彈載高沖擊三維加速度存儲測試儀

陳宏亮，馬少杰，張錦明

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室， 南京 210094)

C8051F506

彈載高沖擊測試技術(shù)在現(xiàn)代工程應(yīng)用中具有重要的作用，特別是在軍工領(lǐng)域如硬目標(biāo)侵徹引信的環(huán)境信息獲取和新研制的高g值加速度傳感器的性能驗證等方面具有非常高的實用價值[1]。根據(jù)測試的實際使用環(huán)境，要求測試裝置的量程大，精度和采樣頻率高，抗沖擊能力強(qiáng)，體積和功耗小[2]。目前有2種彈載高沖擊測試方法，信號同步傳輸法和硬回收法[3]。信號同步法是在試驗彈實時侵徹過程中將測試到的過載信息通過無線電發(fā)送到地面基站，這種方法無線電信號容易受干擾，且在高沖擊載荷的作用下難以保證信號高速傳輸?shù)倪B續(xù)性。硬回收法是將傳感器、測試儀器、存儲器封裝在一個獨立的裝置內(nèi)，將該裝置放到試驗彈中進(jìn)行試驗，回收后讀取存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)。硬回收法可靠性高，技術(shù)難度較小，是目前常用方法。國外，M.J.Forrestal等人研制的加速度記錄裝置記錄到的最大加速度值為20 000g[4]；瑞士武器系統(tǒng)與彈藥試驗中心研制了彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器[5]，通過140 mm滑膛炮發(fā)射使炮彈高速侵徹鋼筋混凝土靶板，成功記錄到了90 000g的峰值加速度，持續(xù)脈寬大于200 μs。國內(nèi)，中北大學(xué)研制了一種超高g值加速度測試裝置，成功測試到了整個彈道加速度信號，加速度最大值為45 000g[6]，以上所述的彈載高沖擊測試均為硬回收法。

作者采用硬回收法設(shè)計一種能夠測試高沖擊三維加速度的彈載存儲測試儀，能在實彈侵徹試驗中可靠應(yīng)用。

1 總體方案設(shè)計

彈載存儲測試儀進(jìn)行硬目標(biāo)侵徹試驗時，環(huán)境十分惡劣，伴隨有數(shù)萬g的高沖擊加速度、高頻振動信號和高背景噪聲，為保證測試儀在實際應(yīng)用環(huán)境的可靠使用，測試儀的設(shè)計應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則[7]：

1) 抗高沖擊過載：為對加速度傳感器信號的采集與存儲，必須使測試儀抗沖擊能力強(qiáng)，主要采用強(qiáng)化灌封、設(shè)計保護(hù)殼體、機(jī)械濾波等措施；

2) 低系統(tǒng)功耗：測試儀記錄時間雖然只有幾百毫秒，但試驗時，從發(fā)射前準(zhǔn)備到發(fā)射過程到測試儀回收需要測試儀工作較長的時間，因此需要進(jìn)行低功耗設(shè)計；

3) 低系統(tǒng)噪聲：測試儀需要加速度信號作為觸發(fā)信號，對信噪比要求高，確保可靠觸發(fā)和精準(zhǔn)測量。

4) 體積小、質(zhì)量輕：要產(chǎn)生高幅值的沖擊加速度，需用小直徑、輕質(zhì)量的試驗彈高速侵徹硬目標(biāo)靶板，因此留給存儲測試模塊的空間有限，且小體積有助于提升測試儀的抗沖擊性能。

根據(jù)實際使用需求，彈載存儲測試儀的主要性能指標(biāo)設(shè)計為：① 數(shù)據(jù)采集通道≮3個通道；② 每個通道均可存儲測試0～150 000 g加速度；③ 每個通道的記錄時間均≮300 ms；④ 每個通道的低通濾波截止頻率為4 kHz；⑤ 每個通道的采樣頻率均為50 kHz；⑥ 采樣分辨率≮12 bits；⑦ 記錄從膛內(nèi)發(fā)射到侵徹靶板到試驗彈回收的整個彈道加速度信號曲線。

