水中彈藥的電磁感應測速方法研究*

秦會國,馬 峰,仲 霄,盧 熹,嚴文康,王樹山

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

水中彈藥的速度測試對其水動力布局設計和彈道特性研究具有重要的意義.通常水中彈藥的速度測試裝置分為兩類:接觸性測速裝置和非接觸性測速裝置.接觸性測速裝置以通斷靶為典型代表(如錫箔靶[1]),但水中彈藥一般都具有帶空泡彈道,接觸性測速裝置引起彈體周圍空泡的脫落,從而改變彈丸的外彈道特性,造成測試結果的極大誤差;非接觸性測速裝置分為光電式和電磁感應式兩種,光電式測速裝置如水下光幕靶測速系統[2],水下激光測速系統[3]和CCD水下速度測量系統[4],但由于水對光線具有吸收和散射特性,光的能量在水中衰減,導致光電接收器件接收到的信號弱,干擾信號大,光幕的光強不均勻問題以及空泡和水的高速流動對光幕的影響問題均難以解決;高速攝影法也可用于水下測速[5],但在水下布設高速攝影機非常困難,且價格昂貴,在復雜的水域環境(如雜質較多、水質混濁的水域)中難于應用;電磁感應式測速裝置有單個線圈靶[6]和本文使用的雙線圈靶,單個線圈靶通過分析感應電動勢的曲線來測速,但感應電動勢曲線受彈體穿靶姿態和外界環境影響較大,測試結果誤差大,且至今沒有成型的測試裝置,其可行性還需深入的理論研究和實驗驗證.石曉晶等[7]用密封線圈靶對水下槍彈速度進行了測試,但未針對水介質特性對線圈靶的影響問題進行抗干擾設計,能否測試高速彈體的速度還不明確.美國海軍水下作戰中心(NUWC)的超空泡高速彈體試驗場[8-9]利用速度線圈對可以進行高速彈體速度的測試,但出于保密等原因,無法獲得有價值的技術資料.

基于上述幾種水下測速方法的不足,以及水中彈藥速度測試技術的發展需要,本文設計了一種基于電磁感應原理的水下測速裝應式線圈靶水下測速系統.該系統具有結構簡單、受水介質特性干擾小、成本較低以及數據處理方便等優點,而且對水中彈藥的外彈道無影響,解決了空泡干擾問題以及水介質特性對測速裝置的影響問題,可廣泛應用于水中彈藥的速度測試.

1 水下感應式線圈靶

1.1 感應式線圈靶的測速原理

感應式線圈靶測速是用彈體穿過螺線管引起的磁場變化而產生感應電動勢的原理來測速的[10].如圖1所示 ,彈丸經磁化處理,在彈丸預定彈道上放置距離為S的兩個線圈靶 Ⅰ和 Ⅱ,彈丸以垂直于線圈平面的速度穿過兩線圈靶的中心,引起線圈內磁通量的變化,在線圈內產生感應電動勢,用瞬態波形存儲器記錄感應電動勢信號.判讀感應電動勢信號得到彈丸穿過兩線圈靶的時刻t1和t2,則彈丸經過兩線圈靶的時間為t12=t2-t1,由平均速度法,彈丸在兩靶之間的平均速度為

圖1 感應式線圈靶的測速原理Fig.1 V elocity measurem en t principle with conduction-type coil target

圖2 磁偶極子同軸穿越線圈靶的坐標系Fig.2 Coordinatesystem w hilemagnetic dipole flying th rough coil

為分析線圈內產生的感應電動勢信號,可以把磁化彈丸簡化為一個正、負點磁荷構成的磁偶極子,磁矩為p,假設磁矩p的方向與線圈軸線方向一致.因此線圈靶的機理分析轉化為磁矩為 p的點磁偶極子沿中心軸穿過半徑為,匝數為N的線圈時,線圈上產生的電動勢分析,如圖2所示.點磁偶極子在空間任一點的標量勢U為

空間任一點的磁感應強度B為

因此,通過線圈平面的磁通量φ為

式中:μ0為線圈的導磁率;ρ為線圈平面上的徑向積分變量,范圍從0～RL.

