基于磁致伸缩位移传感器的高炮浮动参数测试系统

 基于磁致伸缩位移传感器的高炮浮动参数测试系统
作者：张振友；赵勇；杨岐子





     针对高炮射击时自动机运动速度快、冲击加速度大和测试环境恶劣等情况 , 结合浮动参数的测试要求 , 采用磁致伸缩位移传感器 , 设计了一种采样精度高、功能多且操作简便的测试系统。系统由硬件和软件组成 , 硬件采用单片机多 CPU 控制技术和宏控带锁非易失性数据存储技术 , 实现了多路位移数据的自动同步采集和自动检测起始零位。软件根据采集的位移数据 , 利用单调曲线的纵向关联性实现了浮动参数的计算 , 并根据需要进行参数和曲线的显示、保存或打印。实弹测试试验表明 , 系统能够满足高炮浮动参数的测试要求。

       对浮动机动态参数的精确测量是现代武器性能测试中的一个重要环节 ,以往国内外测量枪炮自动机的运动参数时 ,绝大部分采用转鼓式、电感式及钢带式传感器 ,并配备光线示波器、电子示波器、 x2y 记录仪等进行信号记录及显示 ,测试结果要经过事后人工计算处理。

1、系统组成及工作原理

        系统 采 用 计 算 机 多 CPU 控 制 技 术 , 以A T89C58 单片机 作为整个系统的控制核心 ,根据功能要求分别设置了 4 个数据采集单元和 1 个同步控制单元 ,各单元之间通过握手信号协调时序关系 ,控制系统完成 4 路数据的采集、存储与提取。系统的采样频率为 2 k Hz ,采样精度为 0. 05 mm ,通过对浮动位移数据的采集 ,经过软件计算 ,得到浮动机特征值和射频等参数 ,利用系统软件自动绘制浮动位移、速度和加速度曲线 ,并具有对数据和曲线进行显示、保存或打印等功能 ,具有较高的智能化水平。

1. 1 　磁致伸缩位移传感器

       高炮浮动参数的测试 ,要求传感器具有较高的测试精度、响应频率和抗振动性能 ,为此选用了磁致伸缩位移传感器,具有较好的性价比。磁致伸缩位移传感器主要由波导管 (丝) 、磁性滑块和测量头组成 ,工作时测量头中的脉冲发射电路不断向波导管发射询问电流脉冲 (起始脉冲) ,电流脉冲同时伴随产生一个垂直于波导丝的环形磁场以光速沿波导丝传播 ,与磁滑块形成的轴向磁场叠加 ,形成螺旋磁场。在该磁场作用下 ,波导管发生磁致伸缩效应而产生波导扭曲 ,该应变波以超声波速沿波导管向两端传播 ,当传回测量头一端时 ,被测量头的感测电路探测到 ,并被转换成电脉冲(停止脉冲) 。

由于电流以光速传递 ,从发射端到磁滑块之间电流传递时间可忽略不计 ,因此只要测出发射电脉冲与返回应变脉冲之间的时间间隔 ,即可得到滑块距检测零点的距离 s = vt ,实现位移检测 ,其中 , t 为时间差 , v 为应变波传播速度 。

该传感器由于采用传感器与单片机一体化设计 ,具有分辨率高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点[6 ] ,其主要性能指标如下 :

速度 :0～10 m ·s - 1 ;

最大加速度 : ≤100 m ·s - 2 ;

工作温度 : - 30 ℃～ + 75 ℃;

独立线性 : ±0. 02 % FS ;

重复性误差 : < 0. 01 % FS ;

振动测试 DIN IE68 T2 - 6 : 12 g/ 10 ～ 2 000Hz；冲击测试 DIN IEC68 T2 - 27 :100 g211 ms2单击。

1. 2 　主控单元

       主控单元作为系统总控装置 ,可对数据采集单元、同步控制单元、液晶显示器、键盘、接口电路、时钟电路和存储器电路等进行管理和控制 ,实现系统自检、数据的采集、处理、通信、结果评定及显示等功能 ,主要由 P89C58 单片机、320 ×240 显示器等组成。系统供电后 ,首先检查传感器的在线状态 ,主控单元通过数据采集单元采集传感器的位置数据 ,若数据小于 10 (即传感器输出电流小于 0. 2 mA) ,则说明传感器不在线 ,若数据大于 10 (即传感器输出电流大于 0. 2 mA) ,则说明传感器处于在线状态 ,这说明传感器已连接好 ,并将结果显示在显示器上。

1. 3 　同步控制单元

        同步控制单元主要由 P87L PC767 单片机及外围电路等组成 ,其功能是 :

1) 用于检测多路传感器的起始动作时刻 ,当其中任何一个传感器动作时 ,即发出数据采集控制指令 ,使多路传感器同时开始采集数据 ,便于对多管高炮的发射一致性进行比较。

