基于三軸磁傳感器的彈丸加速度測(cè)試研究*

任先貞,殷 帥,裴東興,沈大偉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

基于三軸磁傳感器的彈丸加速度測(cè)試研究*

任先貞,殷 帥,裴東興,沈大偉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

針對(duì)目前彈丸在膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程中需要承受惡劣環(huán)境下的高溫、高壓、高過(guò)載,同時(shí)在發(fā)射過(guò)程中存在對(duì)加速度信息獲取及實(shí)測(cè)信號(hào)失效等問(wèn)題。提出了采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和三軸磁傳感器對(duì)彈丸在膛內(nèi)及出炮口加速度信號(hào)的采集。經(jīng)數(shù)據(jù)處理選擇了合適的濾波截止頻率,在誤差允許的范圍內(nèi),濾波后數(shù)據(jù)曲線更光滑,符合彈體的剛體加速度。通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)截止頻率進(jìn)行分析,得出該結(jié)果對(duì)彈丸加速度等信號(hào)處理研究有著重要的意義。

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù);三軸磁傳感器;加速度;數(shù)據(jù)處理

0 引言

在火炮等武器的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試中,加速度是其中一個(gè)重要參數(shù)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了很多測(cè)量彈丸加速度的方法,一般是利用彈載存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得加速度信號(hào),常使用的傳感器是壓電式壓力傳感器[2],通過(guò)在壓力信號(hào)測(cè)量中伴隨著加速度信號(hào),但該方法測(cè)得的加速度準(zhǔn)確性差。采用MEMS壓阻式高g值加速度計(jì)[3],該方法體積小,但對(duì)封裝要求高,更適用于炮彈侵徹加速度的測(cè)試。針對(duì)以上問(wèn)題,提出了采用HMC2003-T-Y60216三軸磁傳感器測(cè)得加速度信號(hào),其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,抗干擾能力更強(qiáng)[4]。

1 測(cè)試系統(tǒng)原理

三軸磁傳感器的中心應(yīng)安裝到彈體質(zhì)心上,再通過(guò)彈載測(cè)試系統(tǒng)安裝到彈體上,將彈載測(cè)試儀安裝在彈體中心軸線上,試驗(yàn)彈及彈載測(cè)試儀安裝示意圖如圖1所示[5]。

圖1 彈載測(cè)試儀示意圖

圖2為測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖,該系統(tǒng)是由三軸磁傳感器、前沖加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、電源管理模塊組成。在工作狀態(tài)下,測(cè)試系統(tǒng)將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化,采樣頻率為50 kHz,當(dāng)滿足內(nèi)觸發(fā)的條件后,進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)彈丸發(fā)射完成后,將裝置收回,通過(guò)上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)后,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。通過(guò)彈載測(cè)試儀對(duì)數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ),可提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[7]。

2 傳感器的選擇

2.1 三軸磁傳感器

本系統(tǒng)選用的三軸磁傳感器具體型號(hào)為HMC2003-T-Y60216,Honeywell HMC2003是用于測(cè)量低磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器[8],20-pin DIP封裝,接口采用全模擬輸出。內(nèi)部的勵(lì)磁電流源可以降低溫度誤差和調(diào)節(jié)傳感器電橋電壓,三個(gè)精密的低噪聲儀表放大器及1 kHz的低通濾波器可提供重復(fù)測(cè)量結(jié)果,并且可以抑制不需要的噪聲[9],該傳感器如圖3所示。其特點(diǎn)如下:

1)DIP-20引腳面積(1 in×0.75 in,1 in=2.54 cm);

2)3軸傳感;

3)工廠校準(zhǔn)模擬輸出;

5)模擬輸出1 V/Gs;

6)板上+2.5 V基準(zhǔn)電壓;

7)6～15 V直流單電源操作;

8)低磁性材料;

9)工作溫度范圍:-40℃～85℃。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

圖3 Honeywell三軸磁傳感器

2.2 前沖加速度計(jì)

前沖加速度的測(cè)試選用Model 1221傳感器,Model 1221是Silicon design公司生產(chǎn)的一款低噪聲電容式加速度計(jì)。Model 1221加速度計(jì)自帶溫度傳感器,可以測(cè)量芯片內(nèi)部的實(shí)際溫度,兩路差分模擬量輸出,應(yīng)用差分模擬量輸出可以消除內(nèi)部干擾,減小系統(tǒng)誤差對(duì)輸出造成的影響[10]。

Model 1221是微機(jī)械電容結(jié)構(gòu),具有高集成度、低功耗等特點(diǎn),并且能夠承受高過(guò)載而不失效,量程選用±100g,其實(shí)物圖如圖4所示,Model 1221具有兩個(gè)輸出端,輸出特性如圖5所示。

圖4 Model 1221傳感器

圖5 Model 1221輸出特性

3 濾波截止頻率的選擇

在處理加速度信號(hào)中最關(guān)鍵的是對(duì)濾波截止頻率的選擇,選擇不同的截止頻率對(duì)加速度信號(hào)的影響不同,因此對(duì)濾波頻率做了相關(guān)比較研究,截止頻率的選擇原則是根據(jù)頻譜分析,結(jié)合實(shí)際測(cè)得的加速度信號(hào)的第一頻譜峰值進(jìn)行濾波,并在誤差范圍內(nèi),要求濾波前后的加速度信號(hào)積分速度不變[1]。

在加速度信號(hào)中包含了較高的頻率分量,同時(shí)對(duì)實(shí)測(cè)加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能獲得彈丸的剛體加速度[11]。對(duì)測(cè)得的加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,在頻譜分量上存在許多頻譜峰值點(diǎn)[12],選擇不同的截止頻率對(duì)加速度信號(hào)的影響不同,截止頻率選擇越大對(duì)加速度的噪聲干擾影響則越大,得到的曲線與實(shí)際值相差較大。

