炮口煙光電測(cè)試方法設(shè)計(jì)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

炮口煙光電測(cè)試方法設(shè)計(jì)

暢院東1，開百勝2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測(cè)試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710021；

2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江157000)

摘要：針對(duì)炮口煙霧濃度測(cè)試的目的，設(shè)計(jì)了一種煙霧濃度光電測(cè)試方法；采用半導(dǎo)體激光器作為調(diào)制光源，APD作為光敏探測(cè)單元，結(jié)合鎖相放大的方式得出光強(qiáng)與煙霧濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；設(shè)計(jì)了炮口煙箱結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理電路，通過理論分析及仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：光電檢測(cè)；鎖相放大器 ；煙霧濃度；透過率

收稿日期：2014-11-15

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳2013基金(2013JK1055)

作者簡(jiǎn)介：暢院東(1986—)，男，碩士研究生，主要從事武器光電測(cè)試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.013

中圖分類號(hào)：TJ410.6

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0044-05

本文引用格式：暢院東，開百勝.炮口煙光電測(cè)試方法設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):44-48.

Citationformat:CHANGYuan-dong,KAIBai-sheng.DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):44-48.

DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke

CHANGYuan-dong1, KAI Bai-sheng2

(1.KeyLaboratoryofPhotoelectricTestingandInstrumentTechnologyofShaanxiProvince,

Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China;

2.HeilongjiangNorthToolCo.,Ltd.,Mudanjiang157000,China)

Abstract:A new method of smoke concentration measuring had been designed for measuring the muzzle smoke concentration. Using semiconductor lasers as the modulated optical sources and APDs as the cells of photosensitive detection, we came to the corresponding relation between light intensity and smoke concentration by combining phase-locking amplifier. The structure of smoke-box and the signal processing circuit were designed and the validity of these designs was demonstrated through theoretical analysis and simulation.

Keywords:photo-electricdetection;phase-lockedamplifier;smokeconcentration;transmittance

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，常規(guī)武器系統(tǒng)在發(fā)射過程中產(chǎn)生的煙焰越少越好。因此，保證火炮能量充足的前提下，對(duì)煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)可以為發(fā)射藥的研究提供重要的參考依據(jù)?，F(xiàn)有的煙霧濃度檢測(cè)方法主要為基于圖像檢測(cè)法和基于光檢測(cè)法，這2種方法都屬于非接觸式檢測(cè)法[1]。相比較而言，圖像檢測(cè)法造價(jià)高昂、設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，而光檢測(cè)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)受到研究者的重視。該測(cè)試技術(shù)選用通過光透過量變化原理的煙霧濃度激光檢測(cè)方法，其解決了小口徑炮口煙指標(biāo)測(cè)量的技術(shù)難題。該技術(shù)可以應(yīng)用在彈藥測(cè)量等領(lǐng)域。

1測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)

1.1測(cè)量原理

炮口煙霧測(cè)試時(shí)，由于發(fā)射藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的是混合氣溶膠，不是單一煙霧粒子,在實(shí)彈試驗(yàn)中很難對(duì)炮口煙進(jìn)行定標(biāo)。因此在對(duì)炮彈發(fā)射藥產(chǎn)生的煙霧不能定標(biāo)的情況下，采用了相對(duì)透過率來表征煙霧濃度的大小。據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[2]

A=Lg1/T=KbC

(1)

其中：A為吸光度，T為透過率(T=I/I0，I0是無煙時(shí)透過光強(qiáng)，I是有煙時(shí)透過光強(qiáng))，K為消光系數(shù)，b為吸收層厚度，C為煙霧濃度。

1.2三光路測(cè)量法

為提高該測(cè)試技術(shù)的可靠性，選用3個(gè)激光器和3個(gè)光電探測(cè)器組成三光路測(cè)量法。該測(cè)試技術(shù)包括煙箱裝置、3個(gè)激光器和調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元、3個(gè)APD探測(cè)器、三路鎖相放大及信號(hào)處理電路[2-3]等。煙箱裝置用于形成密閉環(huán)境，收集炮口煙霧，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性[4]。激光器驅(qū)動(dòng)調(diào)制單元產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號(hào)，分成兩路輸出，一路用作鎖相放大電路的參考信號(hào)，另外一路用作激光器調(diào)制信號(hào)。三束平行的調(diào)制激光束垂直射入煙箱裝置，經(jīng)煙箱裝置透射出的激光束分別照射到3個(gè)APD探測(cè)器的光敏面上。APD探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電信號(hào)，經(jīng)鎖相放大及信號(hào)處理電路放大處理后分別輸出V1、V2、V3。圖1為測(cè)量原理圖。

