基于激光技術(shù)測量氣炮中彈體的飛行速度

王建軍,劉曉玲,田曉霞

摘 要:氣炮是廣泛用于研究物體撞擊速度與破壞效應(yīng)的一種動力學實驗裝置。針對傳統(tǒng)測量氣炮中彈體飛行速度方法存在的問題,提出新型激光測速方案。通過測量彈體遮擋不同測點激光束的時刻,計算彈體的飛行速度。根據(jù)該方案設(shè)計的測量系統(tǒng)做了仿真分析和標定實驗,證明設(shè)計方案正確可行。目前,已研制成功并已應(yīng)用于實際測量,極大地提高了測量的效率和準確度。

關(guān)鍵詞:氣炮;激光測速;時間間隔;硬件描述語言;可編程器件

中圖分類號:TP302文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-121-03

Measurement of Body′s Velocity in Air Gun Based on Laser Technique

WANG Jianjun1,LIU Xiaoling2,TIAN Xiaoxia2

(1.Sichuan TOP Vocational College of Information Technology,Chengdu,611743,China;

2.Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi′an,710024,China)

Abstract:Air-gun is a dynamical experimental equipment that is widely used to study the velocity of object and damage and destructive effects.A new system is proposed to measure the body′s velocity in air-gun based on laser technique.The principle and constitution of the system are introduced in detail.Parts of the simulation and experiments are presented.The system has been applied successfully,the efficiency and accuracy of measurement are improved.

Keywords:air-gun;laser measuring velocity;time interval;hardware description language;programmable logic device

0 引 言

氣炮作為一種動力學實驗?zāi)M裝置,可廣泛用于研究物體撞擊問題。對于物體之間的撞擊研究,已越來越受到人們的重視。例如,汽車的安全極限、生物體的生理和心理損傷、材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等。在不同撞擊速度下,物體會出現(xiàn)凹陷、嵌入、斷裂和穿洞等不同的現(xiàn)象和效應(yīng)。因而,氣炮中彈體或飛片(以后簡稱彈體)的飛行速度,特別是擊中靶體的速度是衡量氣炮性能和研究靶體力學效應(yīng)的一項重要指標。

測量氣炮中彈體的飛行速度,主要有金屬探針法、電磁法和激光測速法。它們的基本原理都是通過測量彈體到達不同測點的時間,再用公式v=s/t計算彈體的飛行速度,但以上3種技術(shù)在工程實現(xiàn)過程中有較大差別。金屬探針法是較早使用的一種技術(shù),屬于接觸式測量。在每次實驗中必須更換新探針,消耗人力物力,實驗效率低,特別是每次實驗探針的貼放對實驗的重復性影響很大。由于是接觸式測量,故準確性低。電磁法是一種非接觸性測量,但在實際應(yīng)用中仍存在許多不足。首先它要求在靶區(qū)附近建立一個恒定的磁場,而產(chǎn)生磁場的裝置一般都比較笨重;其次對靶體和彈體有特殊要求。例如要求靶體為非金屬材料,而彈體必須為良磁導體,這就限制了它的應(yīng)用范圍。激光測速法為非接觸性測量,具有系統(tǒng)穩(wěn)定,測量精度高,測速范圍大,抗干擾能力強等特點。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)由He-Ne激光器、光敏管、專用電源、記錄示波器或動態(tài)記錄儀等組成。系統(tǒng)所用設(shè)備較多,維護和使用不便,整個測量系統(tǒng)成本偏高。這里提出一種以半導體激光器、光敏管和專用時間間隔測量芯片為核心的激光測量系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,體積小,性價比高。

