基于電磁傳感器的特殊環(huán)境高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度測(cè)量

張 丹

ZHANG Dan

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，德陽(yáng) 618000）

0 引言

在兵器研制及射表編制的過(guò)程中，測(cè)量彈丸的速度是一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，其中采用線(xiàn)圈靶來(lái)測(cè)量彈丸速度是一種常用的方法。在彈丸速度測(cè)量過(guò)程中，常在彈丸飛行軌跡上布置多個(gè)線(xiàn)圈靶，但依據(jù)線(xiàn)圈靶測(cè)速原理，兩線(xiàn)圈靶不能靠太近，否則會(huì)相互產(chǎn)生干擾，因此彈丸的測(cè)量值與真實(shí)值有一定差別。測(cè)速過(guò)程中，兩線(xiàn)圈靶的中心位置不一致，接線(xiàn)條件不一致等原因均會(huì)造成線(xiàn)圈靶輸出信號(hào)的位置漂移誤差和兩靶信號(hào)波形不一致的時(shí)間測(cè)量誤差，且利用線(xiàn)圈靶作為區(qū)截裝置測(cè)量槍彈全彈道速度分布時(shí)需要較大增加線(xiàn)圈靶以及采集設(shè)備的數(shù)目[3]。為此研究線(xiàn)圈靶單靶測(cè)速有著較大的用途。

現(xiàn)在，為了模擬航空航天的飛行環(huán)境，精確測(cè)試高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是由于航空航天環(huán)境特殊，普通的傳感器已無(wú)法滿(mǎn)足要求[2]。針對(duì)這種情況，就需要設(shè)計(jì)特殊的測(cè)速傳感器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。所以在這次的設(shè)計(jì)中，就設(shè)計(jì)了能夠滿(mǎn)足這些特殊要求的電磁傳感器。

1 傳感器設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 電磁感應(yīng)原理

電磁傳感器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，也就是說(shuō)當(dāng)感應(yīng)線(xiàn)圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，就會(huì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的變化[1]。在本測(cè)速系統(tǒng)中，將傳感器安裝在測(cè)速管上，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上安裝有磁片。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使電磁傳感器產(chǎn)生感生電流，可實(shí)現(xiàn)模型的探測(cè)和精確定位。

1.2 電磁感應(yīng)線(xiàn)圈

纏繞在管路上的檢測(cè)線(xiàn)圈是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件，它擔(dān)負(fù)著拾取速度信號(hào)并傳遞給監(jiān)測(cè)儀器的任務(wù)，線(xiàn)圈的性能也決定了該傳感器的檢測(cè)靈敏度。所以應(yīng)對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)及制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，以使線(xiàn)圈具有良好的性能和較高的靈敏度。這里只用了一個(gè)傳感器即電磁感應(yīng)線(xiàn)圈，既是感應(yīng)磁場(chǎng)的發(fā)生器，也是感應(yīng)磁場(chǎng)的接收器。

線(xiàn)圈電感量的計(jì)算比較復(fù)雜，其大小與線(xiàn)圈匝數(shù)、繞制方式及磁性材料等因素有關(guān)。圈數(shù)越多越集中則電感量越大，由電感器產(chǎn)生的干擾主要是忽視了電感線(xiàn)圈的分布電容(線(xiàn)圈之間、線(xiàn)圈與大地之間、線(xiàn)圈與屏蔽之間以及線(xiàn)圈中每層之間)，該分布電容與線(xiàn)圈的電感和感抗等效成一個(gè)并聯(lián)諧振電路。對(duì)于線(xiàn)圈的分布電容，當(dāng)選用直流和低頻電路時(shí)，制約導(dǎo)線(xiàn)本身的電阻不大，可略去，電容也因容抗太小而略去。當(dāng)頻率增加，分布電容的作用就比較突出。因此，為提高頻率應(yīng)選用介電常數(shù)小的絕緣介質(zhì)和繞制方法。導(dǎo)線(xiàn)選用細(xì)漆包線(xiàn)可有效提高線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)，則電感線(xiàn)圈功率損耗越小，效率越高，其組成的諧振回路有更好的諧振特性。

