磁后坐電機檢測裝置的光電測速方法

高俊嶺，張 琦，符超群

（西安機電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

磁后坐發(fā)電機的發(fā)電性能取決于磁芯穿過線圈的速度[1]，磁后坐電機檢測裝置是專用于對磁后坐電機進行測試的裝置。該檢測裝置過去的標定方法是用馬歇特錘擊試驗機或用標準磁電機進行測試標定。馬歇特錘擊試驗機標定是用磁電機進行錘擊試驗后的電壓與檢測裝置測試出電壓進行對比，進而調(diào)整裝置，該方法雖然比較準確，但操作具有一定的難度，且調(diào)試周期較長，而且需有相關(guān)專業(yè)人員配合。而標準磁電機標定只是一種固定的標定方式，具有局限性。結(jié)合這兩種方式，就是在馬歇特錘擊試驗機和檢測裝置上對標準磁電機作多次試驗，標定檢測裝置刻度板，檢測時以檢測裝置刻度板上的刻度為準，并逐一測試。這種方法也存在一定的誤差，由于該裝置的關(guān)鍵部件鋁板長期使用應(yīng)力減小，速度與刻度板不會成線性比例。這些標定方法，給磁電機的設(shè)計帶來一定的影響，測試磁電機輸出電壓不準確，在電路中往往會出現(xiàn)輸出電壓不夠引起引信瞎火或者電壓過高燒壞電路[2]。通過了解，其他引信單位檢測磁電機的裝置，也是用馬歇特錘擊試驗機標定，目前未見有該類測試檢測裝置的文獻報道。針對這種情況，提出一種操作簡潔、方便、測試準確方法來標定檢測裝置。根據(jù)磁電機原理和檢測裝置的特點，采用光電探測方法對磁后坐電機檢測裝置進行測速標定[3]。探測方法能準確測出速度，能動態(tài)調(diào)整檢測裝置的速度。光電測速法為磁電機在引信中的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)，同時也保障了大批量磁后坐電機生產(chǎn)的安全性和可靠性。

1 磁后坐電機及其檢測裝置

1.1 磁后坐電機原理

磁后坐電機是由電樞和磁芯組成，磁芯在后坐力的作用下快速穿過電樞，通過磁通量的變化產(chǎn)生電壓。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁后坐電機的感應(yīng)電動勢的估算公式為:

式中，Δφ為磁芯通過電樞的變化的磁通量，Δt為磁芯通過電樞的時間。

式（1）中Δt與磁芯的速度有關(guān)系，而磁芯初速度越大時間就越短，輸出電壓就愈高，反之，愈小。

1.2 磁后坐電機檢測裝置

由于磁芯在電樞中的磁力很小，相對于加力板的力可以忽略不計，即加力板通過彈力打在磁芯上。加力板速度即近似于磁芯的速度。檢測裝置如圖1所示。該裝置上有3塊長短不同鋁板疊加做成加力板，3塊對齊固定在抬床上，另一長端可以自由上下抬高。支撐板一端用合頁固定在臺床上，可以左右擺動便于操作，加力板抬高放在支撐板上支撐擋板上。磁后坐電機裝置的臺床上有一圓槽可以放磁后坐電機，電樞和臺床平齊。檢測電機時，用手扳動支撐板，加力板作用在磁芯上，磁芯穿過電樞中的線圈輸出電壓。

圖1 磁后坐電機測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic setback generator testing device

2 光電測速系統(tǒng)

2.1 光電測速原理

根據(jù)磁后坐電機的原理，磁芯在后坐慣性力下穿過電樞，產(chǎn)生電壓和通過電樞的速度有關(guān)系。由于加力板作用在磁芯上，和磁芯的速度很接近。因此，為了測試磁后坐電機檢測裝置加力板作用在磁芯上的速度，給加力板自由的一側(cè)裝上一個遮光板。如圖1所示。測速裝置盒上有一個發(fā)光源（LED發(fā)光二極管）和光電二極管（探測器）。

