基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)

嚴(yán) 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學(xué)研究所)

基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)

嚴(yán) 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學(xué)研究所)

針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量?jī)x存在的問題，研制了一套基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理。采用2/1樟標(biāo)準(zhǔn)藥對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，利用兩種藥型發(fā)射藥產(chǎn)品對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)尺寸測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)藥的總體平均值無顯著差異，測(cè)量系統(tǒng)分辨率達(dá)到1μm，量程達(dá)到0.02～100mm。

發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng) 光柵尺 孔徑 弧厚

隨著火炸藥技術(shù)的發(fā)展，新型發(fā)射藥的配方和工藝技術(shù)不斷進(jìn)步。藥型尺寸作為影響火藥彈道性能的重要因素，一直是各種新型藥劑必須控制的指標(biāo)之一。為了適應(yīng)不同武器發(fā)射對(duì)彈丸形狀尺寸的要求，發(fā)射藥被制成球狀、片狀、帶狀、環(huán)狀、粒狀、管狀及梅花形等；從內(nèi)孔數(shù)來看，有無孔、單孔和多孔之分。發(fā)射藥藥型尺寸的測(cè)定包括長(zhǎng)度、寬度、弧厚、孔徑及外徑等指標(biāo)。常規(guī)測(cè)量(長(zhǎng)度測(cè)量)采用直尺、游標(biāo)卡尺及百分表等工具測(cè)試，人員目測(cè)讀數(shù)并記錄[1]。除去由手工測(cè)量帶來的偶然誤差，對(duì)于非剛性的發(fā)射藥樣品，利用游標(biāo)卡尺等接觸測(cè)量工具測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果受測(cè)量工具力度的影響較大。采用藥型尺寸測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將樣品置于可調(diào)節(jié)方位的載物臺(tái)上，在高倍顯微鏡下通過目鏡十字形基線確定樣品位置，通過電子按鈕進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和輸出。這種非接觸式測(cè)量?jī)x能夠客觀、快速、準(zhǔn)確地完成測(cè)量。

然而，現(xiàn)役發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量?jī)x器大多存在一些不足，主要包括：建立在電子表格基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能不夠，數(shù)據(jù)處理繁瑣；數(shù)碼千分尺較短，單批測(cè)量藥型數(shù)量有限，不能滿足大藥量測(cè)試需要；電腦拍照?qǐng)D形失真，人工修復(fù)工作量大，增加了測(cè)試的偶然誤差[2,3]。為此，筆者利用光柵測(cè)量技術(shù)開發(fā)了一套藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)，以擴(kuò)大藥型測(cè)試量程，提高測(cè)量精度，并通過光柵尺完成量值溯源[4,5]。

1 發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)

發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)(圖1)分為光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和測(cè)試控制系統(tǒng)3部分。系統(tǒng)采用特有的光柵尺測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量和量值溯源，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專用軟件，完成藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)控制、圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和結(jié)果處理輸出功能，降低由標(biāo)準(zhǔn)藥間接溯源帶來的誤差。

圖1 發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)包括一套高精度的顯微鏡系統(tǒng)和一套光柵尺測(cè)量系統(tǒng)。通過目鏡與物鏡的合理匹配，使顯微鏡系統(tǒng)的總放大倍數(shù)最高可達(dá)100。其中，物鏡可以選擇2.5倍、10倍兩種范圍，目鏡可選10倍。

光柵尺測(cè)量系統(tǒng)利用精密光柵定量測(cè)量，和原普通標(biāo)尺測(cè)試系統(tǒng)相比，其精度較高?？紤]到光柵標(biāo)尺移動(dòng)回位“死位移”值，設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)先確定并輸入校正值，降低測(cè)試誤差。光柵尺測(cè)量系統(tǒng)避免了原系統(tǒng)需要通過標(biāo)準(zhǔn)藥校正溯源的缺點(diǎn)，直接向最高標(biāo)準(zhǔn)溯源，因此其測(cè)量量程擴(kuò)大到0.02～100mm，測(cè)試精度提高約10倍。

1.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行上層軟件界面的組態(tài)設(shè)計(jì)，將不同規(guī)格發(fā)射藥測(cè)試方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)先內(nèi)置。系統(tǒng)能在Windows XP操作環(huán)境下運(yùn)行，窗口操作界面，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)，滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和測(cè)試報(bào)告按自主設(shè)定格式輸出的要求。軟件主要功能有：

a. 用戶登錄。設(shè)定密碼進(jìn)入用戶界面。

b. 藥型選擇。根據(jù)測(cè)試藥型，在預(yù)設(shè)軟件庫中選擇合適的測(cè)試藥型。

c. 藥型批次。輸入測(cè)量批次，并可加注標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類管理。

d. 藥型測(cè)量。進(jìn)入測(cè)量界面，在預(yù)設(shè)軟件庫中先選擇測(cè)量藥型，再設(shè)置測(cè)量方法(如“一條線法”、“三條線法”等)，然后選擇需要測(cè)量的藥型長(zhǎng)度、弧厚、孔徑及外徑等指標(biāo)，完成選擇后，讀取光柵尺初始數(shù)據(jù)開始測(cè)量。

e. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理。共有256個(gè)批次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可自動(dòng)完成最大值、最小值、平均值的計(jì)算，并進(jìn)行測(cè)量誤差和不確定度評(píng)定。

f. 用戶配置?？蛇M(jìn)行多組用戶定義管理，通過用戶優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，限制數(shù)據(jù)查詢權(quán)限。

