一種線圈靶標定裝置的設計

陳國棟，王召巴，陳友興

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

測定彈丸飛行速度，尤其彈丸初速，對于彈道的分析和研究，具有重要的理論意義和實際意義。目前，國內外最常用的是非接觸式測量系統(tǒng)，如線圈靶、天幕靶、光幕靶和聲靶等［1－2］。由于線圈靶操作簡便，而且受外界約束條件小，所以在靶場得到廣泛使用。

在利用線圈靶對彈丸進行測速時，有時測速的結果會出現(xiàn)錯誤。而錯誤的原因可能是多方面的，無法判斷線圈靶系統(tǒng)自身是否出現(xiàn)故障。通過對線圈靶系統(tǒng)的標定就能夠明確的斷定線圈靶自身是否出現(xiàn)問題。在實彈測速以前，也可以預先使用線圈靶標定裝置來驗證整個線圈靶系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)以及其測量精度是否達到現(xiàn)場測速要求，來保證現(xiàn)場實彈測速的順利進行。針對上述問題，本文設計了一種線圈靶標定裝置，分析了時標信號發(fā)生器施加給電磁發(fā)生器激勵信號的幅值及頻率大小對線圈靶產生的感應信號的影響，并經(jīng)實驗驗證了該標定裝置的有效性。

1 線圈靶測速原理

線圈靶是利用電磁感應原理制作的區(qū)截裝置。要求待測運動體必須是導磁體，線圈靶分感應式線圈靶和勵磁式線圈靶兩種。前者需將彈丸事先磁化，當它穿過線圈靶時，造成線圈內磁通量變化，在線圈內產生感應電動勢，形成區(qū)截信號。后者有兩組線圈，內層為勵磁線圈，工作時通入直流勵磁電流，產生一個恒定磁場。外層為感應線圈，被測彈丸不需事先磁化，當彈丸穿過線圈時，造成感應線圈的磁通變化，產生感應電動勢，形成區(qū)截信號。用1對線圈靶與1臺計時儀相配用構成的測速系統(tǒng)如圖1所示。

當彈丸通過線圈靶1時，線圈內磁通量發(fā)生變化產生區(qū)截信號e1，計時儀在此信號的激勵下開始計時；當彈丸穿過線圈靶2時，產生區(qū)截信號e2，計時儀停止工作。計時儀所記錄的時間為彈丸飛過間距為X的兩靶的時間Δt，則彈丸在此間距上的平均速度可以計算出來，即：

信號曲線如圖2所示。

2 標定裝置設計

線圈靶測速標定裝置整體框圖如圖3中虛線框內所示。此標定裝置由自制的便攜式時標信號發(fā)生器以及兩個自制的電磁發(fā)生器所組成。根據(jù)前面介紹的線圈靶的測速原理，實際磁化彈丸穿過線圈靶時，線圈靶產生的區(qū)截信號即線圈靶感應信號是一個類似于正弦波的感應信號，該正弦波的幅值和頻率大小與實際彈丸的大小、彈丸的磁化強度、彈丸速度以及線圈靶自身的結構等有關。針對不同彈丸，目前靶場所用線圈靶所感應回來的類正弦波信號的頻率范圍在0.5～8kHz之間，幅值范圍在0～12V之間。整個標定裝置的設計所要達到的效果就是能夠使線圈靶兩端產生與真實磁化彈丸穿過線圈靶時相同的類正弦波感應信號，用此信號作為區(qū)截信號來觸發(fā)計時儀，進而實現(xiàn)對線圈靶的標定。

其具體工作原理是：將兩個電磁發(fā)生器分別放置于兩個線圈靶平面的中心，通過時標信號發(fā)生器來產生兩路具有一定時間間隔Δt的一個周期的具有相同頻率和幅度的正弦波電壓信號，然后將這兩路信號分別加到電磁發(fā)生器1與電磁發(fā)生器2兩端，電磁發(fā)生器會產生變化的磁場，從而激勵線圈靶兩端產生與真實所測彈丸穿過線圈靶時同樣幅值和頻率的類正弦波感應信號，然后用兩靶的感應信號來觸發(fā)計時儀，分別作為計時儀的啟動信號和停止信號，最后，看計時儀所記錄的時間與時標信號發(fā)生器產生的兩路正弦波電壓信號的時間間隔Δt是否相等來判斷線圈靶是否處于正常工作狀態(tài)，實現(xiàn)對線圈靶的標定。Δt范圍為10～80ms，與實際彈丸在兩靶之間的飛行時間相一致，時標信號發(fā)生器產生的正弦波的頻率范圍為0.5～8kHz，幅值范圍為0～12V。

2.1 時標信號發(fā)生器原理框圖

由于計時儀的計時精度為1μs，因此，為了保證整個線圈靶標定的精度，本文所設計的時標信號發(fā)生器產生的正弦波模擬電壓信號的時間精度為0.1μs。整個電路的主要部分采用可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)，并且要求其他所選芯片的響應時間能夠小于0.1μs。整個時標信號發(fā)生器電路原理框圖如圖4中虛線框內所示。