圖1　測(cè)量原理

圖1(a)為煙箱內(nèi)無煙霧時(shí)，3個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)分別為I10、I20、I30，光電探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電信號(hào)再經(jīng)信號(hào)處理電路處理后輸出的電壓信號(hào)分變?yōu)閂10、V20、V30。圖1(b)為煙箱內(nèi)有煙霧時(shí)，3個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)分別為I11、I21、I31，信號(hào)處理電路輸出的電壓值分別為V11、V21、V31。由光電檢測(cè)基本理論知，光強(qiáng)I與信號(hào)處理電路輸出電壓V成線性關(guān)系，這里可表示為

(2)

煙箱內(nèi)煙霧透射率為

(3)

得到

(4)

消光系數(shù)K=σ(λ)，是一個(gè)只與透射光波長λ相關(guān)的函數(shù)[1]，設(shè)計(jì)中所使用的激光器為單色紅外激光器，波長λ是一定的，因此消光系數(shù)K為常數(shù)。煙霧吸收層厚度b為煙箱寬度，是一定值常數(shù)。根據(jù)上面所確定的各參數(shù)，最終可以得到煙霧濃度的表達(dá)式為

(5)

按上述分析可知，煙霧濃度的測(cè)試結(jié)果只受T值的影響。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙箱測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分。第一部分減壓聚煙裝置，只是起到聚攏煙霧的作用，并且讓炮彈從箱體飛出，這樣大大的減小了炮彈的沖擊波，起到了保護(hù)箱體的作用。第二部分為負(fù)壓測(cè)試裝置，主體是一個(gè)負(fù)壓箱，負(fù)壓箱由于壓強(qiáng)的作用，將正壓箱內(nèi)的煙霧吸進(jìn)其內(nèi)，并對(duì)煙霧進(jìn)行濃度測(cè)量。整個(gè)裝置既可以保證能夠承受炮彈的強(qiáng)大沖擊力，也能保護(hù)測(cè)試裝置不被破壞，更能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，圖2為整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2　煙箱整體結(jié)構(gòu)

測(cè)試之前先將負(fù)壓箱用真空泵抽成負(fù)壓，測(cè)試時(shí)炮彈從正壓箱飛射出去，安裝在正壓箱后面的探測(cè)裝置器探測(cè)到炮彈飛出則負(fù)壓箱打開箱門，由于煙霧噴出需要時(shí)間，煙霧噴出時(shí)負(fù)壓箱開始吸收煙霧，當(dāng)負(fù)壓箱內(nèi)的氣壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，感應(yīng)裝置感應(yīng)到將箱門關(guān)閉。此時(shí)負(fù)壓箱處在密封狀態(tài)下對(duì)煙霧濃度進(jìn)行測(cè)量。

正壓箱由連接支架、箱體和感應(yīng)裝置組成。圖3為正壓箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3　正壓箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)壓箱主要負(fù)責(zé)煙霧的測(cè)量，主要由箱體、連接支架、推桿、擋板、壓力傳感器、真空泵、激光器和光電探測(cè)器及固定支架等組成。圖4為負(fù)壓箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖5為負(fù)壓箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4　負(fù)壓箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5　負(fù)壓箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2建模與分析

應(yīng)用Simulink軟件進(jìn)行炮口煙箱光電測(cè)試技術(shù)建模，并對(duì)檢測(cè)煙霧濃度信號(hào)的過程進(jìn)行理論仿真[5]。圖6為該測(cè)試技術(shù)的建模圖，運(yùn)用的是典型的鎖相放大器，即實(shí)際信號(hào)先經(jīng)過交流放大和帶通濾波后與參考信號(hào)相乘，得到的信號(hào)再經(jīng)過直流放大和低通濾波后輸出最終信號(hào)[6]。

圖6　仿真模型

1) 實(shí)際信號(hào)波形。實(shí)際信號(hào)為透射過煙箱的激光光強(qiáng)信號(hào)，即理論信號(hào)經(jīng)過一定頻率的正弦波調(diào)制后再疊加噪聲信號(hào)，噪聲主要為白噪聲。圖7為仿真得到的實(shí)際信號(hào)。

2) 鎖相放大器輸出波形。實(shí)際信號(hào)先進(jìn)行放大，再經(jīng)過帶通濾波器，與經(jīng)過90°相移的參考信號(hào)(正弦波調(diào)制信號(hào))相乘得到如圖8所示波形。

