基于地磁計轉(zhuǎn)數(shù)的引信化學(xué)電池相對激活時間測試方法研究

楊文忠， 丁立波， 張合

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

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基于地磁計轉(zhuǎn)數(shù)的引信化學(xué)電池相對激活時間測試方法研究

楊文忠， 丁立波， 張合

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

針對小口徑引信化學(xué)電池激活時間的測試需求，提出了一種利用彈載存儲測試技術(shù)同時記錄化學(xué)電池電壓曲線和彈道地磁信號的測試方法。給出了引信電池相對激活時間的定義和測試原理；仿真分析了突變磁場的產(chǎn)生方法及局部地磁信號的畸變特性；給出了動態(tài)回收試驗方法與試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，該測試方法可以獲得電池電壓上升曲線、彈丸出炮口時刻及電池相對激活時間，對優(yōu)化電池性能及提升引信作用精度有參考意義。 關(guān)鍵詞： 兵器科學(xué)與技術(shù)； 化學(xué)電池激活時間； 地磁計轉(zhuǎn)數(shù)原理； 亥姆霍茲線圈； 彈載存儲測試

0 引言

引信化學(xué)電池是在雙環(huán)境力下工作的一次性電源，其安全性好，可儲存時間長，對于攻擊短距離目標(biāo)的引信極為有利，尤其適合于雙環(huán)境力結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的引信[1]，因此國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。很多電子時間引信都以化學(xué)電池作為引信電源且以電池激活做為引信電路工作的起點。起點信號是影響電引信作用精度的重要因素之一，隨著引信定時、定距技術(shù)水平的不斷提高，電池激活時間誤差在引信作用精度影響因素中所占的比重越來越高。因此，改進電池激活特性成為提高引信總體性能的重要途徑，而如何準(zhǔn)確測量電池激活時間則是首先要解決的問題。

化學(xué)電池一般采用豎式極片組或疊層式結(jié)構(gòu)，電解液瓶置于豎式極片組中央。在彈丸發(fā)射的高過載作用下，激活機構(gòu)沖破電解液瓶上的塑料薄膜，電解液在彈丸高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下，迅速均勻流入豎式極片組中，并與極片發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電動勢[1]。特殊的結(jié)構(gòu)及工作方式給其激活特性的測試帶來了很大的困難，目前國內(nèi)外化學(xué)電池的性能測試主要是電壓幅值、電壓噪聲及放電時間等參數(shù)的測試，主要有兩種方法：一種是在實驗室條件下采用雙環(huán)境力模擬裝置激活電池進行測試，另一種是在真實發(fā)射環(huán)境下激活電池，采用彈載存儲或遙測方式進行測試。文獻[2]介紹了一種主要用于模擬引信液體儲備電池在炮彈發(fā)射時后坐與旋轉(zhuǎn)的環(huán)境力模擬裝置，其關(guān)鍵的技術(shù)是安裝引信電池的彈丸碰撞到高速旋轉(zhuǎn)的木制沖擊墊上，其瞬態(tài)沖擊過程參數(shù)和彈丸轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速所需要的時間是否符合引信電池的測試條件；文獻[3]采用雙環(huán)境測試平臺模擬高沖擊和高速旋轉(zhuǎn)的電池激活條件，通過存儲測試系統(tǒng)引信電源的一些重要參數(shù)進行實測。雙環(huán)境力模擬裝置技術(shù)的瓶頸在于旋轉(zhuǎn)機的最高轉(zhuǎn)速及最大后坐力，目前國內(nèi)實驗室中旋轉(zhuǎn)機最高轉(zhuǎn)速不高于20 000 r/min，最大后坐力一般只能達(dá)到幾千g，因此雙環(huán)境力模擬裝置一般只能用來測試低轉(zhuǎn)速低過載引信電池[4]。某些小口徑引信轉(zhuǎn)速達(dá)到80 000 r/min,后坐力更是高達(dá)70 000g，目前為止國內(nèi)外還沒有雙環(huán)境力模擬裝置能夠模擬其激活條件，因此只能采用彈載存儲或遙測技術(shù)通過動態(tài)發(fā)射試驗進行測試。文獻[5]介紹了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的彈載數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地完成數(shù)據(jù)傳輸工作，且傳輸數(shù)據(jù)迅速、準(zhǔn)確、無錯幀與丟幀現(xiàn)象，具備一定的工程實用價值；文獻[6]介紹了一種膛內(nèi)多路瞬態(tài)信號存儲測試技術(shù),在發(fā)射過程中將被測載體飛行過程中的各種動態(tài)參數(shù)和狀態(tài)信息實時存儲下來,發(fā)射后將測試儀器回收得到所需要的測試信息。彈載存儲測試技術(shù)都能夠準(zhǔn)確記錄電池電壓曲線隨時間的變化規(guī)律，可以測試電池電壓、噪聲及放電時間，但由于無法獲知彈藥擊發(fā)或出炮口時刻，因此不能給出電池的激活時間等參數(shù)。