測速裝置通電后，發(fā)光二極管產(chǎn)生光源照在光電二極管上，產(chǎn)生電流，輸出電壓脈寬信號。加力板作用磁芯以前，示波器測試該系統(tǒng)電路有高電平信號輸出（1電平）。當加力板作用在磁芯上瞬間，加力板上的遮光板切斷光通路，光電二極管無電流產(chǎn)生，電路輸出信號轉(zhuǎn)為低電平（0電平）；當遮光板完全通過時，發(fā)光二極管又照在光電二極管上，產(chǎn)生電流，輸出信號為低電平（0電平）轉(zhuǎn)為高電平（1電平），整個輸出波形為電壓脈寬信號。測時示意圖如圖2所示。

圖2 測時示意圖Fig.2 Schematic diagram of time measuring

光電測速原理框圖如圖3所示。

圖3 測速原理框圖Fig.3 Function block diagram of velocity measuring

設(shè)加力板的速度與磁芯的速度相同，速度計算公式：

d為遮光板的寬度；t為遮住光照的時間。

2.2 光電探測電路

光電測速法中用到的核心器件為光敏二極管也叫光電二極管[4]，光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止。當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強度的變化而變化。

發(fā)光二極管VD1作為光源照在光電二極管VD2上，光電二極管作為光電探測器件所接收到的光信號一般都非常微弱，還有外界輸入噪音產(chǎn)生，因此，要對這樣的微弱信號進行處理，通過放大電路輸出幅度合適、同時加上反向器取反為處理器所要求波形做準備，作為采集信號經(jīng)過d/t變換經(jīng)除法器完成運算直接將被測速度值由LCD顯示[5]。發(fā)光二極管上電阻R1起到限流作用，運算放大器U1引入電壓反饋使輸出信號穩(wěn)定（電阻 R4＞5R3），保證信號采集。圖4為測時電路圖。

圖4 光電測時電路圖Fig.4 Circuit diagram of optical electric time measuring

3 測試驗證

將光電測速裝置固定在磁后坐檢測裝置的平臺上，如圖1所示，測速裝置接上12 V的穩(wěn)壓電源，再接上示波器顯示電壓脈寬信號。將加力板抬高放到支撐板的擋上，用手扳動支撐板，加力板通過測速裝置，輸出電壓脈寬信號波形，通過示波器測出電壓脈寬信號的時間。如圖5所示。表1為示波器測時數(shù)據(jù)。

圖5 遮住光照的時間波形Fig.5 time wave of sun shading

從表1測試的波形時間經(jīng)計算對應(yīng)的加力板速度為表2數(shù)據(jù)。加力板速度在10.47～11.08 v/m，即磁芯的速度。通過統(tǒng)計學的計算[6]，遮光板寬度分別6.05，5.04，4.05 mm，其速度散布為0.15%，0.12%，0.11%。從速度的散布可以看出遮光板寬度越小速度散布越小，越接近加力板的速度。

表1 電壓脈寬波形時間Tab.1 Voltage pulse width wave time

表2 加力板速度Tab.2 Gusset plat velocity

用光電探測的方法標定既簡單方便，測量速度又精確，支撐板不需要刻度只要調(diào)節(jié)的時間在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文對磁后坐檢測裝置提出了新的標定方法，該方法采用光電探測，用核心部件光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換電信號，比過去機械測試誤差更小，調(diào)試周期更短，操作更簡單靈活。調(diào)試出的檢測裝置能更準確地測試出磁電機的電性能，為磁后坐電機的設(shè)計提供了可參考理論依據(jù)[7]。為了在實際應(yīng)用中更加便利，下一步工作可以在系統(tǒng)電路中增加數(shù)據(jù)采集電路，直接將測試的數(shù)值顯示在數(shù)碼管或顯示器上。目前，該方法的檢測裝置在生產(chǎn)和科研中已經(jīng)投入使用。

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