1 半導體激光器-光敏二極管測速的基本原理

1.1 半導體激光器工作原理

半導體激光器體積小,功耗低,性價比高,抗干擾能力強,采用它和光敏二極管組成的測量系統(tǒng)具有非接觸測量、響應(yīng)速度快和準確可靠等特點。

實際半導體激光器是一個激光二極管-光敏二極管(LD-PD)結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的工作,半導體激光器包含一個PD,它可產(chǎn)生一個正比于激光束強度的電流,可以通過跟蹤激光管光功率的變化控制激光器的激光束強度電流。圖1中的電路是實際用于控制可見激光管輸出恒定的平均光功率。電阻R5將光電管PD的輸出電流轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓,加到由放大器組成的積分器的反向輸入端。積分器電容C1使輸出平滑,并阻止反饋回路受到影響。積分器的泄放電阻R4是為了保證在增加和減小激光器輸出的平均光功率時進行補償。R5上產(chǎn)生的電壓與R1和R2對Vref的分壓(該分壓電壓可以通過R1與R2的值選擇進行調(diào)整)相比較,經(jīng)A1產(chǎn)生一個誤差信號。該信號通過調(diào)整Q1的導通狀態(tài),調(diào)節(jié)流過激光器LD的電流,以達到控制激光器LD輸出光功率的目的。

圖1 控制半導體激光器光功率輸出原理圖

1.2 激光-時間間隔測速的基本原理

設(shè)3個間隔距離為d1,d2的光敏二極管p1,p2,p3分別對應(yīng)半導體激光器L1,L2,L3及其發(fā)射的激光束,如圖2所示。

圖2 激光-時間間隔測速原理圖

激光器發(fā)射連續(xù)激光束,當無彈體時,光敏管輸出為高電平;當飛行的彈體到來時,其首先遮住p1,使之在時刻t1輸出為低電平;之后彈體依次遮住p2,p3使它們分別在時刻t2,t3輸出為低電平,最后到達靶體。

記錄t1,t2和t3,用這3個時間分別開啟和關(guān)閉三個時間間隔計數(shù)器:計數(shù)器1、計數(shù)器2和計數(shù)器3,即:

n1(計數(shù)器1) = t2( 關(guān)門 )- t1( 開門 )

n2(計數(shù)器2) = t3( 關(guān)門 )- t2( 開門 )

n3(計數(shù)器3) = t3( 關(guān)門 )- t1( 開門 )

又已知,計數(shù)器的時鐘為τ,由它可以計算出3個計數(shù)器記錄的間隔時間為τn1,τn2和τn3。

在光敏二極管機械定位后,可以測量出其間距d1,d2和d3。根據(jù)位移、時間和速度三者之間的關(guān)系,可以計算出彈體在3個區(qū)間的平均速度,即:

v1=d1/(τn1);v2=d2/(τn2);v3=d3/(τn3)

在實際工程中,這3個計算值還可以相互驗證,并用于判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 VHDL硬件描述語言設(shè)計的邏輯電路及仿真

在電路設(shè)計過程中,采用VHDL硬件描述語言,提高了設(shè)計速度,大大降低了制作和調(diào)試PCB板的時間和工作量。整個電路用Alteral公司的CPLD芯片實現(xiàn)。

2.1 VHDL語言描述的硬件電路

采用VHDL語言描述的硬件電路主要包括3組邏輯電路,其功能為M位10進制計數(shù)器、M進制計數(shù)器、M選一選擇器、BCD譯碼器和N-M譯碼器。圖3為其中一組功能框圖。

圖3 VHDL語言描述的硬件電路功能框圖

以兩路(一組)光脈沖信號為例,設(shè)啟動信號為M位10進制計數(shù)器的開門信號,在它到來時,計數(shù)器開始計數(shù);停止信號是關(guān)門信號,在它到來時,計數(shù)器停止計數(shù)。M位10進制計數(shù)器將計數(shù)結(jié)果送到M選一選擇器。選擇器由一個M進制計數(shù)器產(chǎn)生的進位脈沖控制。計數(shù)結(jié)果由選擇器按每次選擇一位的方式輸出給BCD譯碼器。BCD譯碼器將數(shù)據(jù)變?yōu)長ED段信號,同時選擇控制信號同步送至N-M譯碼器,其中2(N-1)

