基于光電倒置開關的子母彈拋撒過載測試儀

祁少文，范錦彪，王 燕

（1.電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；

2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

子母彈戰斗部是現代高科技戰爭中常用的一種戰斗部，子母彈關鍵技術之一是拋撒，常用的拋撒方式有活塞拋撒、囊式拋撒、中心爆管拋撒等［1］。子母彈拋撒子彈過載的測量，對于檢驗子彈的抗沖擊性和實驗效果的評定以及結構的改進是一個重要的衡量指標。采集記錄數據的方法通常采用的是存儲測試的方法［2-5］。存儲測試實現了對現場信息的實時采集與存儲記錄，事后通過專用接口電路與計算機通信，在計算機上通過專用軟件對測得的數據進行讀取和處理，再現被測現場信息。在做子母彈拋撒試驗時，往往是在裝配廠先裝配好，再通過卡車拉到爆破場地進行實驗。由于裝配和路上需要時間，以及種種不確定因素的影響，考慮到電池電量的問題，常采用爆炸現場斷線上電的方式，但由于裝配條件的限制，經常會無意中磨斷導線而提前上電，在無法知情的情況下實驗，得不到數據，并且如果走線的槽開的稍微大些，將會改變裝置結構，對實驗的拋撒效果產生影響。本文針對此問題，提出了基于光電倒置開關的子母彈拋撒過載測試儀。

1 光電倒置開關

1.1 光電倒置開關的結構及工作原理

光電倒置開關結構如圖1所示。光電倒置開關是由小鋼球、光電器件（接收器、發射器）、蓋板、電路模塊、外筒和機械殼體等組成。為了抵抗高沖擊，用環氧樹脂在真空中灌封外筒。最終引出的三根線為控制上電線、電源線和地線。

圖2是光電倒置開關的電路原理圖。光電倒置開關的光電器件由接收器和發射器組成。發射器由發光二極管構成，它直接把電能轉化成光能，在電極上加正向偏壓后，由于PN 結的存在，將會把部分能量轉化成光能。接收器由光敏三極管構成，將接收到的光信號轉化為電信號。發射器和接收器安裝固定在同一個對光基線的殼體上，內腔裝有小鋼球，通過小鋼球的運動隔斷發射器和接收器之間的光通路，使得開光電路系統做出響應，產生開關導通或者斷開。如圖1所示，豎直及水平狀態下，小鋼球不會擋住發光二極管D1發出的光線，光敏三極管Q1接收到光，導通，ID 拉高到VCC，通過HC4050，ON輸出低電平；倒置后小鋼球擋住D1的光線，光敏三極管接收不到光，斷開狀態，ID 為低電平，通過HC4050，ON 輸出高電平。將ON 接到數據采集存儲模塊中，即可作為上電開關，控制系統狀態。為了防止誤上電，在數據采集模塊設定判斷ON 持續1min為低電平，才認為是上電［6-8］。

1.2 光電倒置開關的抗沖擊實驗

光電倒置開光在拋撒實驗中要承受幾萬g 的沖擊，能否經受得住高沖擊，成為了測試儀的關鍵。首先，為了提高倒置開關的抗沖擊性，在真空中用環氧樹脂對其進行灌封。其次，用空氣炮實驗進行沖擊測試。空氣炮裝置如圖3所示，其原理是突然把壓縮的空氣釋放來推動子彈，子彈沿管身運動對目標進行碰撞，產生高g 值加速度，同時用差動式激光多普勒測試儀記錄整個過程，進而可以得到目標所受的加速度沖擊值。

試驗時，經差動激光干涉儀產生具有多普勒效應的調頻信號，經數字示波器采集或直接傳輸到計算機。對該調頻信號進行頻率解調后，用相關算式即可獲得目標所受的加速度沖擊值［9-10］。圖4為其中一次測得的加速度曲線。經過多次實驗，發現該倒置開關具有45 000 g 的抗過載能力，而一般的子母彈拋撒實驗都在40 000 g 以下，滿足了要求。

圖1 光電倒置開關的結構框圖Fig.1 Structure diagram of electro-optical inversion switch

圖2 光電倒置開關的電路原理圖Fig.2 The circuit principle diagram of electro-optical inversion switch