當磁偶極子接近或離開線圈時,磁通量發生變化,產生感應電動勢e為

圖3 感應電動勢信號Fig.3 Induced electrom otive force signal

感應電動勢形狀如圖3(a)所示.由式(5)可知,當彈丸穿過線圈中心平面(z=0)時,無論其是否通過線圈中心,感應電動勢都是零,圖3(b)中t1和t2分別對應圖1中彈丸穿過靶 Ⅰ和 Ⅱ的時刻.因此選擇感應電動勢的過零點作為區截點計算彈丸經過兩靶的時間t12是最準確的.

1.2 水介質特性對感應式線圈靶的影響和解決措施

水和空氣是兩種完全不同的介質,水介質具有導電性,而且是不可壓縮的,水在流動狀態下會對彈體的磁場產生影響,同時彈體在水下的運動常常伴隨著空泡,在空氣中使用的感應式線圈靶不能直接應用于水下,可能存在的問題及解決措施如下:

1)線圈靶的絕緣問題.線圈靶一般用漆包線繞制,漆包線中心是銅絲,外層是絕緣層,但在使用中由于摩擦等原因,可能會出現絕緣層脫落的現象.由于水是弱電解質,具有導電性,漆包線由于絕緣層脫落直接與水連通,可能導致線圈內不會產生感應電動勢信號或造成線圈內產生干擾信號.因而必須將線圈靶密封.解決辦法是將線圈繞制在自制的尼龍框架內,如圖4所示,框架的縫隙處采用玻璃膠密封,使線圈靶與水介質絕緣;

圖4 防水密封感應式線圈靶F ig.4 Waterproof-type and conduction-type coil target

圖5 濾波電路F ig.5 Filter circuit

2)水中雜質和空泡等對信號的干擾問題.由于在測試過程中可能會受到空泡、尾流、沖擊波和水中雜質等的干擾,線圈內產生的感應電動勢會參雜一系列雜波信號,當干擾較大時,雜波信號的幅值甚至超過電動勢信號的大小,造成測試儀器誤啟動.而雜波信號一般以脈沖信號為主,用 RC濾波電路就可消除,因此在測試電路中加入RC濾波電路,可消除干擾信號的影響,如圖5所示;

3)線圈靶的布放對水下彈丸彈道特性的影響.彈丸在水下運動時經常伴隨著空泡,空泡尺寸較彈丸尺寸大,空泡直徑甚至超過幾倍彈徑,同時彈體周圍的水介質也被帶動進入流動狀態.由于水介質是不可壓縮的,將線圈靶置于彈丸彈道上可能會影響空泡形態和水的流動,進而影響彈丸彈道特性.根據空泡動力學理論以及水洞實驗[11]的研究結果,在橫截面積為190 mm×70 mm的水洞內研究直徑 20mm彈體周圍空泡形態,水洞壁面對空泡形態基本沒有影響.本系統采用的線圈靶直徑是150mm,測試彈體直徑是12mm,可確保在水中布放線圈靶不會影響彈丸的彈道特性;

4)水介質對彈體磁場的影響.水是弱電解質,水中的正負離子在彈體磁場中運動時會產生微弱電流,在彈體周圍水介質的復雜流動狀態下,微弱電流發生變化并產生變化的磁場,可能會影響彈體磁場.但彈體入水前經過強磁化,水中正負離子運動產生的磁場是極其微弱的,兩者存在數量級上的巨大差別,水介質運動產生的磁場對彈體磁場的影響可以忽略不計.