基于彈載存儲測試技術(shù)，本文提出了一種同步采集電池電壓與彈道地磁信號的測試方法，可以給出電池電壓上升曲線與彈丸出炮口時刻的對應(yīng)關(guān)系，從而獲知電池激活時間等參數(shù)。

圖1 化學(xué)電池激活時間曲線Fig.1 Activation time curve of chemical battery

1 化學(xué)電池相對激活時間測試方法

化學(xué)電池激活時間是指在規(guī)定的電流負(fù)載條件下，自激活機構(gòu)開始動作至電池輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱值的時間[7]。本文所述的化學(xué)電池相對激活時間是指以彈丸出炮口為計時起點，電池電壓V達(dá)到引信電路可靠工作電壓的時間。圖1為化學(xué)電池理想激活時間曲線，tf為彈丸擊發(fā)時刻，ts為電池電壓開始上升時刻，tm為彈丸出炮口時刻，tw為電池電壓達(dá)到引信電路工作電壓時刻，t90為達(dá)到電池最大電壓90%時刻，tmax為最大電壓時刻，其中定義的相對激活時間為炮口至引信系統(tǒng)可靠工作點之間的時間即T=tw-tm. 激活時間大于零表示引信電路工作起點在彈丸出炮口之后，激活時間小于零表示引信電路工作起點在彈丸出炮口之前。

為了測量電池的相對激活時間，在試驗彈丸上安裝地磁計轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，采用彈載存儲測試技術(shù)同時采集電池電壓曲線與彈丸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交變地磁信號，根據(jù)彈道地磁信號判斷彈丸出炮口的時刻。

由于發(fā)射藥爆燃引起的強烈電磁干擾，膛內(nèi)和后效期內(nèi)地磁傳感器的信號呈現(xiàn)很大的不確定性，不能夠表示出彈丸出炮口的準(zhǔn)確時刻。為此，在彈道上遠(yuǎn)離炮口區(qū)的某一特定位置上疊加一個與地磁場方向相反的局部磁場，形成一個磁場突變區(qū)。彈丸在飛經(jīng)該磁場突變區(qū)域時，地磁計轉(zhuǎn)數(shù)傳感器的輸出信號將產(chǎn)生相應(yīng)的幅度和周期畸變。

將地磁信號放大并與電池電壓同步采集存儲，回收彈丸后對地磁信號進行分析，可以獲得彈丸飛過磁場突變區(qū)域中心的時刻。由于彈丸在炮口附近每旋轉(zhuǎn)一周前進一個導(dǎo)程的距離，彈丸從炮口飛行至磁場突變區(qū)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)可以通過飛行距離與導(dǎo)程的比值得出，因此從回收的彈道地磁信號中，可以通過地磁突變區(qū)域中心反推出彈丸出炮口的時刻，進而可以分析電池激活時間等參數(shù)。

圖2 亥姆霍茲線圈三維模型Fig.2 Helmholtz coil three-dimensional model

圖3 亥姆霍茲線圈磁場示意圖Fig.3 Schematic diagram of Helmholtz coil magnetic field

圖4 B與X關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of B and X

圖5 疊加磁場波形Fig.5 Waveform of superposed magnetic field

2 疊加磁場的產(chǎn)生

局部磁場利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生。亥姆霍茲線圈是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈，如圖2所示。

在兩線圈內(nèi)的電流方向一致，且線圈之間距離等于線圈的半徑時，會在其公共軸線中點附近產(chǎn)生較均勻磁場區(qū)，而公共軸線以外的磁場會迅速減小。

用多物理場Comsol multiphysics軟件建立亥姆霍茲線圈模型，可得到在兩線圈中心且平行于線圈方向的磁場強度變化，如圖3所示。

為了采集到比較明顯的地磁突變信號，希望產(chǎn)生的局部磁場與地磁場方向相反，強度相當(dāng)，因此亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場強度應(yīng)為地磁場的2倍，約為0.1 mT. 根據(jù)不同的線圈直徑和線圈匝數(shù)，可以計算出產(chǎn)生所需磁場強度的線圈電流值。圖4為仿真所得亥姆霍茲線圈磁場強度B與線圈位置X的關(guān)系曲線。

