基于地磁傳感器的彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試*

常樹茂，王 利，弓 楠

（西安郵電學(xué)院，西安 710061）

0 引言

在許多武器的設(shè)計(jì)過程中，彈丸在彈道飛行中的轉(zhuǎn)數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)。多年來，國內(nèi)外研究者投入了很大的精力從事這方面的研究工作。目前，國內(nèi)外主要采用太陽方位角傳感器法[1]、紙靶法[2]、高速攝影法、彈底刻槽法[3]、地磁傳感器法[4]、調(diào)頻調(diào)幅法[5]等方法進(jìn)行彈丸轉(zhuǎn)數(shù)的測(cè)量。

利用太陽方位角法測(cè)得的彈道長(zhǎng)。不足是安裝要求高、抗過載能力差、測(cè)試費(fèi)用高。彈底刻槽法簡(jiǎn)單，但不適應(yīng)彈底壁較薄的彈丸。調(diào)頻調(diào)幅法抗過載能力較強(qiáng)、可靠性較好和測(cè)試彈道較長(zhǎng)。該方法不足是成本高。地磁傳感器法是利用地磁原理進(jìn)行彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量的方法。其特點(diǎn)是測(cè)試精度較高、抗過載能力強(qiáng)、測(cè)試彈道長(zhǎng)且測(cè)試成本較低。文中研究了利用地磁傳感器測(cè)試彈丸轉(zhuǎn)數(shù)的原理及測(cè)試系統(tǒng)。

1 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試原理

1.1 地磁傳感器[6]

地球本身具有磁性，所以地球和近地空間存在著地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)磁力線的分布情況如圖1所示。由于地磁場(chǎng)的存在，且具有方向性，因此對(duì)于磁電式敏感元件，當(dāng)其隨載體——彈丸在近地空間作旋轉(zhuǎn)飛行時(shí)，必定使敏感元件中的磁通量發(fā)生交替變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是地磁轉(zhuǎn)數(shù)傳感器的工作基礎(chǔ)。地磁傳感器實(shí)際上是由一根鐵芯上纏繞若干圈線 圈——載 流激磁線圈（鐵心由軟磁材料制作）所組成。由線圈和鐵芯組成的地磁傳感器示意圖如圖2所示。其中，傳感器軸與彈丸轉(zhuǎn)軸重合。當(dāng)線圈隨彈丸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈將切割地磁磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[7]：

圖1 地磁場(chǎng)磁力線分布

式中：N為線圈匝數(shù)；Ф為磁通量；B為地線圈和鐵芯磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為線圈的截面積；ω為線圈的旋轉(zhuǎn)角速度。

圖2 彈體內(nèi)線圈位置示意圖

由上式可以看出，當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ξ將是彈丸旋轉(zhuǎn)角速度ω的函數(shù)，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的周期實(shí)際上反映了彈丸的旋轉(zhuǎn)周期，通過對(duì)周期計(jì)數(shù)就可以確定彈丸轉(zhuǎn)數(shù)。

由于地磁場(chǎng)十分微弱，考慮到地磁場(chǎng)在近距離內(nèi)可以近似認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B是不變的均勻磁場(chǎng)。當(dāng)彈丸轉(zhuǎn)數(shù)確定時(shí)，信號(hào)幅值主要與線圈的匝數(shù)N和截面積S有關(guān)。因此在條件允許的情況下，通過增加線圈體積和匝數(shù)，可以提高傳感器的靈敏度。

1.2 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由地磁傳感器、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、彈體環(huán)境傳感器、系統(tǒng)電源、地面數(shù)據(jù)讀出器和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。系統(tǒng)框圖如圖3、圖4所示。

圖3 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)彈內(nèi)系統(tǒng)框圖

盡管增加地磁傳感器線圈體積和匝數(shù)可提高其靈敏度，但由于地磁場(chǎng)十分微弱，一般情形下傳感器的輸出信號(hào)幅值仍較低，多為毫伏級(jí)。為了能夠滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)處理的需要，使用低噪聲高增益放大器放大來自地磁傳感器的信號(hào)。轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)經(jīng)放大并濾波后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。彈內(nèi)計(jì)算機(jī)把這一數(shù)字信號(hào)以一定的采集率存入存儲(chǔ)器。

利用彈體從靜止到高速運(yùn)動(dòng)的加速度，彈體環(huán)境傳感器使彈上系統(tǒng)電源開關(guān)接通，彈內(nèi)系統(tǒng)開始工作。