2) 记录每一路传感器的初始位置 ,用于数据计算时自动进行零位修正 ,避免了传感器操作前需要标定的问题 ,简化了操作步骤 ,提高了系统的智能化程度。

1. 4 　数据采集单元

       数据采集单元用于将传感器输出的信号进行模数转换、数据存储和处理。由于传感器输出电流为 4～20 mA ,模数转换前首先将其变换为 1～5 V电压[ 7 ] 。虽然 12 位 A/ D 转换器有效位数为 212 ,但由于模数转换时 ,其有效电压最小值为 1 V ,因此实际对应的有效位数为 : N = 212 ×(5 - 1) / 5 ,则模数转换后 ,对于满量程 150 mm 的传感器 ,模数转换器每位所代表的传感器移动距离为 :

Δ= 150/ N≈0. 046 mm

       当数据采集单元接到同步控制单元发出的采集指令后 ,4 个单元同时开始采集火炮浮动部分的复进和后坐位移量 ,此数据经 A/ D 转换器转换后存储在存储器 NVRAM 中。数据存储采用了宏控带锁非易失性数据存储技术 ,软件在开始时写一条开锁指令 ,在采用硬件保护的同时加装了软件锁功能 ,在没有收到开锁指令前写信号被禁止 ,防止误操作 ;指令写入字节位置及开锁数字可选 ,起到了为用户保密和防仿制的作用。

2 　浮动参数计算方法

2. 1 　浮动曲线特性分析

       典型浮动曲线 反映了浮动机在火炮整个发射过程中位移的变化。所有浮动参数的确定都将依靠由数据采集单元提供的位移数据来计算求取。分析特征值、射速和均方差等参数的求取公式 ,可以发现 ,关键是要确定每一发弹所对应的波峰和波谷值 ,基于以上分析 ,作者采用了单调曲线纵向关联的处理方法 ,实现了浮动机曲线波峰和波谷值的求取。

2. 2 　浮动曲线波峰和波谷值求取

       浮动机在首发后坐、一次后坐、二次后坐的位移大小是截然不同的 ,为了建立合理的波峰、波谷值求取模型 ,将波峰、波谷之间的变化曲线简化为单调直线。为了剔除数据序列中的异常点 ,首先需要确定单调序列的门限值。在此选用浮动机二次后坐的绝对位移量作为门限值。对于任一单增或单减序列来讲 ,如果序列本身的变化量 ,即最大值和最小值之差大于该门限值 ,则为合格序列 ,不需要处理 ;否则 ,需要按坐标轴增大的方向将相邻的单增和单增序列、单减和单减序列进行合并。设需要比较的序列分别为 A 和 B ,则需要考虑 Bmax 和Amax ,Bmin 和 Amin 之间的关系 ,除去相等的情况外 ,共存在 8 种对应关系 ,由于单增和单减序列具有完整的对称性 ,因此这里仅列举了单向递增的 4 种情况。在程序中 ,对 8 种情况进行分析处理 ,就可以得到相应的波峰、波谷值。

从数值可以看出 , Bmin 大于 Amin , Bmax 大于Amax ,说明单增序列 A 的最大值属于数据异常点 ,则按照后向原则 ,把序列 A 与序列 B 合并。合并时 ,将以序列 A 的最小值和初始位置取代序列 B 的最小值和初始位置 ,即 Bmin = Amin ,Bbegin = Abegin 。对浮动测试曲线进行类似分析 ,就可得到波峰和波谷值。

2. 3 　浮动参数求取实现

       在程序实现上 ,建立相应的采集曲线类 ,并将分析处理函数进行封装 ,采用枚举法对各种单调序列进行分析处理。首先 ,通过数据采集通道获取批量数据 ,建立单调序列 ,并对该序列进行基本的滤波处理 ,得到合理的数据序列。针对该序列的各种变化情况 ,采用枚举法 ,依次进行处理。同时考虑到序列处理效率以及需要求取相应的浮动速度和加速度 ,将序列分为两种情况 ,一种为整型序列 ,用于波峰、波谷数据的求取 ,另一种为经过插值生成的浮点数序列 ,用于微分求取速度和加速度。通过序列分类 ,该程序既满足了计算精度的要求 ,同时也较好地反映了浮动机的速度和加速度变化情况。

通过对波峰、波谷求取函数的完善封装 ,提高了程序处理效率 ,为程序的模块化设计提供了有效保证。

3 应用实例

       该系统进行了实弹射击试验 ,测试条件为 6 连发 ,射角为 30°,浮动自动机运动受多种因素的影响 ,浮动曲线有些波动是允许的 ,只要曲线不单调发散或收敛 ,均属正常状态。通过测试曲线和数据可以看出 ,该高炮右管比左管击发延迟 45 ms、射速在450～610 发/ 分之间、最大后坐长度为 30 mm ,符合浮动机的性能要求 ,c 值虽在允许范围内 ,但左炮与右炮数据相差比较大 ,一次后坐均方偏差σ明显偏大 ,说明浮动稳定性不是很理想 ,需要对针形阀和导气塞等进行调整。

4、结束语

       从实际应用和试验数据可以看出 ,该系统综合运用了传感器技术和计算机控制技术 ,实现了多路位移同步测量、浮动参数计算和浮动曲线显示等功能 ,解决了高炮浮动参数的动态检测难题 ,实现了多管高炮浮动参数的智能检测。






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