線(xiàn)圈的組成：

電磁傳感器感應(yīng)線(xiàn)圈用細(xì)漆包線(xiàn)繞制N圈，并與基座絕緣。

確定線(xiàn)圈匝數(shù)：

首先假設(shè)線(xiàn)圈匝數(shù)為N，下面就按照N匝線(xiàn)圈來(lái)進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等各參數(shù)的計(jì)算：把磁化了的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)簡(jiǎn)化為一個(gè)正、負(fù)點(diǎn)磁荷構(gòu)成的磁偶極子，磁矩為p，假設(shè)磁矩p的方向與感應(yīng)線(xiàn)圈軸線(xiàn)方向一致。因此感應(yīng)線(xiàn)圈的機(jī)理分析轉(zhuǎn)化為對(duì)磁矩為p的點(diǎn)磁偶極子沿中心軸穿過(guò)一半徑為a、匝數(shù)為N的線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析。其坐標(biāo)系如圖1所示。

磁偶極子在空間任一點(diǎn)上的標(biāo)量勢(shì)U為：

空間任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

因此，通過(guò)線(xiàn)圈平面的磁通量Φ為

式中μ0為線(xiàn)圈繞線(xiàn)的磁導(dǎo)率；π為圓周率； ρ為線(xiàn)圈平面上徑向積分變量，范圍是：0～a。

當(dāng)磁偶極子接近或離開(kāi)線(xiàn)圈時(shí)，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e：

式中，v為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)向電磁傳感器飛去時(shí)（相當(dāng)于電磁傳感器逼近運(yùn)動(dòng)目標(biāo)），坐標(biāo)z減小， dz/dt＜0，因而有dz/dt＝－v，而v取正值，因而

為求出e(z)的最大值，可令de/dz＝0，得：

由上式可知，電動(dòng)勢(shì)e與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。

2 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)配置

測(cè)試系統(tǒng)完成加速器內(nèi)彈道的速度測(cè)量，加速器及測(cè)速系統(tǒng)見(jiàn)圖2[5]，主要由加速管、模型、測(cè)試窗口、傳感器及放大數(shù)采裝置組成。目前，共有11個(gè)測(cè)試站，測(cè)試站依次按0#-10#編號(hào)，其中0#位于入口處。11個(gè)電磁傳感器與15通道的加法放大器連接，該放大器帶寬10MHz，采用SoCo永磁材料時(shí)，磁環(huán)取放大倍數(shù)為2；采用Rubber磁材料時(shí)，放大倍數(shù)為20。數(shù)采設(shè)備型號(hào)為CS2092，最高采樣率20M，分辨率8位。推存參數(shù)設(shè)置：電磁信號(hào)通道上升沿觸發(fā)，采樣率1M，延時(shí)-2k，記錄長(zhǎng)度20k，電磁信號(hào)通道量程10V，其余通道為5V。為減小交流電網(wǎng)噪聲干擾，采用UPS電源供電。

2.1.2 測(cè)試方案

測(cè)速管每個(gè)測(cè)試站上開(kāi)有成180°對(duì)稱(chēng)布置的2個(gè)測(cè)試孔，均安裝了電磁傳感器。在測(cè)速管上，傳感器安裝的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示[4]。由于直接測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度比較困難，因此在這次的實(shí)驗(yàn)中選擇了間接測(cè)量的方法即先在測(cè)速管上從運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始處每隔200mm裝上傳感器，再通過(guò)電磁傳感器測(cè)量出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在每個(gè)測(cè)試站的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，最后由v=s/t計(jì)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。

圖2 速度測(cè)試系統(tǒng)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 前兩站測(cè)速

