彈載電子測(cè)試儀的設(shè)計(jì)*

裴東興，祖 靜，張 瑜，沈大偉，劉祖凡

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試，由于其測(cè)試環(huán)境的惡劣性，對(duì)于測(cè)試裝置提出了特殊的要求?；诖鎯?chǔ)測(cè)試的彈載電子測(cè)試儀可置于被測(cè)體體內(nèi)實(shí)時(shí)、完整記錄被測(cè)參數(shù)變化規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于彈藥性能和彈道的測(cè)試。這種無(wú)需引線且具有良好電磁兼容性的彈載電子測(cè)試儀在多種動(dòng)態(tài)參數(shù)如各種彈箭發(fā)射、飛行、終點(diǎn)環(huán)境的加速度、姿態(tài)、壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試中發(fā)揮了重要的作用，成為我國(guó)多種高價(jià)值彈藥性能的主要測(cè)試手段[1－2]。文中針對(duì)目前國(guó)內(nèi)在彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標(biāo)時(shí)高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測(cè)量難題進(jìn)行了深入的研究，并成功應(yīng)用于多個(gè)彈載多參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。

1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的彈載電子測(cè)試儀有著廣泛的應(yīng)用，1996年美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)陸軍聯(lián)合提出了強(qiáng)化超小型遙測(cè)和傳感器系統(tǒng)(hardened subminiature telemetry and sensor system，HSTSS)計(jì)劃，以開(kāi)發(fā)和演示新一代高g值遙測(cè)技術(shù)，并將這些產(chǎn)品用于測(cè)試領(lǐng)域，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)、圣路易斯(德法)聯(lián)合研究所、美國(guó)阿伯丁靶場(chǎng)等多個(gè)武器研究和試驗(yàn)的重要單位相繼發(fā)表了一系列關(guān)于彈體飛行過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的技術(shù)研究和實(shí)測(cè)報(bào)告。瑞士的武器系統(tǒng)與彈藥試驗(yàn)中心設(shè)計(jì)了高g值彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器FDR，其結(jié)構(gòu)緊湊(232mm × 64mm)，重量較輕(3.58kg)[3－5]。為了避免FDR的損壞，敏感的電路部分和電池(抗沖擊氧化銀電池)用一種三組分的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌封，并用鋼外殼進(jìn)行保護(hù)，并且成功測(cè)得90000g的最大加速度。

國(guó)內(nèi)在無(wú)線遙測(cè)技術(shù)領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的工作，研制的微型彈載姿態(tài)遙測(cè)系統(tǒng)成功獲取了某火箭彈的飛行參數(shù)，但是對(duì)于彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標(biāo)時(shí)高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測(cè)量，無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)難以完成[6]。國(guó)內(nèi)的彈載存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)80年代，中北大學(xué)較早開(kāi)展了這方面的工作，根據(jù)彈載存儲(chǔ)測(cè)試的特點(diǎn)曾經(jīng)設(shè)計(jì)了3代專用大規(guī)模集成電路，第一代的TJ8815A、TJ8815B，第二代的HB9401、HB9402、HB9403A、HB9403B，第 三 代 的HB0201、HB0202等共8種，這些專用大規(guī)模集成電路減小了電路的體積，提出并實(shí)現(xiàn)了隨被測(cè)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化而自適應(yīng)、自動(dòng)化的改變采樣規(guī)律的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道?；谝陨蠈Ｓ么笠?guī)模集成電路的使用，中北大學(xué)曾大量成功的測(cè)得彈體侵徹素混凝土靶、鋼筋混凝土靶的加速度數(shù)據(jù)以及彈丸穿透鋼質(zhì)靶板的沖擊數(shù)據(jù)和導(dǎo)彈、彈丸飛行的姿態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)，為彈載電子測(cè)試儀的設(shè)計(jì)積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 彈載電子測(cè)試儀的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 彈載電子測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)

彈載電子測(cè)試儀的體系結(jié)構(gòu)是：把彈上動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試必不可少的功能結(jié)構(gòu)部分放置到彈載電子測(cè)試儀上，而把盡可能多的功能結(jié)構(gòu)部分如接口、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)、控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、繪圖等功能部件放置在地面。再經(jīng)過(guò)特殊的校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，及專門的惡劣環(huán)境可靠性考核系統(tǒng)進(jìn)行考核使其適應(yīng)彈載測(cè)試的惡劣環(huán)境。

彈載電子測(cè)試儀完成被測(cè)參量的獲取和存儲(chǔ)記錄，通過(guò)抗高沖擊殼體緩沖結(jié)構(gòu)的有效防護(hù)，可以提高儀器的存活性。通過(guò)專用數(shù)據(jù)通信接口，地面計(jì)算機(jī)完成對(duì)彈載電子測(cè)試儀的參數(shù)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取、處理、顯示。

彈載電子測(cè)試儀由電路模塊、電池、上電開(kāi)關(guān)、面板、傳感器接口、通訊接口、灌封結(jié)構(gòu)、殼體緩沖結(jié)構(gòu)等組成。儀器的原理框圖見(jiàn)圖1，圖中傳感器1為軸向安裝的加速度傳感器;傳感器2和3為徑向安裝的加速度傳感器;傳感器4為自制的地磁傳感器;電路的核心中心控制電路采用本研究室研制的專用ASICHB0202，完成對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性采用了兩級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)2.2關(guān)鍵技術(shù))。

