完成数据的采集存储,将数据处理分离出来,实现了微小体积、微功耗。

图1 测试系统的总体框图

2 实现原理

根据实际需要,测试仪容量为256 M×8 bit,负延迟为4 M×8 bit,采样频率320 kHz。信号适配电路有放大、滤波两个单元。考虑到系统精度,放大单元选用的是低功耗仪表放大器INAl55。滤波部分选用的是高性能低功耗可轨到轨运放OPA2340,对放大信号进行滤波处理。选用高速高精度低功耗ADC AD7492进行模数转换,确保测试仪的低功耗和高精度。提供USB口和作为传统读数口的并口两种数据读取方式。USB接口电路选择CYPRESS的CY7C68013芯片,经实践证明,很好地满足了要求。

本系统使用三星公司的K9F1G08闪存,该闪存的特点是数据按页(2112byte)模式进行写操作,当一页数据写满闪存寄存器后,将寄存器中的数据编程到非易失性介质中,一次编程的典型时间为192 μs。弹载高速的大容量存储器通常的存取速度要达到几十MB/s以上,单片的Flash Memory无法达到要求。为了达到高速度与高容量密度兼容,采用FPDA/CPLD作为逻辑控制器和多片Flash Memory作为主存储器。针对单片Flash无法全速度连续记录采样的局限性,提出了基于多片Flash存储器的流水线存储技术,可以大大提高系统采集速度与采集容量。本设计采用AB两片Flash Memory的流水线存储技术(见图2)。

图2 两片Flash基于流水线的存储时空图

利用Flash流水线存储技术,针对Flash全写入速度较慢的局限性,提出了基于Flash流水线并行存储技术。单片Flash容量为M,平均全写入速度为fn,系统采用m行n列的网络拓扑结构。系统综合性能:总容量为M总,系统平均写入速度f总。

M总=m×n×M

(1)

f总=m×fn

(2)

由式(1)和(2)可知,系统存储总容量与总写入的速度得到了很大的改善,使Flash可以应用于高速大容量的数据采集系统。

为了能完整地记录测试信号,在电路中使用负延时来记录电路触发点以前的数据。设闪存总容量为M=256 M×8 bit,将闪存N=4 M×8 bit容量用来作为上电未触发前循环记录存储器,当检测到触发信号后,顺序记录闪存剩余的M-N存储空间,如图3所示。负延迟技术保证触发前部分重要信号可以全部记录而不漏采,确保了数据记录的完整性、有效性。

图3 基于Flash存储器的负延迟框图

记录仪用薄膜线圈式地磁传感器进行转速测量,三轴加速度计作为加速度测量器件。地磁传感器是一种柔性的薄膜线圈,该线圈可灵活地粘贴于测试装置的表面,极大地提高了地磁线圈的灵敏度、可靠性和安装适应性。薄膜线圈式地磁传感器在子弹抛撒时,切割地磁场磁力线,产生的感应电动势中包含了子弹与地磁场矢量方向的夹角信号,由此可求得子弹在空中的转等信息。由于子弹在空中做翻转运动,使得通过薄膜线圈式地磁传感器的磁通量发生变化,根据电磁感应定律可得到随磁通量变化的感应电压,这个电压同时也反映了子弹在空中翻转姿态的变化。安装在飞行体内的线圈相对地磁场运动所产生的感应电动势为:

式中,φ为磁通量,N为线圈匝数,n为通过第n匝线圈平面的磁场强度法向分量的面积分,μ为线圈芯子的磁导率,S和φ为由上述量经过计算所确定的常数因子,ωt为地磁场方向与线圈总法线方向之间角度的变化量,ω是地磁场方向与线圈总法线方向夹角变化的角速度。

由测试原理可知,一个正弦波的持续时间即为弹丸旋转一周的时间,即弹丸的转速。正弦波的过零点值、波峰值、波谷值是它的特征点。提取出这些值,通过计算它们之间的时间差,可以得出弹丸的转速。由于实测曲线的采样频率是固定的,选取相同的幅值区间,零点附近测试值的区分度要大于波峰、波谷附近测试值的区分度,因此提取零点附近的值能减小随机误差,更准确地得到转速。选取多个正弦波做平均,其平均值作为该段时间中间时刻的转速值,能进一步减小误差。

地磁线圈的短期精度不如惯性器件,但其基本不随飞行时间而累积误差,只与当地地磁场的强度有关。采用良好设计的放大器可以消除地磁线圈的噪声干扰,提高测量精度和灵敏度。地式薄膜线圈是一种结构简单、抗过载能力强的传感器件[8]。