2 保護(hù)模塊設(shè)計

測試儀的保護(hù)模塊主要由外殼體、內(nèi)殼體和薄濾波墊組成，如圖1。為方便調(diào)試采用了模塊化設(shè)計，內(nèi)殼體分電池保護(hù)殼體和電路板保護(hù)殼體，存儲測試電路板和電池組分別固定于殼體內(nèi)部，三軸高g值加速度傳感器固定在電路板保護(hù)殼體的下部，為減小質(zhì)量，均采用低密度的A、B雙組分微泡材料加壓保溫灌封以保護(hù)內(nèi)部器件。外殼體通過螺紋蓋板螺紋擰緊對內(nèi)部殼體起到固定和保護(hù)的作用。

為防止測試儀內(nèi)部器件和結(jié)構(gòu)在高頻振動下發(fā)生共振，對測試儀進(jìn)行機(jī)械濾波設(shè)計，機(jī)械濾波的機(jī)理為應(yīng)力波的反射衰減[8]。機(jī)械濾波分為測試儀的內(nèi)部濾波和安裝濾波，內(nèi)部濾波如圖1所示，外殼體、電池保護(hù)殼體和電路板保護(hù)殼體之間均放置有毛氈、聚四氟乙烯兩種材料疊加的薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm；安裝濾波如圖2所示，測試儀在試驗彈上安裝前后均放置有薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm。試驗彈在侵徹硬目標(biāo)時，沖擊產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波到達(dá)測試儀殼體和復(fù)合墊片界面時，由于墊片材料的波阻抗與測試儀殼體材料相差很大，透射系數(shù)較小，應(yīng)力波絕大部分反射為拉伸波，侵徹試驗時，應(yīng)力波會在墊片處經(jīng)歷多次反射，應(yīng)力波頻率越高，反射次數(shù)越多，應(yīng)力波耗散越大，從而起到?jīng)_擊應(yīng)力衰減和濾波的作用[9-10]。

3 電路模塊軟硬件設(shè)計

3.1 電路模塊工作原理

硬目標(biāo)侵徹試驗單次成本較高，為提高試驗的成功率，測試儀采用兩套完全一樣電路模塊進(jìn)行測試，保證冗余性。圖3為測試儀電路模塊的工作原理圖，主要包括4大部分：電源模塊、信號調(diào)理部分、MCU和數(shù)據(jù)存儲與回讀部分。其中信號調(diào)理部分包括調(diào)零電路、可調(diào)增益的差分放大電路和低通濾波電路，用于對三維加速度信號進(jìn)行處理；MCU包括數(shù)據(jù)采集和控制模塊，主要器件為C8051F506單片機(jī)，用于對整個測試儀的控制和數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；電源模塊給整個存儲測試系統(tǒng)供電，主要器件為三端集成穩(wěn)壓源LP2950-3.3；數(shù)據(jù)存儲與回讀部分對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與回讀至計算機(jī)，主要器件為鐵電存儲器。

3.2 增益可調(diào)的差分放大電路設(shè)計

MEMS壓阻式三軸高g值加速度傳感器輸出的差分信號微弱，需要對其進(jìn)行放大處理。測試儀在實際使用時，每次侵徹不同的目標(biāo)靶板，加速度的幅值不同，傳感器輸出的最大電壓也不同，而單片機(jī)的A/D模塊的輸入電壓范圍0～3.3 V是確定的，為使放大后的電壓幅值盡可能地接近A/D采樣輸入電壓范圍，達(dá)到適用不同量程傳感器、侵徹不同目標(biāo)靶板的目的，采用增益可調(diào)的差分放大電路。

