水下自動武器后坐能量測試傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王麗麗，余紅英，楊 臻，李 萍

(1.中北大學(xué) 計算機與控制工程學(xué)院，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原030051)

0 引 言

水下武器在研制過程中由于其特殊的使用環(huán)境，武器的測試方法與常規(guī)的地面武器有較大的差異［1，2］。自動機作為自動武器的心臟部件，其后坐能量的大小是衡量武器性能的重要指標(biāo)之一［3］。已有的自動機后坐能量測試方法是將武器安裝在固定滑臺上，通過測量武器發(fā)射時的后坐速度間接測試后坐能量［4，5］，后坐速度利用磁電式傳感器間接測量得到［6］。

目前采用的磁電式傳感器一般選用高導(dǎo)磁的金屬材料作為鐵芯，雖提高了靈敏度，但如果選用的材料能形成回路，將會在鐵芯表面形成渦流，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，阻止速度線圈中的總感應(yīng)電動勢隨磁鐵速度的改變而產(chǎn)生的變化，嚴(yán)重降低傳感器的靈敏度和動態(tài)特性［7，8］。因此，需對該傳感器進行優(yōu)化設(shè)計，使其在保證高靈敏度的同時，減小甚至消除渦流帶來的影響［9］。

本文提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的測速傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，試驗表明:該設(shè)計結(jié)構(gòu)動態(tài)性能更好，更能精確反映自動機的運動規(guī)律。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 傳感器本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文提出的對磁電式傳感器的優(yōu)化設(shè)計主要是以環(huán)氧樹脂板代替鐵芯。環(huán)氧樹脂板具有良好的力學(xué)性能，可以適應(yīng)各種應(yīng)用對形式提出的要求，并且絕緣，避免了在自動機測量中渦流等對傳感器靈敏度產(chǎn)生的影響。本文根據(jù)自動機的行程選擇合適長度的矩形柱形的環(huán)氧樹脂板作為線圈的鐵芯。在環(huán)氧樹脂板上用漆包線緊密纏繞一層線圈作為速度線圈，在速度線圈表面利用絲包線等間距正反多圈間繞而成位移線圈。由于環(huán)氧樹脂板不導(dǎo)磁，為保證傳感器的靈敏度，鐵芯需具有較高的導(dǎo)磁率，故在速度線圈與環(huán)氧樹脂板之間加一層坡莫合金片。該合金由鐵鎳兩種元素組成，選擇鐵鎳比例合適的合金，能夠使其在弱磁場下具有極高導(dǎo)磁率。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Inner structure of sensor

1.2 傳感器工作原理

測量時，永久磁鐵與連接件組合成磁頭件，與被測件剛性連接。如圖2 所示，當(dāng)自動機工作時，磁頭件隨著自動機的運動而運動，永久磁鐵將在速度線圈內(nèi)產(chǎn)生如圖2 所示的磁場，并且磁通量Φ 的大小隨著永久磁鐵與速度線圈的距離按指數(shù)衰減。當(dāng)被測件以速度v 運動時，將帶動永久磁鐵在速度線圈表面運動，使穿過各匝速度線圈的磁通量隨著各匝線圈與永久磁鐵的距離而產(chǎn)生變化，即各匝速度線圈中的磁場強度也是x 的函數(shù)B=B(x)。設(shè)速度線圈的橫截面積為S，則通過各匝速度線圈的磁通量

當(dāng)線圈幾何參數(shù)一定時，S 是常量，所以，有

對式(2)進行變換

因此，由法拉第電磁感應(yīng)原理

圖2 工作原理Fig 2 Operating principle

由式(4)可以看出，在各匝速度線圈中將產(chǎn)生與速度v呈正比的感應(yīng)電動勢，而總的感應(yīng)電動勢應(yīng)為各匝感應(yīng)電動勢之和。上述公式中x 軸方向表示速度線圈軸向方向，N 為速度線圈匝數(shù)。

永久磁鐵在運動時，同時也從位移線圈表面滑過，經(jīng)過一個繞組產(chǎn)生一個電動勢信號。由于位移線圈中兩個相鄰繞組的繞向相反，對外電路來說，相鄰繞組中產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電動勢，故產(chǎn)生的位移信號為鋸齒波，相鄰的峰尖和峰谷對應(yīng)的時間間隔相當(dāng)于永久磁鐵通過一個節(jié)距所用的時間，通過計算產(chǎn)生鋸齒波的個數(shù)即可得到自動機運動的位移。