4 靶場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)靶場(chǎng)實(shí)彈測(cè)試后,將測(cè)試裝置進(jìn)行回收,通過(guò)專用的讀數(shù)軟件,得出如圖所示的數(shù)據(jù),圖6是三軸加速度曲線,圖7是前沖加速度曲線。

對(duì)軸向加速度進(jìn)行分析,濾波前加速度最大值達(dá)到16 890g,脈寬為2.43 ms,如圖8所示。圖9為頻譜分析,選擇第一頻譜峰值,即選擇2 kHz的濾波截止頻率后,最大加速度值達(dá)到14 330g,脈寬為2.44 ms,如圖10所示。濾波前后對(duì)加速度信號(hào)積分得到速度曲線,如圖11所示。選擇5 kHz濾波截止頻率后,最大加速度值為14 790g,脈寬為2.1 ms,如圖12所示,濾波前后對(duì)加速度積分得到速度曲線,如圖13所示,得到的速度曲線不能完全重合,有誤差。根據(jù)不同截止頻率的濾波曲線,2 kHz濾波后的曲線更光滑,脈寬與峰值大小符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 三軸加速度曲線

圖7 前沖加速度曲線

圖8 濾波前軸向加速度

圖9 頻譜分析

圖10 2 kHz濾波后軸向加速度

圖11 2 kHz濾波前后速度比較

圖12 5 kHz濾波后軸向加速度

圖13 5 kHz濾波前后速度比較

通過(guò)以上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,總結(jié)出了加速度信號(hào)濾波截止頻率應(yīng)選擇第一頻譜峰值:該濾波器截止頻率通常稱為臨界截止頻率,按此頻率濾波得到的加速度稱為彈體的剛體加速度。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)彈丸在膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程中加速度信號(hào)的獲取,通過(guò)實(shí)彈測(cè)試實(shí)驗(yàn),利用三軸磁傳感器得出加速度信號(hào),并且根據(jù)不同采樣截止頻率進(jìn)行分析得出不同波形曲線。實(shí)驗(yàn)表明,采用截止頻率為加速度信號(hào)的第一頻譜峰值時(shí)可以得出最優(yōu)的數(shù)據(jù)曲線,按此頻率濾波得到的加速度稱為彈體的剛體加速度,并且在一定的誤差范圍內(nèi),濾波前后加速度信號(hào)的積分速度不變。同時(shí)設(shè)計(jì)的彈載測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際測(cè)試需求,對(duì)今后彈丸加速度等信號(hào)處理研究有著重要的意義和參考價(jià)值。

[1] 范錦彪,祖靜,徐鵬,等.彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減加速度信號(hào)的處理原則 [J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2012,34(4):1-5.

[2] 孫明陽(yáng),游亞飛.壓電式加速度傳感器故障查找 [J].計(jì)測(cè)技術(shù),2010,30(3):56-58.

[3] 文豐,石云波,周振,等.基于MEMS的高g值加速度計(jì)及在炮彈侵徹雙層鋼靶試驗(yàn)中的應(yīng)用 [J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(19):165-169.

[4] 李光春,何昆鵬,曾建輝,等.MEMS慣性器件誤差建模和補(bǔ)償方法綜述 [J].導(dǎo)航與控制,2009,8(1):72-76.

[5] 董力科,范錦彪,王燕.基于小波包分解的多層侵徹信號(hào)分析及處理方法研究 [J].電子測(cè)試,2012,12(12):20-23.

[6] 劉紅娟,沈大偉,李新娥,等.彈載高g值三軸加速度測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)分析 [J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(1):21-24.

[7] 楊少博,裴東興,岳孝忠.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中USB 3.0數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì) [J].電子器件,2015,38(4):912-916.

[8] 曹文,歐陽(yáng)君,楊曉非.基于各向異性磁阻效應(yīng)的地磁檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) [J].艦船電子工程,2007,27(3):74-76.

[9] 邊玉亮.基于三軸磁傳感器的旋轉(zhuǎn)彈章動(dòng)測(cè)試研究 [D].太原:中北大學(xué),2016.

[10] 陳文旭.MODEL 1221在全角度傾角傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2011,21(30):1-2.

[11] 范錦彪,徐鵬,王燕,等.高速動(dòng)能侵徹鋼板加速度測(cè)試技術(shù)研究 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008,28(2):124-126.

[12] 盧玉斌,程永生,孫遠(yuǎn)程.侵徹混凝土類目標(biāo)過(guò)載數(shù)據(jù)的處理原則研究 [J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(1):75-79.

TestingofProjectileAccelerationBasedonThree-axisMagneticSensor

REN Xianzhen,YIN Shuai,PEI Dongxing,SHEN Dawei

(National Ky Laboratory for Electronic Measurement Technology,NUC,Taiyuan 030051,China)

Since projectile launching in bore bears harsh environment of high temperature high pressure and high overload,also problematic for the measured acceleration information acquisition and signal failure.Dynamic storage testing technology and three-axis magnetic sensor were proposed for acceleration signal acquisition in the bore of projectile and at muzzle.Through data processing,an appropriate filter cutoff frequency was chosen,in the range of allowable error,data curve was smoother after filtering,complying with rigid body acceleration of projectile.According to acceleration signal cutoff frequency analysis,the result is significant to projectile acceleration signal processing.

dynamic memory testing technology; three-axis magnetic sensor; acceleration; data processing

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.039

2016-07-16

山西省回國(guó)留學(xué)人員重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(2008003)資助

任先貞(1991-)女,山西陽(yáng)泉人,碩士研究生,研究方向:智能儀器與動(dòng)態(tài)測(cè)試。

TJ430

A