將亥姆霍茲磁場與地磁場(Be=0.05mT)反向疊加可得到如圖5所示的磁場強度B與線圈位置X的關(guān)系曲線。

在均勻磁場中，當(dāng)一個閉合線圈平面法線與地磁線呈一個角度φ,并繞平面軸線旋轉(zhuǎn)時,在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢:E=-Ndφ/dt，N為線圈匝數(shù)。假設(shè)地磁場強度為Be，彈丸轉(zhuǎn)速為ω，線圈面積為S,則感應(yīng)電動勢[8-9]為

(1)

從(1)式可知，彈丸旋轉(zhuǎn)一周, 與之對應(yīng)，地磁線圈也輸出信號正弦波的一個周期，且轉(zhuǎn)速越高, 輸出電壓越大。將(1)式進一步推導(dǎo)可得地磁線圈切割疊加磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢[10]為

(2)

式中：μ為線圈芯的磁導(dǎo)率；α為線圈初始相位；Bs為疊加磁場強度。線圈半徑R不同時，感應(yīng)電動勢突變范圍會不同，當(dāng)α恒定時，改變R值可得到不同的感應(yīng)電動勢變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同線圈半徑時電動勢變化曲線Fig.6 Curves of induction electromotive force for coils with different radii

圖6中線圈半徑R分別取15 cm、25 cm、35 cm和50 cm. 由圖6可知，隨著線圈半徑的增加，感應(yīng)電動勢明顯突變的范圍依次增大，而感應(yīng)電動勢突變范圍的增大，不利于線圈中心位置的精確定位。并且線圈半徑越大，產(chǎn)生同等大小的磁場需要的激勵電流和線圈匝數(shù)也要增加，這會給線圈的繞制和試驗現(xiàn)場電源設(shè)備帶來不便。因此在考慮試驗安全性和可行性的前提下，取線圈半徑R=15 cm.

改變線圈初始相位會改變局部磁場的疊加位置，因此當(dāng)線圈半徑一定時，改變相位α?xí)a(chǎn)生不同的疊加曲線，圖7為R=15 cm時，α在0 rad、π/2 rad、π rad、3π/2 rad時的感應(yīng)電動勢變化曲線。

由圖7看出：當(dāng)α分別為π/2 rad和3π/2 rad時，疊加磁場的感應(yīng)電動勢變化未經(jīng)過零點，此時感應(yīng)電動勢變化的周期數(shù)明顯減少，即感應(yīng)電動勢的方向改變次數(shù)明顯減少；當(dāng)α分別為0 rad和π rad時，疊加磁場的感應(yīng)電動勢變化經(jīng)過零點，此時感應(yīng)電動勢變化的周期數(shù)明顯，即感應(yīng)電動勢的方向改變次數(shù)明顯增多。因此，無論彈丸在膛內(nèi)初始位置的相位如何，都能明顯區(qū)別和定位亥姆霍茲線圈的位置。

3 動態(tài)回收試驗方案設(shè)計

為了實現(xiàn)以上原理，本試驗采用如圖8所示方案。

總體試驗方案由彈道炮、磁靶(亥姆霍茲線圈)及回收箱組成。其中在回收靶道中距離炮口L=25 m處安裝亥姆霍茲線圈產(chǎn)生局部磁場，在磁靶后方一定位置放置回收箱回收彈丸。

測試方案需采集的地磁線圈切割疊加磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號和電池電壓信號，通過彈內(nèi)存儲電路實現(xiàn)。彈內(nèi)存儲電路主要有信號處理模塊、模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(A/D)模塊、存儲模塊和電源模塊組成，其中存儲模塊采用具有低功耗、抗高過載特性的非易失性鐵電存儲器，電源模塊采用鋰電池。信號采集分為兩路：一路為電池電壓分壓后的模擬信號，另一路為地磁信號。由于測試主要關(guān)注地磁頻率信息，為了方便信號處理，對地磁感應(yīng)信號進行整形處理，存儲電路直接采集整形后的方波信號。整個系統(tǒng)原理框圖如圖9所示，彈內(nèi)存儲電路如圖10所示。

圖7 不同相位疊加時電動勢變化曲線Fig.7 Curves of induction electromotive force at different phases

圖8 試驗方案框圖Fig.8 Test scheme

圖9 系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Schematic diagram of system

圖10 彈內(nèi)存儲測試電路Fig.10 Storage testing and measurement circuit in shell

圖11 感應(yīng)電動勢與電壓數(shù)據(jù)關(guān)系曲線圖Fig.11 Curves of induction electromotive force and battery voltage

圖12 感應(yīng)電動勢周期變化曲線Fig.12 Periodic changing curve of induction electromotive force

4 試驗數(shù)據(jù)分析

回收彈丸后將采集到的地磁線圈感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)和電池電壓數(shù)據(jù)進行整理，可以得到如圖11所示關(guān)系曲線，圖11中時間0點對應(yīng)存儲器記錄的第一個數(shù)據(jù)。