2 水中彈藥速度測試實驗

2.1 感應式線圈靶水下測速系統

該測試系統的組成是:線圈靶(圖4)、水箱(圖6)、發射裝置和測試彈丸(圖7)、濾波與放大電路(圖8)、電源、采集示波器和高速攝影機(圖6).系統連接如圖9所示.線圈靶由直徑0.6mm的漆包線繞制在尼龍框架內,靶直徑是150mm,線圈匝數是150,線圈靶框架的縫隙處采用玻璃膠密封,保證線圈靶與水絕緣.實驗時兩線圈靶配對使用,線圈纏繞均勻、一致性良好,且接線條件保持一致.濾波與放大電路采用LF357主放大芯片,并采用 ±12 V電源供電,放大倍數可以調節,其作用是將線圈靶輸出的微弱電動勢信號放大,并濾除干擾信號后輸出至示波器顯示.示波器用于采集感應電動勢信號并輸出顯示,采用電平觸發方式.測試彈丸直徑是12 mm,實驗前對其進行磁化處理,實驗時用發射裝置垂直射入水中.由前面的分析,在水中布放線圈靶不會影響彈丸的彈道特性.由于測試彈丸需要經過磁化處理,因此本測試系統多應用在水中彈藥的設計和水下彈道基礎研究實驗中.磁化處理可能會改變彈丸的彈體特征,因而在靶場實驗中能否使用視具體情況而定.

系統采用的高速攝影機型號為FASTCAMSA3,布置在水箱外側(圖6),其作用是:①拍攝彈丸的水下彈道,觀察彈丸彈道與兩線圈靶中心連線是否平行.因為根據文獻[12],兩靶中心連線與彈道平行時,測試結果準確度高;②測量彈丸速度,并與線圈靶測試結果進行對比.實驗用水為純水,因而高速攝影拍攝效果十分清晰,分辨率極高,彈丸速度測試結果的準確度很高.若復雜水域環境中的光線條件不好,可利用照明設備照射來增加水中光強度或對水質進行凈化處理,以提高高速攝影的拍攝效果.

圖6 高速攝影機和水箱Fig.6 High speed camera and w ater tank

圖7 發射裝置和測試彈丸Fig.7 Launching unit and measurement projectile

實驗在玻璃水箱內進行,測試系統示意圖如圖9所示,可見該測試系統具有結構簡單、可重復使用的特點.將線圈靶固定在水中,靶面與水面平行;發射裝置口垂直于水面,保證彈丸垂直發射;但線圈靶不宜離發射裝置口太遠,以免彈丸彈道偏離線圈靶中心太多或脫靶,引起較大測試誤差.高速攝影布置在水箱外側,拍攝彈丸的整個彈道過程;示波器設置成電平觸發方式等待觸發.實驗時可改變發射藥筒型號,使測試彈丸獲得不同的速度進行測試.

圖8 濾波與放大電路Fig.8 Filter and amplifier circuit

圖9 感應式線圈靶水下測速系統示意圖Fig.9 Schem atic diagram of velocity measurem en t system w ith conduction-type coil target

根據感應式線圈靶的測速原理,測試速度是彈丸在兩個線圈靶距離上的平均速度(式 1).而彈丸在水下所受阻力很大(約為空氣中阻力的800倍),速度衰減非常快,因此,利用線圈靶測速系統測試彈丸在一段彈道上的平均速度時,靶距S越小,測試結果準確度越高.而根據文獻[6],感應電動勢信號(圖3 (b))中波峰和波谷之間的距離為靶半徑RL,若兩線圈靶的感應電動勢信號互不干擾,靶距至少應為一個靶直徑長度(2RL).為保證測試結果的準確度,本實驗中設置靶距為S=2RL=15 cm.

2.2 實驗數據處理與結果分析

圖10是示波器采集到的感應電動勢信號,為彈丸穿過上、下兩個線圈靶時產生的過靶信號.前一個信號作為啟動信號,后一個信號作為截止信號.根據前面的分析,感應電動勢的過零點是區截點的最佳選擇,用示波器的Cursors功能鍵可判讀出兩個感應電動勢零點之間的時間t12.靶距S在布靶前設定,根據公式(1)就可得到彈丸的平均速度.

同時分析圖10得出,經濾波與放大后的感應電動勢信號非常清晰,基本不存在干擾信號.說明本測速系統可以大大降低水介質特性的干擾,同時又是一種非接觸性測試裝置,對彈丸的帶空泡彈道基本沒有影響,系統測試結果準確度高.