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)通過(guò)前兩個(gè)測(cè)試站的電磁感應(yīng)傳感器測(cè)得其電壓時(shí)間曲線(xiàn)從圖3前兩個(gè)周期中反映出。電壓時(shí)間函數(shù)設(shè)為y＝f (t)，通過(guò)曲線(xiàn)需要得到的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從0站到1站的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t (t＝t1－t0)，再用游標(biāo)卡尺測(cè)量出0站與1站之間的距離s0，則可用v＝s/t算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在這段距離的運(yùn)動(dòng)速度v0。

圖3 整個(gè)測(cè)試過(guò)程的速度-時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖3前兩個(gè)周期中可以看出，在測(cè)量0站和1站間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)需要兩站的電壓信號(hào)過(guò)零點(diǎn)即y＝f (t)＝0，這樣才能測(cè)得比較精確的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。當(dāng)電壓時(shí)間曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，這種情況下的時(shí)間很好測(cè)量，可以很方便的得到它的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t0和t1，算出運(yùn)動(dòng)時(shí)間t ＝t1－t0；當(dāng)電壓時(shí)間曲線(xiàn)不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，則需要進(jìn)行曲線(xiàn)插值得到比較精確的時(shí)間t0和t1，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t ＝t1－t0。于是由式v＝s/t得出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在這段距離的運(yùn)動(dòng)速度v0。

2.2.2 整個(gè)過(guò)程的速度測(cè)量

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在整個(gè)測(cè)速過(guò)程中的電壓時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，通過(guò)這條曲線(xiàn)以及上面的曲線(xiàn)處理方法，可以得到電壓信號(hào)過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t0、t1……t9、t10，也用游標(biāo)卡尺測(cè)量各測(cè)試站間的距離，最后通過(guò)v＝s/t得出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在各測(cè)試站間的平均運(yùn)動(dòng)速度v0、v1……v8、v9，則得到它的運(yùn)動(dòng)速度為一不連續(xù)的線(xiàn)段如圖4所示。

圖4 位置-速度曲線(xiàn)

2.3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述測(cè)試方案的合理性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：在運(yùn)動(dòng)物體處于10MPa的高壓下，利用型號(hào)為CS2092的動(dòng)態(tài)采集儀以5kHz的采樣頻率采集彈丸穿過(guò)線(xiàn)圈靶的模擬信號(hào)[6]。所測(cè)得的結(jié)果與仿真的結(jié)果相比較，如圖5所示。

通過(guò)上面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，用電磁傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度能夠滿(mǎn)足測(cè)速的要求，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)可以知道我們測(cè)速的方案也是可行的。

圖5 仿真曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可知，這次設(shè)計(jì)的電磁傳感器能夠滿(mǎn)足高溫、高壓下高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量的要求。經(jīng)過(guò)理論分析、數(shù)據(jù)測(cè)量并對(duì)其測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真處理，本文所設(shè)計(jì)的電磁傳感器的性能能夠很好的滿(mǎn)足其參數(shù)指標(biāo)，在測(cè)量數(shù)據(jù)后可得出以下四點(diǎn)結(jié)論。

1）電磁傳感器和測(cè)速系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，具備速度從幾米/秒到數(shù)公里/秒、壓力達(dá)10MPa的測(cè)試能力，在試驗(yàn)中取得了良好試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）磁感應(yīng)測(cè)速方法與微波、激光等其它技術(shù)相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，尤其是不受高溫、高壓和燃燒影響，適應(yīng)復(fù)雜的模型外形；定位精度高，可精確地確定其相對(duì)模型超前或遲后的位置。

3）通過(guò)參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)，對(duì)電磁傳感器的實(shí)際測(cè)量有了更深一步的認(rèn)識(shí)。

4）運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)整個(gè)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬得到了比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，可以得出MATLAB模擬實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果與實(shí)際的測(cè)試結(jié)果是吻合的。

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