基于透光率表征的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)分析研究

潘偉杰，周克棟，赫 雷，杜恩武，李茂林，江 劍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

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【信息科學(xué)與控制工程】

基于透光率表征的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)分析研究

潘偉杰，周克棟，赫 雷，杜恩武，李茂林，江 劍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)槍口煙具有流動(dòng)性、瞬態(tài)性以及難以捕捉等特性，設(shè)計(jì)了一種槍口煙定量測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別測(cè)量出激光穿過(guò)有煙與無(wú)煙時(shí)槍口煙霧收集器的感光電壓，并計(jì)算出透光率表征槍口煙濃度。原理樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能可靠，工作穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可信，為槍口煙的測(cè)試提供了一種重要的手段。

槍口煙；激光法；定量測(cè)試；煙霧箱

“煙霧”是一種在時(shí)間和空間上失去控制的泄漏現(xiàn)象[1]，具有形態(tài)不穩(wěn)定、存在時(shí)間短、受環(huán)境影響大等特點(diǎn)。因此，如何可靠收集和檢測(cè)煙霧，一直是煙霧研究領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題。目前，學(xué)界對(duì)于煙霧的收集和檢測(cè)研究方法很多，例如基于小波的視頻煙霧檢測(cè)技術(shù)[2]、基于飄動(dòng)性分析的視頻煙霧檢測(cè)方法[3]、基于紅外圖像的煙霧檢測(cè)方法[4]等。對(duì)于軍工領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，槍械的膛口煙霧收集和檢測(cè)一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，相比于普通的煙霧，膛口煙霧彌散更快，且由于鈍感劑(DBP)的加入，使得在產(chǎn)生煙霧的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生噴焰[5]等現(xiàn)象，所以其收集和檢測(cè)顯得尤為復(fù)雜和困難。

為此，采用光電法的原理，設(shè)計(jì)了一種新型槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)，利用煙箱將煙霧收集起來(lái)，用經(jīng)過(guò)調(diào)制的光源射入煙箱中，比較有煙和無(wú)煙時(shí)的感光電壓，以透光率來(lái)表征煙霧濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)，評(píng)估實(shí)驗(yàn)彈藥的性能和配方。采用煙箱法收集槍口煙，具有成本低，受環(huán)境影響小，可重復(fù)測(cè)量的特點(diǎn)[6]。

1 設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)武器射擊時(shí)的膛口煙霧是由發(fā)射藥燃燒形成的氣體、火藥未充分燃燒形成的殘?jiān)冉M成的混合氣體溶膠，由于其成分復(fù)雜、外形多變，存在時(shí)間短暫，采用一般檢測(cè)方法很難進(jìn)行。采用比爾—郎伯原理，可以克服煙霧檢測(cè)過(guò)程中的這些困難。

如圖1所示，當(dāng)強(qiáng)度為I0的光源透過(guò)厚度為b的煙霧層時(shí)，由于煙霧對(duì)于光源的吸收、反射和散射作用，使得穿過(guò)煙霧層的光源強(qiáng)度衰減為I。根據(jù)比爾郎伯定律

(1)

式中：A為吸光度；T為透光率。式(1)的含義是：當(dāng)一束平行單色光垂直照射到樣品時(shí)，樣品的吸光度與樣品的濃度及光程(樣品的厚度)成正比。而透光率

(2)

所以，只要能夠測(cè)出入射前的光強(qiáng)I0和入射后的光強(qiáng)I，就可以得出該煙霧的透光率。

圖1 比爾-郎伯原理示意圖

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1) 煙霧收集部分。由槍口煙的收集裝置、收彈裝置和一些輔助機(jī)構(gòu)組成，主要用于收集槍口煙，以便檢測(cè)。

2) 光路部分。包括光源的固定、調(diào)整，光電池的安裝、更換以及電源控制裝置等，確保光源能夠達(dá)到檢測(cè)所需的條件。

3) 電路部分。產(chǎn)生信號(hào)，并將光源信號(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、分析，給出處理結(jié)果。

4) 軟件部分。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、操作和數(shù)據(jù)處理，提高系統(tǒng)的人機(jī)功效。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

煙霧收集裝置收集煙霧，經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光源發(fā)射激光，穿過(guò)煙霧收集裝置被下側(cè)的光路部分接收，信號(hào)傳輸?shù)诫娐分校缓笤傧蜍浖鬏?，進(jìn)行處理。