圖10 感應電動勢信號Fig.10 Induced electromo tive forcesignal

圖11 彈丸穿靶過程Fig.11 Penetrating target course of projectile

高速攝影的拍攝速率為5 000f/s,圖11中給出了一組彈丸穿靶圖像.可以看出:①彈丸彈道以及彈體與水介質的分界面清晰,拍攝速率滿足速度測試要求;②線圈靶的布放對彈丸帶空泡彈道沒有影響;③彈丸的彈道軌跡較為平直,在較短距離上彈道軌跡近似為直線.前面說明利用高速攝影可以確保彈丸彈道與兩線圈靶中心連線平行,從而提高測試精度.而在高速攝影使用困難的介質環境中,可預先設置兩靶中心連線與彈丸的預定彈道平行,并在兩靶互不干擾的前提下設置靶距盡量小,而水下彈丸的彈道軌跡在較短的距離上不會發生太大偏轉,可基本保證彈丸彈道與兩靶中心連線平行.

處理高速攝影圖像,得到彈丸穿過兩靶的平均速度v′,并與線圈靶測得的速度v進行對比,如表1所示.其中線圈靶的靶距有S=15 cm和S=20 cm兩種,以對不同靶距結果的測試精度進行對比.

表1 實驗數據Tab.1 Ex per imental data

分析表中數據得出:

1)感應式線圈靶與高速攝影的測速結果相比具有一定的偏差,但相對偏差在5%以內.

文獻[5]顯示,高速攝影是一種測試準確度和精度都較高的水下測速裝置,且本實驗在純水中進行,高速攝影拍攝的彈丸彈道及彈體與水介質界面非常清晰,其測速結果準確度很高.感應式線圈靶測速系統和高速攝影測速結果的偏差范圍都在5%以內,說明感應式線圈靶測速系統也具有較高的測速精度,能滿足一般水彈道速度測試的需求.

2)感應式線圈靶與高速攝影的測速結果相比,靶距S=15 cm比靶距S=20 cm的測速結果的相對偏差要小.即若以高速攝影的測速結果為準,在兩靶互不干擾的前提下,靶距越小,測試結果的精度越高.

根據感應式線圈靶的測速原理,測試誤差的主要來源是靶距測量誤差和時間測量誤差.靶距測量誤差可能是由于彈丸彈道與靶平面不垂直及測量工具存在誤差等原因造成的;時間測量誤差可能是由于測試儀器本身的測試精度較低和判讀誤差等造成的.

2.3 測速系統的適用范圍

表1中數據對應的感應電動勢峰值范圍是0.61～0.86 V,實驗條件為放大電路放大倍數是100,示波器數據采集通道單位為1 V/格.根據公式(5),感應電動勢的大小與彈丸速度成正比,若示波器數據采集通道的單位為10 V/格(最大)時,測試速度上限可達到1 076.7 m/s;若放大倍數小于100時,測試速度下限可低于65.4m/s,因此,本測試系統的測速范圍非常寬.由于發射裝置采用發射藥的限制,不能獲得v＜65.4 m/s和92.6m/s＜v＜1 076.7m/s范圍內的速度,但理論上測試系統可對這兩個范圍內的速度進行測量.

本測試系統采用的線圈靶直徑是150 mm,彈丸直徑是12 mm,線圈靶直徑遠大于彈丸直徑,在水中布設線圈靶不會影響彈丸的彈道特性,因而可對直徑12mm的水下彈丸的速度進行測試.理論上,在線圈靶不影響彈丸彈道特性的基礎上,本測試系統可對直徑大于 12 mm的彈丸速度進行測試,如30 mm高速射彈;當線圈靶尺寸增大時,可對直徑更大的彈體速度進行測試,如對魚雷和導彈速度的測試,但在實際應用中還需進一步的理論研究和實驗驗證.

3 結 論

1)水下感應式線圈靶測速系統基本不受水介質特性的干擾,測得的感應電動勢信號中沒有干擾信號;

2)水下感應式線圈靶測速系統與高速攝影測速結果的相對偏差在5%以內,說明該系統具有一定的測試精度,能滿足一般水彈道的速度測試需求;

3)水下感應式線圈靶測速系統具有結構簡單、可重復使用、對彈丸外彈道無影響等優點.

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