侵徹過(guò)程中彈頭表面瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)*

張 磊，王 利，亓浩名

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

彈頭碰擊目標(biāo)時(shí)，具有一定動(dòng)能，故對(duì)介質(zhì)有一定的侵徹作用。彈頭在侵徹過(guò)程中，將與目標(biāo)產(chǎn)生劇烈的滑動(dòng)摩擦，摩擦所做的功絕大部分將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鴮?dǎo)致彈頭表面溫度瞬間產(chǎn)生突變。若彈道受某種因素的影響產(chǎn)生偏離，則彈頭圓周上不同點(diǎn)的受力情況有所差異，各點(diǎn)的溫升變化將有顯著異同。因此研究彈丸侵徹介質(zhì)過(guò)程中彈頭表面瞬態(tài)溫度變化，有助于了解侵徹過(guò)程中的目標(biāo)內(nèi)部阻力、滑動(dòng)摩擦力、實(shí)際彈道規(guī)律等情況，對(duì)于后續(xù)研究侵徹彈道修正、提高打擊精度具有重要意義。

早期人們對(duì)侵徹過(guò)程中彈頭溫度的測(cè)量只能采取間接方法。例如將彈頭射入硫磺、火藥或硝化棉，通過(guò)這些易燃物是否燃燒來(lái)間接判斷彈頭的大概峰值溫度；通過(guò)在彈頭內(nèi)插入一個(gè)易熔金屬芯進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，如插入伍德合金芯則在65℃～70℃時(shí)融化，插入鈷鉍錫合金芯在95℃時(shí)融化，插入鉛鉍合金在125℃時(shí)融化，由此提供彈頭溫度范圍。間接方法得到的溫度誤差較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布較廣。文中采用接觸式測(cè)溫方法，直接用薄膜熱電偶測(cè)量彈頭侵徹溫度，以C8051F340高速單片機(jī)為微控制器。瞬態(tài)測(cè)溫系統(tǒng)將隨彈丸一起侵徹目標(biāo)介質(zhì)，實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)侵徹過(guò)程中彈頭表面溫度的變化情況。

1 系統(tǒng)原理

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、冷端溫度補(bǔ)償模塊、C8051F控制模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)在上電后，開(kāi)始循環(huán)采樣，薄膜熱電偶捕捉到有瞬態(tài)溫度變化時(shí)將輸出微小的電勢(shì)差，經(jīng)放大電路送入C8051F340單片機(jī)內(nèi)部10位ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)換值是否達(dá)到觸發(fā)條件。

當(dāng)滿足觸發(fā)條件后，測(cè)量片內(nèi)溫度傳感器溫度以消除冷端誤差，對(duì)冷熱端溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將其暫存到外擴(kuò)SRAM中。待全部數(shù)據(jù)采集完畢后，將數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入掉電不丟失的W25X80閃存中。存儲(chǔ)完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。測(cè)試系統(tǒng)回收后，閃存內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析，最終繪出彈丸侵徹介質(zhì)過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化曲線。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件構(gòu)成及工作原理

2.1 溫度傳感器

彈丸種類不同、初速不同、目標(biāo)介質(zhì)不同，則彈丸侵徹的持續(xù)時(shí)間不同。本測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)37mm某榴彈，以200m／s、500m／s的初速分別射向木質(zhì)、沙堆、混凝土等不同的無(wú)限厚介質(zhì)，侵徹時(shí)間約為10～50ms。

普通溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般在1～10s的范圍內(nèi)，信號(hào)延遲嚴(yán)重，無(wú)法達(dá)到瞬態(tài)測(cè)溫的目的。本系統(tǒng)采用厚度為12.5μm的鎳鉻－鎳鋁薄膜熱電偶（K型），它是美國(guó)RdF公司生產(chǎn)的 Micro－Foil系列金屬箔表面熱電偶，這種熱電偶體積小，熱慣性極低，與安裝表面熱耦合大，響應(yīng)時(shí)間在1～5ms之間，可在－160℃～815℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量，基本可以滿足系統(tǒng)的測(cè)溫速度。

K型熱電偶在800℃時(shí)的熱電勢(shì)為33.2754mV，信號(hào)比較微弱故需放大。C8051F340內(nèi)部ADC基準(zhǔn)電壓VDD為3.0V，則放大倍數(shù)為3000／33.2754≈100，故采用兩級(jí)放大，每級(jí)放大10倍。