采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)代替原拍照系統(tǒng)，避免了因成像系統(tǒng)圖形失真和人工修復(fù)而帶來的測(cè)試誤差，使測(cè)試精度提高到不大于0.01mm。利用CPS-GA數(shù)據(jù)采集模塊，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信息，通過S7-200-226 PLC控制器傳輸?shù)綔y(cè)試終端。

1.3 測(cè)試控制系統(tǒng)

將數(shù)碼千分尺與測(cè)試控制系統(tǒng)組合，測(cè)試數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)傳輸給處理軟件，以滿足不同尺寸發(fā)射藥的測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的同時(shí)測(cè)定。

十字線刻度可調(diào)旋轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)針對(duì)藥型邊緣判斷困難的問題，將原定位盤改進(jìn)為定刻度可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，按任意角度旋轉(zhuǎn)測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)傳入處理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算，從而降低測(cè)試誤差。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 準(zhǔn)確度與精密度

表1 2/1樟標(biāo)準(zhǔn)藥藥型尺寸測(cè)定結(jié)果

采用t檢驗(yàn)對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：

當(dāng)重復(fù)測(cè)量次數(shù)n=10時(shí)，自由度f=n-1=9，查tα，f表可知：

t0.05，9=2.26

t孔徑

t弧厚

因此，采用基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行尺寸測(cè)量未引起明顯的系統(tǒng)誤差，即所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值與總體平均值之間不存在顯著差異。同時(shí)，孔徑和弧厚的RSD均為1%左右，說明系統(tǒng)精密度較好。

2.2 藥型尺寸測(cè)試結(jié)果

選取兩種單孔藥和一種七孔藥分別在基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)藥型尺寸測(cè)量?jī)x上進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表2。可以看出，基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)藥型尺寸測(cè)量?jī)x相當(dāng)，基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率達(dá)到1μm，是傳統(tǒng)儀器的10倍。

表2 藥型尺寸測(cè)試結(jié)果 mm

3 結(jié)束語

筆者采用基于光柵尺的發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射藥藥型測(cè)試的自動(dòng)化與智能化，提高了測(cè)試精度，降低了測(cè)試誤差；光柵尺測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用使測(cè)量分辨率提高到1μm；千分尺測(cè)量系統(tǒng)使測(cè)試量程擴(kuò)展至0.02～100mm；經(jīng)檢驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)藥的總體平均值無顯著差異，能夠滿足發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量要求。

[1] 王瓊林.國(guó)外槍炮發(fā)射藥技術(shù)發(fā)展概況[J].火炸藥學(xué)報(bào),1998,21(4):54～58.

[2] 田廣豐,康建成,胥會(huì)祥,等.小型推進(jìn)劑管狀裝藥藥形尺寸數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2006,29(4):61～64.

[3] 楊均勻,袁亞雄,張小兵,等.基于圖像處理的火藥尺寸測(cè)量方法及其實(shí)現(xiàn)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2005,28(1):28～30.

[4] 節(jié)德剛,劉延杰,孫立寧,等.基于雙光柵尺的高速高精度位移測(cè)量方法[J].光學(xué)精密工程,2007,15(7):1077～1083.

[5] 黃敏.一種基于單球測(cè)量的光面環(huán)規(guī)測(cè)量方法[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2011,38(7):8.

DimensionMeasurementSystemforPropellantsBasedonGratingRuler

YAN Rui, ZHANG Ting, LIU Zhi-wei, CHEN Man,WANG Jing-na, HU Lan
(Xi’anModernChemistryResearchInstitute)

Considering the shortcomings of existing measurement systems for propellants, a grating ruler-based dimensional measurement system for propellants was developed and its overall structure and the operating principle were provided. The measuring result verified by standard 2/1 Zhang propellants shows that, as compared to the traditional dimensional measurement system, no obvious difference exists between them and the resolution of the system developed is 1μm along with the measuring ranges from 0.02 to 100mm.

dimensional measurement system for propellants, grating ruler, aperture, web

TH822

A

1000-3932(2017)04-0376-03

2016-10-25，

2017-02-25)

國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目(JSJL2015208A006)。

嚴(yán)蕊(1983-)，副研究員，從事含能材料理化分析的研究，yanrui204@126.com。