圖7　實(shí)際信號(hào)波形

圖8　鎖相放大器輸出波形

3) 濾波后輸出波形。圖9為乘法器輸出信號(hào)經(jīng)過放大，再經(jīng)二級(jí)濾波最終輸出信號(hào)的波形，圖10為透過率變化理論信號(hào)波形(單位：V)。最終得到的信號(hào)波形與理論信號(hào)波形相吻合。在激光煙霧濃度檢測(cè)中應(yīng)用鎖相放大器可以很好的實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的處理，獲得理想的結(jié)果。

圖9　濾波后輸出波形

圖10　透過率變化信號(hào)理論波形

3電路設(shè)計(jì)與仿真

1) 前置放大電路。前置放大器對(duì)APD輸出的交流微電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為A1=1+R1/R2，圖11為前置放大電路原理圖。

2) 移相電路。RC與運(yùn)放結(jié)合可以組成有源移相電路，圖12為滯后型移相電路，當(dāng)R6=16 kΩ時(shí)，相移角度約為90°。

3) 帶通濾波電路。圖13為帶通濾波原理圖，R8和C3組成低通濾波，高于這個(gè)頻率的不能通過。耦合電容C 實(shí)現(xiàn)一級(jí)放大和二級(jí)放大各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)及放大參數(shù)的互補(bǔ)影響，同時(shí)也起到通交隔直的作用，R11與C4組合實(shí)現(xiàn)了高頻濾波效果，可有效去除高頻部分噪聲信號(hào)。

4) 信號(hào)相關(guān)電路仿真。采用ADI公司的AD630作為信號(hào)相關(guān)器。AD630由兩個(gè)預(yù)算放大器A和B、切換開關(guān)S、輸出積分放大器，比較器COPM、片內(nèi)電阻。片內(nèi)補(bǔ)償電容組成。由COPM驅(qū)動(dòng)開關(guān)S置A或B，通道A和B之間的隔離度超過100 dB。該芯片是設(shè)計(jì)鎖相放大器最為理想的集成芯片。加載激勵(lì)信號(hào)n(t)=sin(ωt+90°)，r(t)=5sinωt則uo(t)= n(t)×r(t)=2.5sin(2ωt)。圖14為信號(hào)相關(guān)電路仿真。

5) 整體仿真?；谝陨细麟娐纺Ｐ头抡?，組合各部分電路原理圖得到最終的信號(hào)處理電路。圖15為整體原理圖。圖16為原始低頻信號(hào)與輸出信號(hào)的波形圖。

圖11　前置放大電路仿真

圖12　移相電路仿真

圖13　帶通濾波器電路仿真

圖15　整體電路原理

圖16　低頻信號(hào)與輸出信號(hào)

依據(jù)測(cè)試模型分析，給信號(hào)處理電路加載激勵(lì)信號(hào)，即一個(gè)低頻信號(hào)與一個(gè)高頻信號(hào)相乘獲得的信號(hào)，通過觀測(cè)電路處理后的輸出信號(hào)與這個(gè)低頻信號(hào)的吻合程度來判斷電路設(shè)計(jì)是否正確。由圖16可知，信號(hào)處理各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

本文根據(jù)煙霧的變化特點(diǎn)，結(jié)合朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律和光電轉(zhuǎn)換理論建立起煙霧濃度和電路輸出電壓之間的比例關(guān)系。通過采用鎖相放大原理對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大處理的方法，應(yīng)用Matlab和Multisim軟件對(duì)該測(cè)試技術(shù)進(jìn)行建模分析和電路設(shè)計(jì)理論仿真。得到了理想的結(jié)果，證明了該測(cè)試技術(shù)的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勁松,李海蘭.新型槍口煙測(cè)試系統(tǒng)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2009,31(12):58-61.

[2]馮繼青,高春清.激光對(duì)于煙霧的穿透特性分析[J].光學(xué)技術(shù),2006,32(6):883-885.

[3]朱曉莉,厲霞.基于AD630的雙相鎖相放大器設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2012,41(6):19-23.

[4]武山,呂子峰.大氣模擬煙霧箱系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(4):529 -536.

[5]薛定宇,陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[6]王琦.基于Simulink的鎖定放大器仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].電子質(zhì)量,2012,7(8):13-14.

[7]李強(qiáng)，閆光虎，嚴(yán)文榮，等.消焰劑對(duì)炮口煙焰的影響[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2013(7):133-136.

(責(zé)任編輯周江川)