增益可調(diào)的差分放大電路原理圖如圖4所示，采用2個ANALOG DEVICES公司的AD8426儀表放大器和1個4通道的AD5254數(shù)字電位計。Vout_X+和Vout_X-分別表示加速度傳感器X軸2個橋臂電壓經(jīng)過調(diào)零后到差分放大器的輸入端，SSX為經(jīng)差分放大后的X軸加速度信號，通過數(shù)字電位計調(diào)節(jié)RG1和RG2間的電阻RG阻值即可改變放大器的放大倍數(shù)G，差分放大器的傳遞函數(shù)為

Vout=G×(VIN+-VIN-)+VREF

式中：

設(shè)X為主控器寫入到數(shù)字電位器的八位二進(jìn)制數(shù)，X[00000000,11111111]，有

可得到差分放大電路放大后輸出電壓為

測試儀Y和Z通道的差分放大原理類似，不再重復(fù)闡述。

3.3 低通濾波器設(shè)計

硬目標(biāo)侵徹試驗過程中除了剛體本身的過載信號外，還包含著大量不需要的高頻信號分量，為了慮除不需要的高頻信號分量，避免A/D轉(zhuǎn)換后的信號產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，需要對放大的加速度信號進(jìn)行低通濾波處理。

為使濾波器在帶通內(nèi)幅頻特性更加平坦，高于截止頻率的信號衰減得更快，濾波器設(shè)計為-3 dB截止頻率為4 kHz，品質(zhì)因數(shù)Q為0.707的單位增益有源二階低通濾波器[11]。其中，采用單位增益是為了盡可能減少R、C元件，同時使運(yùn)算放大器的帶寬最大。TLC2264是TI公司推出的四路軌對軌運(yùn)算放大器，只需采用一個器件即可構(gòu)建三通道低通濾波器，具有低功耗和低噪聲的特點。圖5為采用TLC2264設(shè)計的三通道低通濾波器X通道電路圖，Y、Z通道類似，不再畫出。

3.4 軟件設(shè)計

軟件控制流程圖如圖6所示，主要分為兩大部分：寫數(shù)據(jù)部分和讀數(shù)據(jù)部分。MCU通過判斷I/O口的高低狀態(tài)判定是讀操作或?qū)懖僮?。讀操作時，MCU從鐵電存儲器讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送電腦端。寫操作時，MCU首先通過指令控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，隨后開啟A/D進(jìn)行3個通道高速循環(huán)采樣，選用三軸高g值加速度傳感器的Z軸方向(與炮管軸向平行)的膛內(nèi)發(fā)射加速度作為觸發(fā)信號，當(dāng)加速度傳感器Z軸方向輸出值連續(xù)多次大于設(shè)定閾值時，觸發(fā)內(nèi)部的延時計數(shù)器，將數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，完成指定長度的數(shù)據(jù)存儲后，關(guān)閉A/D模塊，進(jìn)入等待狀態(tài)，完成寫操作。

圖7為設(shè)計制作好的測試儀實物圖，金屬殼體材料為鋁合金，整體尺寸為Φ70 mm×70 mm，測試儀包含兩套完全獨立的測試模塊，左右引出的接線端為兩套測試模塊的調(diào)試控制端口。

4 侵徹試驗與結(jié)果分析

為檢驗測試儀的實際使用性能，對其開展硬目標(biāo)侵徹試驗。試驗時，將測試儀裝入到試驗彈中，試驗彈通過炮擊的方式在膛內(nèi)加速，然后高速侵徹鋼筋混凝土靶板，通過回收裝置將試驗彈回收并回讀試驗數(shù)據(jù)至計算機(jī)處理。試驗條件為：目標(biāo)靶板為鋼筋混凝土靶板(強(qiáng)度C30)，目的是為了更加接近實際使用環(huán)境，靶板厚度1.5 m；試驗彈出炮口速度為804.2 m/s，由天幕靶測速獲得，炮口距靶40.5 m；試驗平臺為 125 mm火炮，采用水平發(fā)射方式，炮管軸線與靶板垂直，實測試驗彈出炮口到侵徹靶板自由飛行的時間約為50.4 ms。