系統(tǒng)的測量精度與時鐘頻率和芯片的速度有關(guān)。實際電路采用10 MHz ,即測量精度優(yōu)于0.1 μs。最大測量值由計數(shù)器的位數(shù)決定,根據(jù)實際需要設(shè)為6位,即最大測量時間間隔為100 ms。另外,還設(shè)了系統(tǒng)復位信號,以保證在每次測量前使計數(shù)器輸出為零。

2.2 軟件仿真

首先在計算機上對設(shè)計的電路進行功能仿真。圖4為6位計數(shù)器工作情況的仿真波形。SW1為啟動脈沖,它在8.3 μs到達計數(shù)器(假設(shè)以仿真起點為時間零點);SW2為停止脈沖,它在454.0 μs到達計數(shù)器,兩個脈沖的時間間隔為:454-8.3=445.7 μs。仿真的時鐘頻率為20 MHz,計數(shù)結(jié)果為8 914,即對應(yīng)的時間間隔為:8 914×0.2=445.7 μs。仿真結(jié)果表明,該電路的功能和時序完成正確,符合設(shè)計要求。

圖4 6位計數(shù)器工作的仿真波形

3 實驗標定與分析

為驗證該電路在PCB板上工作時測量的準確性和評估其工作的穩(wěn)定性,用信號源DG535對其做了標定實驗,其原理框圖如圖5所示。標定原理是:DG535產(chǎn)生T0,A兩路信號,時間間隔ΔT可以人為設(shè)定,精度優(yōu)于1 ns,同時用數(shù)字示波器監(jiān)測DG 535輸出。這樣測量顯示的數(shù)據(jù)即可以與DG 535設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比較,也可以用示波器來驗證和對比。實驗結(jié)果表明,該電路工作十分穩(wěn)定,測量重復性很好,測量結(jié)果與DG 535設(shè)定值完全吻合,最小變化值為0.1 μs(時鐘為10 MHz)。

圖5 標定電路原理框圖

測速系統(tǒng)在氣炮上進行實際測量的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 測速系統(tǒng)在氣炮上的部分實際測量值

氣壓 /kPa2.5578.51012.515

n1121 42880 67571 67867 32561 47155 43851 457

n2116 83574 62865 69861 21055 68649 78246 220

V1 /m/s8.2312.4013.9514.8516.2718.0219.40

V2 /m/s8.6413.5015.3716.5018.1420.2921.60

說明:d1=10 cm,d2=10.1 cm;τ=100 ns。

由表1可以看出,在撞擊至靶體之前彈體始終是處于加速狀態(tài),氣壓越高,加速現(xiàn)象越明顯。如果增加測點數(shù),可以詳細描述彈體在氣炮中的加速過程和驗證運動方程。

由實驗數(shù)據(jù)可以看出,隨著所加氣壓的增高,彈體速度有明顯的增加。彈體速度和氣壓的關(guān)系基本與理論設(shè)計吻合。

影響測速結(jié)果的因素主要有:光敏器件的間距、光敏器件的響應(yīng)速度和測量電路的時鐘。經(jīng)綜合評定,給出測量系統(tǒng)的合成標準不確定度為1%。

4 結(jié) 語

在測量氣炮中彈體的飛行速度時,激光測速較金屬探針法、電磁法更具優(yōu)勢。該方法原理簡單、可靠,抗干擾能力強,能實現(xiàn)快速準確的測量。設(shè)計的半導體激光器、光敏管和專用時間間隔測量芯片為核心的激光測量系統(tǒng)能準確、穩(wěn)定、可靠,能迅速讀取測量結(jié)果,操作維護簡單方便,特別適合非電學專業(yè)人員的使用。同時在設(shè)計專用時間間隔測量電路時,采用VHDL語言和可編程邏輯器件,提高了設(shè)計速度,大大降低了制作和調(diào)試PCB板的時間和工作量。最后的仿真和實驗表明,設(shè)計完全達到了技術(shù)要求。該系統(tǒng)已交付實際應(yīng)用,滿足了用戶的需要,取得了良好經(jīng)濟效益。

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