圖11中信號在88 ms附近產(chǎn)生了明顯突變，即此刻彈丸剛好穿過亥姆霍茲線圈位置。根據(jù)圖11的數(shù)據(jù)，計算出地磁感應(yīng)信號相鄰兩個上升沿的時間間隔，即可得到其周期變化曲線如圖12所示。由圖12可知，信號周期有兩處異常，起點處的異常是由于炮口火焰干擾造成的，而彈道中的周期異常則是在經(jīng)過亥姆霍茲線圈位置時產(chǎn)生的，因此可根據(jù)第二次信號周期變化區(qū)的中點確定線圈中心位置。

彈丸旋轉(zhuǎn)一周、前進一個導(dǎo)程的距離對應(yīng)地磁信號一個周期，根據(jù)亥姆霍茲線圈到炮口的距離L，彈丸旋轉(zhuǎn)一圈的飛行距離s，可以得到炮口到線圈位置的地磁信號周期數(shù)為n=L/s；在本試驗中L=25 m，s=0.714 4 m,計算可得n=34.99，近似為35. 即從磁場突變位置向前數(shù)35個地磁周期為炮口位置。如圖13所示，61 ms時刻為炮口位置，63 ms時刻電池電壓達(dá)到5 V，即該電池相對激活時間為2 ms.

針對某引信化學(xué)電池進行了回收試驗共8發(fā)，回收到彈丸6發(fā)，其中1發(fā)無數(shù)據(jù)，另外5發(fā)回讀數(shù)據(jù)如表1所示。其中激活時間波動較為明顯，除電池本身激活差異外，試驗中存在的其他誤差有：

1)試驗設(shè)置誤差：本試驗中，線圈中心位置與炮口之間的距離為25 m，在布置線圈位置時存在的誤差范圍為±5 mm. 5 mm距離造成的誤差大約為5 μs，相對電池激活時間可忽略。

2)原理誤差：彈丸在飛行過程中，導(dǎo)程衰減會引起誤差，但是在25 m的范圍內(nèi)的衰減可忽略。

3)數(shù)據(jù)處理誤差：從感應(yīng)電動勢波形及周期變化曲線中確定線圈中心位置時，電動勢畸變最大范圍為1 ms，在10%的誤差估計范圍內(nèi)，線圈中心位置的誤差為0.05 ms.

圖13 炮口位置示意圖Fig.13 Schematic diagram of muzzle position

表1 回讀數(shù)據(jù)

綜上所述，考慮到線圈轉(zhuǎn)數(shù)近似誤差，誤差時間總和小于0.1 ms，相對化學(xué)電池激活時間，誤差在可接受范圍內(nèi)，對測試結(jié)果精度基本無影響。

5 結(jié)論

本文提出了一種利用地磁計轉(zhuǎn)數(shù)原理加局部磁場突變的方法，來測試小口徑電引信化學(xué)電池相對激活時間和幅值。重點介紹了該方法的原理和實現(xiàn)方案；給出了電池相對激活時間的定義及意義；對測得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的誤差來源進行了分析。在實彈精度試驗中補償了電池激活時間帶來的誤差后，引信作用精度明顯提升，證明了該方法測得的電池激活時間的精確性。本文提出的方法操作簡單、實施方便、精度高，可用來測試化學(xué)電池激活時間及幅值，對改善化學(xué)電池存在的問題及提升引信作用精度有參考意義，且該方法同樣適用于旋轉(zhuǎn)彈中的其他電池激活性能測試研究。

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Testing Method for Relative Activation Time of Fuze Chemical Battery Based on Geomagnetism Turns-counting

YANG Wen-zhong， DING Li-bo， ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

A method to use the memory testing technology for the simultaneous record of the voltage curve of chemical battery and the geomagnetic signal in the trajectory is presented for the test requirement of activation time of small-caliber fuze chemical battery. The relative activation time of chemical battery and the testing principle are given. The generation method of mutation magnetic field and the distortion performance of local magnetic field are analyzed, and a dynamic recovery test method and the experimental data are given. The experimental results show that the proposed method can be use to get the voltage curve of chemical battery, the time when a projectile passes a muzzle, and the relative activation time of chemical battery, which has an important significance to optimize the cell performance and improve the precision of fuze. Key words: ordnance science and technology; battery chemistry-activation time; geomagnetism turns-counting principle; Helmholtz coil; memory testing

2016-11-07

楊文忠(1991—)，男，碩士研究生。E-mail:yangwz0727@163.com

丁立波(1977—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail: dinglibo@mail.njust.edu.cn

TJ430.6+4

A

1000-1093(2017)04-0810-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.024