基于磁感應(yīng)的彈丸落/著點定位方法研究*

郭尚生，吳曉穎，張萬君

(1遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽 110045;2裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

0 引言

研究彈丸立靶密集度試驗和制導(dǎo)彈藥首發(fā)命中率試驗皆采用活動靶車進(jìn)行，靶車上安裝有6m*6m的木制靶板，射擊后，由人員利用簡單測量工具對落點進(jìn)行測量，工作量大，安全性差，工作效率低，同時由于靶板太大，加之受氣候影響，經(jīng)常導(dǎo)致靶車傾覆，給試驗帶來許多困難。若實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量彈丸落/著點坐標(biāo)，例可采用 CCD交互測量，需要 3臺CCD設(shè)備布置在不同的站點，通過交互式測量確定彈丸落點。但由于需要動用大量昂貴設(shè)備，組織和實施困難，因此在實踐中極少采用。文中針對現(xiàn)有試驗中存在的問題，利用彈丸通過預(yù)定磁場時磁場強(qiáng)度和方向能夠發(fā)生變化的特性以及磁傳感器對弱磁場變化感知能力來實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換測量彈丸落點。

1 電磁定位系統(tǒng)工作原理

磁性物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用該效應(yīng)制成的傳感器稱為磁阻傳感器。當(dāng)外加磁場平行于磁阻傳感器內(nèi)部磁場方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化，當(dāng)外加磁場偏離磁阻傳感器內(nèi)部磁化方向時，電阻發(fā)生變化。通過各向異性磁阻的電阻值隨周圍磁場強(qiáng)度發(fā)生改變的特性，感知彈丸距磁阻傳感器的距離，進(jìn)而確定彈丸通過靶板時的落/著點位置，利用該原理測量彈丸落/著點位置的裝置稱為感應(yīng)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由磁阻傳感器陣列靶、通電線圈、自動檢靶儀、數(shù)字傳輸儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中的磁阻傳感器是由各向異性物質(zhì)構(gòu)成的電橋，在沒有外加磁場作用的情況下，若在電橋的一端加載電壓，電橋的另一端輸出電壓不變;如果有外加磁場的作用，磁阻傳感器的電阻會發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓的變化，通過測量電壓變化，可以獲得外加磁場的變化情況。磁阻傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 磁阻傳感器的工作原理圖

對于一定的工作電壓，如對HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。

式中:k為磁阻傳感器靈敏度;B為待測磁感應(yīng)強(qiáng)度;U0為外加磁場強(qiáng)度為0時傳感器的輸出量。

在電磁定位系統(tǒng)中，為降低地磁場的影響，首先繞制一定規(guī)格的線圈并通交流電建立一個弱磁場。該線圈半徑為a，通電電流為i，匝數(shù)為n。采用圓柱坐標(biāo)系構(gòu)建線圈在其垂直軸線上的磁場分析模型，該磁場在某一點M處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:

圖2 線圈靶磁場分析模型

式中:n為線圈匝數(shù);i為通過線圈的電流;a為線圈半徑;z為測量點距線圈中心的距離;r為線圈任一點到M點的距離;μ0為真空磁導(dǎo)率。

據(jù)式(3)可以計算出通電線圈不同位置處的磁場強(qiáng)度，結(jié)合式(1)，可計算出磁傳感器在線圈不同位置處的輸出電壓值。

當(dāng)有彈丸通過感應(yīng)線圈時，線圈周圍的磁場會隨著彈丸位置的變化發(fā)生改變。利用磁阻傳感器組成的陣列將不同位置處的磁阻變化轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，根據(jù)輸出電壓的變化，確定彈丸通過線圈的位置，實現(xiàn)實時非接觸精確測量彈丸落/著點的目的。

2 電磁定位系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電磁定位系統(tǒng)為完成精確定位的功能，應(yīng)包括磁阻傳感器陣列靶、自動檢靶儀、數(shù)字傳輸儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。系統(tǒng)工作過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作過程