圖8為測試儀記錄到的一條完整的試驗三軸加速度信號曲線，包括試驗彈從膛內(nèi)加速發(fā)射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收，整條曲線記錄的時間約為400 ms。三軸高g值加速度傳感器輸出的加速度信號經(jīng)過測試儀內(nèi)的濾波器，濾去了不需要的干擾信號，整個彈道加速度信號清晰，噪聲較小。

由圖8和圖9可知，試驗彈從出炮口到侵徹靶板自由飛行的時間約為51.2 ms，考慮到彈體本身長度和測試誤差，測試儀記錄的飛行時間與實際通過天幕靶測試得到的飛行時間50.4 ms較為接近。其中，Z軸方向加速度在峰值處存在劇烈振蕩，分析原因為螺紋蓋板沒有完全旋緊，劇烈振蕩后，測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)微變形壓緊，振蕩消失。取振蕩部分包絡(luò)曲線中值，則膛內(nèi)Z軸方向加速度的幅值在15 000g左右，持續(xù)時間約為12.9 ms，X軸和Y軸方向的幅值分別為-1 336g和-1 250g。

試驗彈侵徹鋼筋混凝土靶板時，加速度傳感器Z軸方向加速度的總體趨勢為試驗彈圓錐形頭部剛開始入靶時，加速度幅值瞬間增大，當(dāng)試驗彈完全進(jìn)入靶板內(nèi)部時，加速度值減小并維持一定大小，試驗彈出靶時，加速度值減小至零。由圖10可知，試驗彈在侵徹鋼筋混凝土靶板過程中的波形特征與實際分析的波形特征相符，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為-5 010g、3 455g、-48 050g，Z軸方向從試驗彈開始侵徹到試驗彈出靶的持續(xù)時間約為3.0 ms。圖10中右邊存在反向較小的加速度信號為試驗彈尾翼出靶脫落產(chǎn)生的。理想情況下正向垂直侵徹鋼筋混凝土靶板X軸和Y軸方向的加速度均為0，但實際情況時，無法完全保證侵徹角度為90°侵徹，且三軸加速度傳感器存在橫向效應(yīng)，因此會存在較小的X和Y軸方向的加速度值。

由圖11可知，試驗彈回收過程中，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為23 970g、-21 070g、17 980g，各方向產(chǎn)生較高加速度的原因是試驗彈回收時碰到靶板后方的廢棄鋼筋混凝土堆產(chǎn)生變向。

通過波形特征和試驗數(shù)據(jù)分析可知，本次彈載侵徹試驗測試儀準(zhǔn)確地記錄到了試驗彈的整個彈道的三維加速度曲線，試驗結(jié)果與實際波形特征及其記錄時間較為吻合。

5 結(jié)論

本測試儀以單片機(jī)C8051F506為核心處理芯片，在硬件電路和軟件程序的作用下，對三軸高g值加速度傳感器獲取的加速度信號進(jìn)行信號調(diào)理，采樣后存儲到存儲器中，并將試驗數(shù)據(jù)回讀至計算機(jī)。通過強(qiáng)化灌封、設(shè)計保護(hù)殼體、加機(jī)械濾波墊方式有效提高測試儀抗高沖擊過載能力。利用該測試儀進(jìn)行彈載侵徹試驗，測試儀準(zhǔn)確地記錄到試驗彈從膛內(nèi)發(fā)射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收的全彈道三維加速度曲線。試驗結(jié)果表明，該測試儀具有3通道數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集速度較快，存儲容量較大，功耗低，系統(tǒng)體積較小和使用方便等優(yōu)點。在承受48 000g幅值、3 m脈寬和15 000g幅值、13 ms脈寬的沖擊載荷下依舊能夠正常工作，滿足彈載存儲測試儀的預(yù)定設(shè)計要求。

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