2.2 煙霧收集裝置

槍口煙收集裝置，即煙霧箱，除了要具有普通煙霧收集裝置的密封性之外，還要考慮承受射擊時(shí)流入其中的火藥燃?xì)猱a(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力和收集子彈等功能因素，因此，在充分考慮實(shí)驗(yàn)彈種的來(lái)源并給出足夠安全系數(shù)的情況下，設(shè)計(jì)了安全煙霧收集裝置。如圖3所示，煙霧收集裝置主要包括煙霧收集箱、排氣扇、泄壓機(jī)構(gòu)和集彈器。

圖3 煙霧收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 光路設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)需要測(cè)出槍口煙在煙箱內(nèi)擴(kuò)散穩(wěn)定后的透射光強(qiáng)I和入射光強(qiáng)I0，由于重力的作用，煙霧擴(kuò)散穩(wěn)定后會(huì)產(chǎn)生分層，所以，光路垂直方向布置，如圖4所示。

圖4 光路布置示意圖

由于激光的平行度好，散射小，相同距離上的能量消耗也小，所以本槍口煙測(cè)試系統(tǒng)采用激光作為光源，可對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，使其滿足檢測(cè)要求。光源裝置上加工一段導(dǎo)軌，用于對(duì)激光的光程進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證實(shí)驗(yàn)初始條件的一致性。

(3)

(4)

2.4 電路設(shè)計(jì)

電路是整套光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分。電路的組成如圖5所示。

圖5 電路組成示意圖

電路部分主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、光電池、前置放大模塊、二級(jí)放大模塊、方波發(fā)生電路、鎖相放大模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊組成。方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)有兩個(gè)作用：作為激光光源的調(diào)制信號(hào)和鎖相放大器的參考信號(hào)。調(diào)制的光源經(jīng)過(guò)煙霧收集箱之后，透射光射入光電池，光電池感光后輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)的頻率與調(diào)制信號(hào)的輸出信號(hào)頻率相同，光電池輸出的電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行放大處理，然后通過(guò)二級(jí)放大電路濾除直流分量，再經(jīng)過(guò)鎖相放大器，信號(hào)相乘后通過(guò)低通濾波，信號(hào)只保留直流分量，該直流分量經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)送入微機(jī)處理，顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

本軟件采用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，LabVIEW的圖形化編程語(yǔ)言，在操作界面上與現(xiàn)實(shí)儀器完全一樣[10]，直觀性很強(qiáng)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 實(shí)驗(yàn)初始條件和環(huán)境條件設(shè)置；

2) 實(shí)驗(yàn)對(duì)象參數(shù)設(shè)置；

3) 測(cè)量下位機(jī)的采集和數(shù)據(jù)傳輸；

4) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；

5) 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置；

6) 數(shù)據(jù)處理、保存和報(bào)告打印。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本軟件采用分頁(yè)式軟件界面，將軟件主界面、參數(shù)信息設(shè)置界面以及實(shí)驗(yàn)操作主界面分開(kāi)，各有重點(diǎn)，區(qū)別特征明顯，方便操作使用。軟件參數(shù)信息設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 軟件參數(shù)信息設(shè)置界面

檢測(cè)時(shí)，測(cè)量電路對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)大于設(shè)定的煙霧產(chǎn)生判定閾值時(shí)，說(shuō)明煙霧已經(jīng)產(chǎn)生，此時(shí)的信號(hào)數(shù)據(jù)記為透射后的信號(hào)數(shù)據(jù)。軟件接著判斷煙霧是否擴(kuò)散穩(wěn)定，判斷煙霧擴(kuò)散穩(wěn)定的方法是在軟件中設(shè)計(jì)算法，將透射后某一給定時(shí)間段采集的數(shù)據(jù)平均值與其前一相同時(shí)間段采集的數(shù)據(jù)平均值相減，當(dāng)差值絕對(duì)值大于煙霧擴(kuò)散穩(wěn)定判定閾值時(shí)，表明煙霧還未擴(kuò)散穩(wěn)定，當(dāng)差值絕對(duì)值小于煙霧擴(kuò)散穩(wěn)定判定閾值時(shí)，表明煙霧擴(kuò)散穩(wěn)定。煙霧一旦擴(kuò)散穩(wěn)定，則根據(jù)分段采集擴(kuò)散穩(wěn)定后的電壓數(shù)值，計(jì)算擴(kuò)散穩(wěn)定后的透射電壓。由于光電池在光的照射下會(huì)產(chǎn)生光電流，其公式為