2 测试仪的微体积设计

测试仪的微体积设计,主要从印制电路板、器件的选择、安装结构和机械外壳4个方面进行考虑。电路使用四层PCB板,模拟、数字电路分开,板上所用芯片都选择贴片封装。所需电源为两块40 mm×40 mm×5 mm、510 mAh的锂电池,所用三轴加速度计体积仅为21 mm×21 mm×23 mm。电路板和电池进行叠放,其他结构紧凑摆放,立体封装工艺,灌封环氧树脂。外壳为高强度圆柱型金属壳体。通过以上设计,整个测试仪尺寸仅为φ45 mm×50 mm。

3 软件设计

图4 逻辑流程图

以VHDL语言设计中心控制器CPLD的控制逻辑[9-10],逻辑流程图如图4所示。测试仪上电初始化以后即开始循环采样,当系统感受到超过预设值的加速度信号后给出触发信号“TR”,开始记录触发后转换次数,记满252 M×8 bit后,系统进入节能状态,等待计算机发读数指令将数据读出。

4 实测数据分析

利用上述弹载全弹道测试仪对某引信进行了多次实弹测试,成功获取了该引信在膛内和飞行过程的三轴加速度及转速参数,以下对其中一组典型数据进行分析。

4.1 引信加速度信号的实测分析

4.1.1 轴向加速度

图5为实测的轴向加速度曲线,可以看出,弹丸在膛内运动时间约为19.5 ms,在出炮时引信受到明显的振动导致加速度信号的巨大波动。把曲线展开后可知16.00 ms～16.35 ms时间内曲线的振动频率较低,这一阶段,弹丸的弹带挤入弹线;16.35 ms～18.49 ms时间内曲线震荡频率迅速升高,振幅加大,弹丸受高膛压加速,并且轴向加速度在16.42 ms附近达到膛内最大值,为11 632gn(滤波后)。18.49 ms～19.05 ms为出膛前过渡段,此阶段引信仍在膛内运动;19.05 ms～22.49 ms为出炮口段,在出炮口即19.63 ms时出现巨大振荡,正向峰值达16 160gn,负向峰值为-11 230gn,这个阶段持续时间为3.44 ms。对轴向加速度信号进行积分后得到的轴向最大速度为681.9 m/s。

图5 轴向加速度

4.1.2 径向加速度

图6 X轴径向加速度曲线

如图6和图7所示,弹丸在弹带挤入弹线和出炮口处,在径向都发生了明显的震动,震动频率及震动幅度都很大。对曲线进行滤波后得到,在炮口处,X轴径向加速度正向峰值775.5gn,负向峰值为-1 169.0gn;Y轴径向加速度正向峰值为768.5gn,负向峰值为-575gn。如果引信零件无法承受如此高的纵向冲击,就可能会导致引信失去炮口保险,发生早炸[11]。

图7 Y轴径向加速度曲线

4.2 引信转速信号的实测分析

图8(a)为引信在0～1 s内的转速信号变化过程;图8(b)为其在0～100 ms内曲线的展开,可以看出在膛内发射过程中转速变化比较复杂,最后在炮口处使得转速稳定;图8(c)为膛外转速的变化曲线,可以看出所得引信膛外转速变化在大约1 s时间内从1.764×104r/min降到1.74×104r/min。

图8 某引信在膛内和发射过程的转速信号

5 结论

本文提出的弹载全弹道测试仪,充分利用了动态存储测试技术的优势[12-15],具有小体积、低功耗、精度高等优点,能够成功的载入弹上并在恶劣的膛内环境中获取有效数据。从实测结果来看,测试系统成功获取了弹丸在内弹道各个阶段的加速度和转速参数,经实验测得的数据与理论分析情况相符。此研究对于弹丸和火炮的设计、验收及研究有着十分重要的意义。

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祁少文(1988-),男,内蒙古呼和浩特,硕士研究生,主要研究方向动态测试与智能仪器,qishaowen198888@126.com;

范锦彪(1974-),男,山西太原,博士,副教授,主要研究方向为高g值加速度计校准及高冲击测试技术,fanjinbiao@nuc.edu.cn。

Missile-BorneTesterofOverallTrajectoryandMulti-Parameter

QIShaoWen1,2,FANJinbiao1,2*,WANGYan1,2,MATiehua1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China;2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to accurately measure dynamic parameters of fuze in the chamber or during flight,a general and flexible missile-borne tester that can be placed inside the fuze was designed.It has the characteristics of small volume,low-power and high impact resistance.The tester use the thin film coil and acceleration sensors,and the three—axis acceleration,rotate speed of the fuse were successfully obtained in its launch and flight process.The study will bring great significance to fuze,projectiles and artilleries for their design,inspection and research.

dynamic memory testing;missile tester;fuze;the film coil;rotate speed

2014-01-02修改日期:2014-06-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.024

TJ43;TJ410.6

:A

:1004-1699(2014)07-0993-04