其具體工作過程為：撥動時間間隔旋鈕，產生機器編碼，CPLD通過識別此編碼，根據(jù)其代表的時間間隔Δt來產生兩路獨立的觸發(fā)信號a1、a2，在觸發(fā)信號a1時刻，CPLD根據(jù)正弦波頻率和幅度按鈕所選擇的檔位從外部RAM中取出對應的經(jīng)0.1μs的采樣間隔8位數(shù)字化后的正弦波數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)以0.1μs的時間間隔輸出給D／A1，并經(jīng)后續(xù)運算放大器和功率放大器后生成相應頻率和幅度的正弦波電壓信號，以此信號來激勵電磁發(fā)生器1；同理，在觸發(fā)信號a2時刻，CPLD控制D／A2并經(jīng)后續(xù)的運算放大器和功率放大器后產生同樣的正弦波電壓信號，來激勵電磁發(fā)生器2。工作時序圖如圖5所示。

2.2 電磁發(fā)生器結構圖

如圖6所示，電磁發(fā)生器的主要結構為纏有鐵芯的線圈。將電磁發(fā)生器放置在線圈靶平面中心，通過時標信號發(fā)生器給電磁發(fā)生器線圈兩端施加正弦波激勵信號時，線圈周圍會產生變化的磁場，導致線圈靶的磁通量發(fā)生變化，所以線圈靶兩端就會產生出感應信號。當不施加激勵信號時，則磁場會立刻消失，線圈靶兩端的感應信號也會隨之而消失。

3 激勵信號的幅值及頻率大小對線圈靶感應信號的影響

根據(jù)整個線圈靶標定裝置的構成，時標信號發(fā)生器施加給電磁發(fā)生器的正弦波激勵信號的幅值及頻率大小、電磁發(fā)生器的內部結構（鐵芯材料、線圈匝數(shù)、繞制線圈的漆包線直徑）及電磁發(fā)生器在線圈靶平面的放置位置等等都會對線圈靶的感應信號產生影響。

下面具體分析時標信號發(fā)生器施加給電磁發(fā)生器的正弦波激勵信號的幅值及頻率大小對線圈靶產生的感應電動勢的影響。

將電磁發(fā)生器（由Ф0.3mm的漆包線繞制直徑為22mm的圓柱形鐵芯900匝而成，鐵芯材料選用鐵鎳合金）放置在靶圈直徑為560mm的線圈靶平面中心，用時標信號發(fā)生器給其兩端施加正弦波電壓信號時，由采樣 速率為250kHz，采樣長度為3×103個數(shù)據(jù)點的瞬態(tài)波形存儲器記錄的線圈靶感應信號如圖7所示。

從圖7中可以看出，感應信號為一類正弦波信號，與真實磁化彈丸穿過線圈靶時線圈靶的感應信號一致。當時標信號發(fā)生器施加相同頻率和不同幅值的正弦波激勵時，經(jīng)實驗得到的線圈靶感應信號幅值A2同激勵信號幅值A1的關系曲線如圖8所示。

從圖8可看出，線圈靶感應信號的幅值與激勵信號的幅值成正比例線性變化關系，比例系數(shù)為0.057。同理，用時標信號發(fā)生器施加幅值相同、頻率不同的正弦波激勵時，用同樣方法得到的線圈靶感應信號的頻率f2同激勵信號頻率f1的關系曲線如圖9所示。從圖9可看出，線圈靶感應信號的頻率大小與激勵信號的頻率大小相同。

4 標定裝置可行性實驗驗證

在靶場用靶圈直徑為560mm的一對線圈靶對炮彈進行現(xiàn)場測速以前，用本文介紹的線圈靶標定裝置對該線圈靶進行了現(xiàn)場標定實驗。由于所測炮彈磁化后穿過該尺寸線圈靶時，線圈靶產生的是一個幅值為0.45V左右，頻率為0.5kHz左右的類正弦波信號，所以，對該線圈靶標定需要時標信號發(fā)生器輸出合適幅值及頻率的正弦波信號給電磁發(fā)生器來激勵該線圈靶產生如上所述的一個類正弦波信號。根據(jù)上面介紹的激勵信號的幅值及頻率大小對線圈靶產生的感應電動勢影響的分析，選擇用時標信號發(fā)生器輸出圖10（a）和圖10（b）中所示的兩路時間間隔為20.8ms，幅值為8V，頻率為0.5kHz的正弦波電壓信號e1、e2給兩個電磁發(fā)生器，將兩個線圈靶分別感應回來的信號歸到一路上（圖10（c）所示）輸給計時儀。從圖1 0（c）中感應信號e3可看出，兩線圈靶感應信號a、b的幅值均達到0.45V，頻率為0.5kHz。兩感應信號的時間間隔為20.8ms，與激勵時間間隔完全一致。計時儀在相同條件下測得的五組數(shù)據(jù)分別為20 800、20 799、20 800、20 801、20 800μs。計時結果與激勵時間間隔20.8ms基本一致，誤差為1μs。此實驗結果證明了該線圈靶標定裝置的有效性。

5 結 論

該線圈靶標定裝置基于線圈靶測速原理所設計，由一個自制的時標信號發(fā)生器和兩個電磁發(fā)生器所組成。時標信號發(fā)生器通過輸出激勵信號給電磁發(fā)生器，激勵線圈靶兩端產生類似于真實磁化彈丸穿過線圈靶時的類正弦波感應信號，用此信號作為區(qū)截信號來觸發(fā)計時儀，進而實現(xiàn)對線圈靶的標定。該標定裝置操作簡便，在靶場經(jīng)多次實驗，所得結果證明該裝置能夠滿足目前靶場常用線圈靶的標定，標定時間誤差為1μs。

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