1.3 信號調(diào)理單元優(yōu)化

自動機運動劇烈，在對自動武器進行測量時，往往是多個參數(shù)同時測量，使用磁電式傳感器測出的信號通常比較微弱，多種因素的干擾會對自動機的信號產(chǎn)生影響，故本文設(shè)計了信號調(diào)理電路對自動機輸出的信號做進一步的處理，使其能更直觀準(zhǔn)確地反映自動機的運動規(guī)律。信號調(diào)理電路如圖3 所示。

圖3 信號調(diào)理電路Fig 3 Signal conditioning circuit

2 測試結(jié)果

利用封裝好的傳感器，在某自動武器動態(tài)參量測試基地進行了多次后坐能量測試，圖4 所示為速度—時間曲線，圖5 所示為位移—時間曲線。

圖4 速度—時間曲線Fig 4 v-t curve

圖5 位移—時間曲線Fig 5 s-t curve

炮彈射擊時，火藥壓力產(chǎn)生的沖量向前發(fā)射彈頭，向后使武器后坐，經(jīng)過一段時間，氣體作用結(jié)束，自動機速度下降，但是由于慣性繼續(xù)后坐，后坐到位后，在復(fù)進簧伸張力的作用下復(fù)進，經(jīng)過一段時間復(fù)進到位，開始第二發(fā)炮彈的射擊。在復(fù)進到位時，由于撞擊等原因，又會反方向運動一小段距離。在軟件中對位移信號進行巴斯沃特濾波處理，并經(jīng)過相關(guān)積分算法處理后的位移—時間曲線如圖6 所示。

圖6 濾波處理后的位移—時間曲線Fig 6 s-t curve after filtering

3 數(shù)據(jù)分析

為了驗證本傳感器的精確度與靈敏度，對傳感器的測量結(jié)果進行了誤差分析與不確定度分析。

3.1 誤差分析

本傳感器多次測量的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 傳感器測量數(shù)據(jù)Tab 1 Sensor measurement data

算術(shù)平均值為

表2 殘余誤差Tab 2 Residual error

根據(jù)殘余誤差代數(shù)和校核規(guī)則，已知n=9，經(jīng)計算

其中，σ 為算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，算術(shù)平均值的極限誤差按τ 分布計算，取α=0.05，查表得到:τα=2.31，極限誤差為

最后測量結(jié)果通常用算術(shù)平均值及其極限誤差來表示，即

根據(jù)有關(guān)資料可知，傳感器的測量精確度滿足要求。

3.2 不確定度分析

根據(jù)分析，不確定度采用B 類評定方法［10］，有以下幾個方面:

1)采集卡滿幅量程為5 V，16 位，相對誤差為

2)采樣頻率100 kHz，相對誤差為

3)傳感器自身靈敏度，相對誤差公式為

當(dāng)溫度變化時，由銅線本身的屬性可得

4)永久磁鐵的磁性會隨溫度和時間的推移而變化，在受到?jīng)_擊或振動作用后，磁感應(yīng)強度會有些損失，約下降1%，故

μ1=0.00067%，μ2=0.42%，μ3=0.15%，μ4=0.33%.

因各個不確定度分量相互獨立，合成不確定度為

因各個不確定度分量和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度皆基于誤差范圍為3σ，故取包含因子k=3，則系統(tǒng)不確定度為

經(jīng)過查詢有關(guān)資料［4］，優(yōu)化后的傳感器結(jié)果的不確定度優(yōu)于已有的水下測試傳感器，傳感器的靈敏度得到了很大的提高。

4 結(jié) 論

本文提出的優(yōu)化方法有效地解決了水下自動機運動參數(shù)測量中傳統(tǒng)傳感器金屬鐵芯產(chǎn)生的渦流影響傳感器精度的問題，測試信號經(jīng)處理單元后，能準(zhǔn)確地反映出自動機的運動規(guī)律。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，傳感器的精確度和靈敏度都得到了提高。在測試的過程中，不僅單發(fā)測試結(jié)果準(zhǔn)確，連發(fā)射擊測試結(jié)果也客觀可靠，對自動武器的水下工作的研究提供了有力的幫助。

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