2.2 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

由熱電偶的測(cè)溫原理可知，測(cè)量端（熱端）與基準(zhǔn)端（冷端）的熱電勢(shì)有如下關(guān)系：

即熱電偶測(cè)量端的熱電勢(shì)與工作環(huán)境溫度下的熱電勢(shì)之和是熱電偶在冷端為攝氏零度時(shí)的熱電勢(shì)[1]。由于侵徹時(shí)間只有幾十毫秒，熱電偶冷端被封裝在彈頭內(nèi)部，與金屬外壁進(jìn)行了有效的熱隔離，因此冷端環(huán)境溫度可近似認(rèn)為穩(wěn)定。C8051F340單片機(jī)內(nèi)置溫度傳感器，可通過(guò)片內(nèi)ADC直接輸出冷端環(huán)境溫度值，無(wú)需另設(shè)計(jì)冷端補(bǔ)償電路。

2.3 C8051F340單片機(jī)

本系統(tǒng)是以Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的C8051F340單片機(jī)為核心。340內(nèi)部集成10位逐次逼近寄存器型ADC，轉(zhuǎn)換速率為200ksps，ADC可工作在單端方式或差分方式，可被用于測(cè)量端口引腳電壓或溫度傳感器，能夠滿足系統(tǒng)采樣精度、采樣頻率的要求。

片內(nèi)有高達(dá)64KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，可在系統(tǒng)編程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間有4352KB的內(nèi)部RAM，片外可擴(kuò)展64KB的XRAM，能用于小容量數(shù)據(jù)緩沖。另外，340單片機(jī)采用3.3V供電，有靈活的電源管理方案，適合于低功耗應(yīng)用[2]。

2.4 Flash存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

由于Flash的存儲(chǔ)速度較慢，本系統(tǒng)增加一級(jí)無(wú)等待狀態(tài)32KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）。經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù)在單片機(jī)控制下先存入外擴(kuò)RAM中，待數(shù)據(jù)采集完畢，將數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入Flash，從而保證存儲(chǔ)速度，不至于丟失信號(hào)。根據(jù)本測(cè)溫系統(tǒng)的要求，測(cè)試時(shí)間很短，屬于毫秒級(jí)，采用一片W25X80即可滿足要求。圖2所示為Flash存儲(chǔ)器與單片機(jī)的接口圖。

圖2 Flash存儲(chǔ)器與C8051F340單片機(jī)接口圖

W25X80是Winbond公司的1MB的串行Flash高速存儲(chǔ)器，具有雙重SPI輸出能力，是普通SPI接口2倍的速率，其強(qiáng)化時(shí)鐘脈沖可達(dá)75MHz，在雙重輸出功能下傳輸速率可達(dá)150MHz，每個(gè)脈沖可提供兩位數(shù)據(jù)輸出。內(nèi)部分為4096頁(yè)，每頁(yè)為256字節(jié)的存儲(chǔ)單元，每頁(yè)寫(xiě)入的最大時(shí)間為2ms，它具有體積小、密度高、功耗低、價(jià)位低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和讀取，包括AD采樣頻率的設(shè)置、AD采樣時(shí)間的控制、存儲(chǔ)觸發(fā)點(diǎn)的判斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址空間的分配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取的時(shí)序控制、C8051F340與PC機(jī)的通訊。

系統(tǒng)封裝前首先要對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除，然后燒入主程序。系統(tǒng)上電后，通過(guò)判斷P1.0位I／O端口的狀態(tài)選擇數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀出。若為高電平，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)程序，即系統(tǒng)不斷循環(huán)采樣判斷觸發(fā)條件，在接收到觸發(fā)信號(hào)后，采樣值經(jīng)外擴(kuò)RAM的緩沖，存入Flash存儲(chǔ)器；若為低電平，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取程序，即單片機(jī)控制Flash存儲(chǔ)器向PC機(jī)串行發(fā)送數(shù)據(jù)，便于后期分析與處理。

系統(tǒng)采集瞬態(tài)溫升信號(hào)，要設(shè)置適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式及觸發(fā)電平才能捕捉到瞬態(tài)信號(hào)。本系統(tǒng)采用負(fù)延遲觸發(fā)，單片機(jī)將采樣值和預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣值大于閾值時(shí)給出觸發(fā)信號(hào)。程序設(shè)計(jì)中編寫(xiě)的觸發(fā)閾值為0.25V，查詢K型熱電偶分度表約為60℃。