B=SI

(5)

其中：B為產(chǎn)生的光電流；S是光電池的光電靈敏度，和光電池本身的特性有關(guān)；I是照射到光電池表面的光強(qiáng)[11]。結(jié)合式(4)及式(5)，有

(6)

式(6)表明，有煙和無(wú)煙時(shí)的光電流的比值即為透光率，由于信號(hào)要進(jìn)行濾波、放大處理，基于電路處理的信號(hào)多是電壓形式，因此，在電路中加入反饋電阻，將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后進(jìn)行處理并顯示，因此有

(7)

將有煙霧時(shí)測(cè)得的透射電壓與無(wú)煙霧時(shí)測(cè)得的透射電壓作比，即可計(jì)算得到透光率T。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、實(shí)驗(yàn)槍械、槍械夾具以及槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)幾個(gè)部分組成，其中，槍械夾具和槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)都是通過(guò)螺栓與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架牢固連接，保證實(shí)驗(yàn)裝置在射擊沖擊下的穩(wěn)固性。連接時(shí)，先將槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)緊固在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，然后將槍口伸入箱體中，調(diào)整好槍身，使槍管軸線保持水平，然后調(diào)整夾具夾緊實(shí)驗(yàn)槍械。隨后在軟件界面進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作主界面，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

不失一般性，實(shí)驗(yàn)槍械選用某7.62 mm突擊步槍，該槍配屬?gòu)椃N為7.62 mm普通彈，實(shí)驗(yàn)為單發(fā)射擊，5發(fā)為一組。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，每天進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1) 7.62 mm普通彈(第一次實(shí)驗(yàn))

第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，計(jì)算得出7.62 mm普通彈的平均透光率為71.9%，極差為3.1%。

表1 7.62 mm普通彈透光率測(cè)試結(jié)果1

2) 7.62 mm普通彈(第二次實(shí)驗(yàn))

第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出7.62 mm普通彈的透光率穩(wěn)定，計(jì)算平均透光率為69.84%，極差為4.6%。

表2 7.62 mm普通彈透光率測(cè)試結(jié)果2

3) 7.62 mm普通彈(第三次實(shí)驗(yàn))

第三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明7.62 mm普通彈的平均透光率為72.1%，極差為2.6%，3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大偏差均小于5%，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有很好的重復(fù)性。

表3 7.62 mm普通彈透光率測(cè)試結(jié)果3

利用Matlab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將得出的曲線同時(shí)顯示在坐標(biāo)軸上。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線透光率數(shù)值基本一致，集中在70%左右，3條曲線的重合度高，進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

圖8 透光率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，安全可靠，密封充分，能夠很好地完成槍口煙霧的有效收集、穩(wěn)定擴(kuò)散、安全收彈和快速排氣等功能。光學(xué)部分的光源調(diào)制和調(diào)節(jié)方便。電路各模塊功能區(qū)分明顯，邏輯性高，電路搭建直觀簡(jiǎn)單。軟件和檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)接良好，界面可讀性和操作性都很強(qiáng)，數(shù)據(jù)的輸入輸出、分析處理、設(shè)備控制的各功能控件工作正常。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性高，為槍械槍口煙的檢測(cè)提供了重要的手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smokeof Small Arms Based on the Characterizationof Light Transmittance

PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, DU En-wu, LI Mao-lin, JIANG Jian

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

According to the characteristics of mobility, transient effect and uncontrollability, a quantitative detection system of muzzle smoke of small arms was designed, which measures the photosensitive voltages of the penetrating laser through the space of the muzzle smoke collecting box in the states with and without smoke respectively. The calculated light transmittance was used to characterize the smoke concentration of the muzzle smoke of small arms. The prototype was developed. Test results prove that the developed system features high reliability, stable operation and accurate test results, which provides an important method for testing muzzle smoke of small arms.

muzzle smoke; laser method; quantitative test; smoke box

2016-11-19；

2016-12-20 作者簡(jiǎn)介：潘偉杰(1990—),男,碩士研究生,主要從事武器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.04.030

潘偉杰，周克棟，赫雷，等.基于透光率表征的光電式槍口煙檢測(cè)系統(tǒng)分析研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):137-140.

format:PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, et al.Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smoke of Small Arms Based on the Characterization of Light Transmittance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):137-140.

TJ55；E922.1

A

2096-2304(2017)04-0137-04