線圈靶的作用是在線圈周圍形成弱磁場。利用電磁理論計算磁場內(nèi)不同點的磁場強(qiáng)度，對彈丸接近磁場時的各種情況進(jìn)行分析、設(shè)定和靜態(tài)試驗，分析各種干擾對磁場的影響，著重分析典型尺寸彈丸以不同速度、不同姿態(tài)進(jìn)入磁場，導(dǎo)致磁場強(qiáng)度和方向的變化規(guī)律;尋找磁阻傳感器因磁場變化引起的輸出變化規(guī)律，為模型建立提供依據(jù)。

傳感器的作用是將彈丸經(jīng)過磁場時磁場強(qiáng)度和方向的變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。傳感器選取充分考慮靈敏度、測量的精度，覆蓋的范圍以及外加磁場變化和輸出的線性度等因素，同時要考慮其對環(huán)境的適應(yīng)性，如對高低溫、沙塵、振動等耐受程度，力求選擇適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高和測試范圍廣的產(chǎn)品。傳感器在靶上的布置位置，在滿足測試要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)牢固可靠，減少受彈概率。圖4即為傳感器陣列的安裝位置示意。

圖4 傳感器陣列安裝位置示意圖

自動檢靶儀能夠?qū)崟r檢測到由傳感器陣列發(fā)出的信號，并將該信號準(zhǔn)確無誤快速的傳給數(shù)據(jù)傳輸儀器，在傳輸儀器中將信號進(jìn)行整形濾波放大等處理，利用有線或無線傳輸方式，傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是該定位系統(tǒng)的核心部分，它包括磁場的分布規(guī)律，磁阻變化規(guī)律和彈丸位置的對應(yīng)關(guān)系等。

靜態(tài)磁場的分布規(guī)律由電磁理論分析得到，根據(jù)不同位置處的磁場強(qiáng)度與距線圈的距離的3次方成反比;彈丸經(jīng)過線圈時磁場的變化通過靜態(tài)試驗獲得，試驗中研究典型尺寸彈丸，不同彈體材料，彈丸著靶姿態(tài)、著靶速度等對磁阻變化的影響規(guī)律，建立一系列數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)磁阻變化和彈丸位置的一一對應(yīng)關(guān)系;最后探索試驗各種干擾因素對磁阻傳感器靈敏度和輸出的影響，利用軟件編寫修正模型。在各種軟件的支持下，各種模型運行，實現(xiàn)對磁阻傳感器輸出電量值的處理，得到彈丸落點坐標(biāo)。實現(xiàn)利用電磁定位系統(tǒng)精確測量彈丸落點坐標(biāo)。通過顯示系統(tǒng)顯示結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該定位系統(tǒng)的核心在于獲得磁阻變化和彈丸位置之間精確的一一對應(yīng)關(guān)系，為此需要對影響磁阻變化的主要影響因素進(jìn)行修正，從而需要利用軟件設(shè)計進(jìn)行修正。

為克服外部復(fù)雜磁場環(huán)境對傳感器的信號測量的影響，在每次使用前必須對磁阻傳感器進(jìn)行置位/復(fù)位(S/R)，來保證傳感器一直處在高靈敏度模式下工作。S/R電流帶的目的是把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)，一旦傳感器被置位(或復(fù)位)，可實現(xiàn)低噪音和高靈敏的磁場測量。由于磁阻傳感器輸出的電壓信號很低，不能夠直接進(jìn)行傳輸，因此需要利用兩到三級的放大電路對磁阻傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行逐級放大，最終得到消除干擾的輸出信號，用于后續(xù)的分析和處理，具體的放大電路設(shè)計可參考文獻(xiàn)[10]。

軟件模型建立的主要依據(jù)為靜態(tài)磁場的分布規(guī)律和電磁理論，其次為試驗狀態(tài)下獲得的不同影響因素對定位精度影響的量化數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，擬合成相應(yīng)的關(guān)系式，最終獲得輸出和彈丸落點之間一一對應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論

通過對電磁定位系統(tǒng)工作原理的分析和結(jié)構(gòu)探討后，認(rèn)為在一定理論分析和模擬實驗的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ふ业綇椡栉恢煤痛抛枳兓膶?yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)彈丸落/著點的非接觸測量，為改變試驗研究測量手段和完善測量方法提供思路。為電磁定位系統(tǒng)測試設(shè)備的研制奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。但該研究僅限于理論分析和靜態(tài)試驗階段，距離工程應(yīng)用仍具有一定的距離。

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