4 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的靜態(tài)性能，需在系統(tǒng)靜止條件下，對(duì)薄膜熱電偶瞬間加熱，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集突變溫度數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的精度、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。打火機(jī)可在瞬間加熱，其外焰與空氣接觸，充分燃燒溫度可達(dá)到上千度，內(nèi)焰溫度較低可達(dá)到600℃，因此系統(tǒng)利用打火機(jī)瞬態(tài)內(nèi)焰溫度對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。圖3～圖5左側(cè)是實(shí)測(cè)的溫度曲線，其中橫軸代表采樣時(shí)間，縱軸代表實(shí)際的電壓幅值。右側(cè)是從Flash存儲(chǔ)器中讀取的溫度曲線，其中橫軸代表采樣點(diǎn)，縱軸代表與溫度對(duì)應(yīng)的采樣電壓值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，快速按下、彈開(kāi)打火機(jī)，使加熱時(shí)間盡量縮短。

圖3 第一次測(cè)量的溫度曲線

圖4 第二次測(cè)量的溫度曲線

圖5 第三次測(cè)量的溫度曲線

前兩次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采樣頻率為40kHz，采樣時(shí)間為400ms，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出實(shí)測(cè)曲線與Flash中讀取的曲線基本一致。第一次實(shí)驗(yàn)采集的峰值電壓為2.72V，約為650℃，誤差為0.7%，根據(jù)溫度曲線計(jì)算熱電偶響應(yīng)時(shí)間為38.8ms。第二次實(shí)驗(yàn)手略有抖動(dòng)，采集的峰值電壓為2.62V，約為620℃，誤差為0.8%，熱電偶響應(yīng)時(shí)間為25.9ms。

第三次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采樣頻率為300kHz，受靜態(tài)RAM容量限制采樣時(shí)間為50ms，由于侵徹時(shí)間約為10～50ms，因此可以滿足整個(gè)侵徹過(guò)程的溫度存儲(chǔ)。50ms時(shí)采集的電壓為1.68V，約為410℃，誤差為1.2%。

在后續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中將針對(duì)37mm某榴彈，以200m／s、500m／s的初速分別射向木質(zhì)、沙堆、混凝土等不同的無(wú)限厚介質(zhì)，初步估算侵徹時(shí)間約為10～50ms。經(jīng)過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)采樣頻率可調(diào)，最高為300kHz，系統(tǒng)誤差＜1.5%，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率為800Kbps，基本可以滿足后續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的要求。根據(jù)曲線計(jì)算熱電偶響應(yīng)時(shí)間為25～40ms，由于利用打火機(jī)模擬瞬態(tài)升溫過(guò)程是人工完成，火焰與熱電偶的接觸時(shí)間、接觸位置不好把握，所以根據(jù)曲線測(cè)得響應(yīng)的上升時(shí)間存在一定誤差。在薄膜熱電偶產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上明確其響應(yīng)時(shí)間在1～5ms范圍內(nèi)，因此初步判斷此款薄膜熱電偶可滿足實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

獲得侵徹過(guò)程中彈頭溫度的變化，可進(jìn)一步了解侵徹致傷機(jī)理、彈頭侵徹受力情況、彈道運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，本系統(tǒng)以C8051F340高速單片機(jī)為微控制器，設(shè)計(jì)一個(gè)基于薄膜熱電偶的瞬態(tài)溫度采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于采集彈體侵徹過(guò)程中的溫度變化情況。通過(guò)打火機(jī)模擬瞬間升溫的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，表明系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，能采集存儲(chǔ)完整的實(shí)時(shí)溫升信號(hào)，其采樣頻率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度可以滿足后續(xù)動(dòng)態(tài)射擊實(shí)驗(yàn)要求。但彈頭侵徹介質(zhì)過(guò)程中，測(cè)試環(huán)境惡劣，伴有高阻高沖擊，因此下一步需驗(yàn)證系統(tǒng)的抗沖擊性能。

系統(tǒng)具有體積小、成本低、精度高、響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于多種瞬態(tài)溫度信號(hào)采集場(chǎng)合，如發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度、膛口氣流溫度、爆發(fā)器內(nèi)壁溫度等。

[1]趙勇，伍先達(dá).高精度溫度快速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2008，140（6）：21－23.

[2]Silicon Laboratories.C8051F34xdatasheet[OL].http：／／www.silabs.com.Revision0.5.