圖1 彈載電子測(cè)試儀原理框圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)中國(guó)的防護(hù)結(jié)構(gòu)：為了確保數(shù)據(jù)的可靠采集和存儲(chǔ)，該測(cè)試儀采用了國(guó)中國(guó)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，即儀器的外殼采用高強(qiáng)度鋼以保護(hù)內(nèi)部的電路模塊，同時(shí)在儀器電路模塊內(nèi)部進(jìn)一步采用高強(qiáng)度鋼對(duì)核心存儲(chǔ)部分閃存進(jìn)行保護(hù)，即使電路模塊在撞擊目標(biāo)時(shí)結(jié)構(gòu)損壞確保閃存內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性。

智能采樣策略：為了滿足彈上多種變化規(guī)律，采樣頻率、增益以及偏置的選擇及設(shè)置關(guān)系到能否正確獲取完整的信號(hào)和測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。測(cè)試儀采用的專用ASIC-HB0202具有多種采樣策略，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)、信號(hào)的變化規(guī)律，實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率、增益及偏置等參數(shù)。

強(qiáng)化緩沖技術(shù)：為了確保儀器的可靠性對(duì)儀器進(jìn)行強(qiáng)化處理，即電路模塊采用真空灌封工藝，用高強(qiáng)度高硬度環(huán)氧樹(shù)脂灌封，使得在高沖擊過(guò)載作用下不致因灌封材料彈塑性變形而拉斷板間的連接線和板上焊點(diǎn)，同時(shí)在電路模塊周圍增加合適的緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行緩沖;為了確保測(cè)試儀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各部件間沒(méi)有相對(duì)位移，設(shè)計(jì)了止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

上述的彈載電子測(cè)試儀已在靶場(chǎng)進(jìn)行了20余次實(shí)彈測(cè)試，成功獲取了某引信在膛內(nèi)和飛行過(guò)程的加速度及轉(zhuǎn)速參數(shù)(數(shù)據(jù)捕獲率為96%)，以下對(duì)其中一組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 引信加速度信號(hào)的實(shí)測(cè)分析

圖2為利用彈載測(cè)試儀測(cè)試的某引信在膛內(nèi)及其發(fā)射過(guò)程的三軸加速度曲線。

圖2 某引信在膛內(nèi)和發(fā)射過(guò)程的加速度信號(hào)

在圖2中可以看出，Z代表軸向加速度，X和Y分別代表了兩維徑向加速度?？梢钥闯銎漭S向最大加速度為11670g;其徑向的最大加速度為7930g。

由F=ma可知，加速度跟壓力成正比，本次試驗(yàn)同時(shí)通過(guò)放入式電子測(cè)壓器獲得了火炮膛壓曲線，圖3為膛壓曲線與軸向加速度曲線的比較。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)rxy公式：

式中：rxy為相關(guān)系數(shù)，Xi為 i時(shí)刻的膛壓值，Yi為i時(shí)刻的加速度值，為膛壓平均值，為加速度平均值，i=1，2，…，13，N=13。計(jì)算得膛壓曲線和軸向加速度曲線的相關(guān)系數(shù)為98.8%，說(shuō)明膛壓曲線和軸向加速度一致性很高。

圖3 膛壓與軸向加速度的曲線的比較

3.2 引信轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)測(cè)分析

圖4(a)為引信在0～1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速信號(hào)變化過(guò)程;圖4(b)為其在0～100ms內(nèi)曲線的展開(kāi)，可以看出在膛內(nèi)的發(fā)射過(guò)程中轉(zhuǎn)速變化比較復(fù)雜，最后在炮口處使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;圖4(c)為膛外轉(zhuǎn)速的變化曲線，可以看出所測(cè)得引信膛外轉(zhuǎn)速變化在大約1s時(shí)間內(nèi)從1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。

圖4 某引信在膛內(nèi)和發(fā)射過(guò)程的轉(zhuǎn)速信號(hào)

在發(fā)射的同時(shí)使用天幕靶對(duì)彈丸的初速進(jìn)行了測(cè)量，初速為703m/s。通過(guò)對(duì)引信軸向加速度信號(hào)的積分得出了彈丸在膛內(nèi)的速度曲線，如圖5所示，計(jì)算出引信在出炮口的最大速度為697m/s。和所測(cè)的初速相差6m/s，驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。

圖5 彈丸在膛內(nèi)的速度曲線

4 結(jié)論

文中針對(duì)彈丸發(fā)射動(dòng)態(tài)環(huán)境(高沖擊、高轉(zhuǎn)速、空間狹窄等)的測(cè)試難題，設(shè)計(jì)出了一種新型的存儲(chǔ)式彈載電子測(cè)試儀，論述了總體方案和關(guān)鍵技術(shù)，成功測(cè)得引信發(fā)射及飛行過(guò)程的加速度和轉(zhuǎn)速信號(hào)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)測(cè)驗(yàn)證該儀器具有很強(qiáng)的存活性和可靠性，能適應(yīng)于不同的彈載測(cè)試。

[1]Jing Zu.New concept on dynamic measurement[C]∥ISTM 5th，2003.

[2]祖靜，馬鐵華.動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的若干進(jìn)展和展望[C]∥中國(guó)兵工學(xué)會(huì)第10屆測(cè)試技術(shù)研討會(huì)，2000.

[3]Louis R Szabo，William I Osborne.Advances in digital memory telemeters for artillery projectiles，ADD090101[R].1981：321－345.

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