彈丸轉(zhuǎn)數(shù)地面數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)通過串行接口把存儲(chǔ)在彈內(nèi)存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)。這些原始數(shù)據(jù)再經(jīng)過轉(zhuǎn)數(shù)處理軟件處理，就得到轉(zhuǎn)數(shù)曲線和轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表。

圖4 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)地面數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)框圖

圖5 灌封后的轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試裝置

圖6 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理軟件視窗

1.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5是灌封后的彈內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試裝置；圖6是彈丸轉(zhuǎn)數(shù)地面數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)的處理軟件視窗圖；圖7是實(shí)測(cè)彈丸轉(zhuǎn)數(shù)的一段原始曲線；圖8是處理后的彈丸落地前的一段轉(zhuǎn)數(shù)曲線。

圖7 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)原始曲線

圖8 處理后的彈丸轉(zhuǎn)數(shù)曲線

2 實(shí)際測(cè)試中需要注意的問題

2.1 彈體對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試的影響

彈體一般是鋼鐵材料制成的。這種鐵磁性材料在飛行過程中受地磁場(chǎng)的作用將顯示出磁性，從而對(duì)所處空間的地磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。根據(jù)電磁場(chǎng)理論[8]，彈體外殼的存在只影響地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，幾乎不影響彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角度變化量，因此對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試精度的影響甚小。由于彈體外殼影響信號(hào)的幅值，不同的彈體厚度、不同的旋轉(zhuǎn)速度其地磁傳感器輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值是不同的。測(cè)試者必須根據(jù)不同彈種設(shè)置線圈面積、匝數(shù)、放大倍數(shù)。對(duì)于整個(gè)彈道地磁傳感器輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值起伏很大的情況下，可以考慮多路放大方案（每路不同的放大倍數(shù)）。

2.2 小體積彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試[9]

對(duì)于小體積彈丸，如果仍使用線圈式地磁傳感器，當(dāng)體積減小到一定程度后，傳感器的輸出信號(hào)幅值將不能被后續(xù)電路放大處理。為了解決這一問題，測(cè)試者可以選用靈敏度更高的磁敏感元件，如磁通門、霍爾元件等。磁通門和霍爾元件均是弱磁場(chǎng)測(cè)量器件，而且它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。只要對(duì)產(chǎn)品合理的設(shè)計(jì)和灌封，它們可應(yīng)用于小體積彈丸上。

2.3 測(cè)試彈道的選擇

由于彈丸轉(zhuǎn)數(shù)是靠傳感器的線圈切割地磁場(chǎng)磁力線得到。如果彈丸的飛行軌跡恰好與地磁場(chǎng)磁力線重合，則不論彈丸旋轉(zhuǎn)與否，線圈都不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即存在所謂的“盲區(qū)”。由于彈丸在飛行時(shí)的“進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象。其彈道實(shí)際上并不是光滑曲線，而是一條螺旋狀軌跡，因此彈道與磁力線重合的概率很小。雖然出現(xiàn)盲區(qū)的概率很小，測(cè)試者還是應(yīng)避免測(cè)試彈道為南北方向，這是因?yàn)榧词共怀霈F(xiàn)盲區(qū)，地磁傳感器輸出幅值也很小，不利于測(cè)試。所以一般應(yīng)選擇彈道方向?yàn)槠珫|西方向。

2.4 振蕩器的選擇

彈內(nèi)計(jì)時(shí)精度是決定轉(zhuǎn)數(shù)精度的一個(gè)重要因素。時(shí)間精度是由彈內(nèi)計(jì)算機(jī)的振蕩頻率精度決定。一般計(jì)算機(jī)使用晶振作為振蕩器，振蕩頻率精度很高，完全滿足彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試。但一般轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試中彈丸的過載都很大（大于5000g），普通晶振由于抗過載能力小無法使用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已有可抗15000g過載的晶振，這樣對(duì)于小于15000g過載的彈丸轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)試，可以使用高過載晶振來保證時(shí)間精度。對(duì)于大于15000g的過載，一般使用RC振蕩器，經(jīng)校準(zhǔn)后其測(cè)試精度一般可以達(dá)到3%。

3 結(jié)束語

文中詳細(xì)闡述了利用地磁傳感器測(cè)試彈丸轉(zhuǎn)數(shù)的工作原理，并給出了彈丸轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)際測(cè)試曲線。還提出了基于地磁傳感器彈丸轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)際測(cè)試中需要注意的問題，給出了解決這些問題的方法。

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