圖3 空氣炮裝置Fig.3 The device of air guns

圖4 其中一次測得的加速度曲線Fig.4 One of the acceleration curves

2 基于光電倒置開關的子母彈拋撒過載測試儀

2.1 測試系統總體設計

測試系統主要由電源、傳感器（加速度傳感器，量程據實際情況而定）、數據采集存儲模塊、倒置開關模塊、USB 接口單元、殼體、緩沖材料等部分組成。高g 值加速度傳感器用來測試子彈在拋撒過程中的沖擊過載，數據采集存儲模塊由模擬信號調理電路、A／D、鐵電存儲器、CPLD、單片機組成，負責拋撒過程中信息的采集。實驗結束后數據通過USB接口傳輸到計算機中。不同的測試要求，通過單片機及CPLD 來完成。

2.2 測試系統工作原理

利用倒置開關進行電源管理，確定上電以后，電源管理單元輸出+5V 和+3.3V，給系統供電，晶振送出16MHz時鐘信號，系統數據采集模塊進入待觸發狀態，循環采樣。電路觸發后，信號經過調理單元，進入A／D；在CPLD和單片機控制下，A／D采樣的數據寫入鐵電存儲器；鐵電存儲器寫滿后，CPLD 發送控制信號給電源管理單元，系統進入低功耗狀態。系統存儲的數據，通過USB接口讀到計算機內存當中，測試專用的軟件對數據進行分析處理。

2.3 數據采集存儲模塊的設計

存儲模塊的結構如圖5所示。模擬信號調理部分對傳感器的模擬信號進行放大、濾波等處理，將模擬信號轉換為適合A／D 轉換器輸入的信號。考慮到系統精度，放大單元選用的是低功耗儀表放大器INAl28；選用高性能低功耗可軌到軌運放OPA2340，對放大信號進行濾波處理。A／D 轉換器將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，選用高速高精度低功耗ADC AD7492進行模數轉換，確保測試儀的低功耗和高精度。拋撒過程時間只有幾十ms，故測試儀容量設計為256 K×8bit，負延遲為128K×8bit，采樣頻率500kHz，記錄時間為512 ms，負延遲為256 ms，完全符合設計要求。CPLD和單片機共同控制A／D 變換器和鐵電存儲器對數字信號進行存儲操作。數據存儲完畢后，測試系統進入休眠狀態以降低功耗。USB 接口電路選擇CYPRESS的CY7C68013，單片機控制將數據通過USB芯片傳輸到計算機。

圖5 存儲模塊的結構框圖Fig.5 The structure diagram of storage module

3 驗證試驗與數據分析

如圖6所示，過載測試儀用于某型號戰斗部的中心管爆炸拋撒測試實驗，中心爆管位于中心，子彈呈環形對稱兩層排列。測試系統裝在子彈內，布置在離中心爆管較近的內層。工廠裝配前，檢查倒置開關與測試儀的采樣存儲模塊是否連接良好，接通系統的電源，系統立即為倒置開關提供電源，倒置開關進行初始化配置，關閉采樣存儲模塊的模擬電路，此時測試儀的控制電路處于值更狀態，倒置開關處在激活狀態，整個測試系統處于低功耗狀態。裝配過程中只是相對于倒置開關有水平的操作，不會打開開關。爆破前幾分鐘，子母彈倒立1min，倒置開關判斷達到倒置條件，向存儲測試電路發出上電控制信號，系統的模擬電路得到供電，開啟測試儀的采樣存儲模塊，進入工作狀態，倒置開關進入待機模式，節省功耗。實驗時戰斗部前端引信起爆，導爆索切割蒙皮，點火藥被點燃，點火藥燃燒產生的高溫燃氣與熾熱的固體粒子經過藥床中央傳火管上的各傳火孔噴入拋撒藥床，點燃拋撒藥，中心管內拋撒藥燃燒釋放出高溫高壓氣體，當管內的氣體壓力超過管本身的承壓強度極限時，中心管爆裂。最終蒙皮破裂，子彈拋撒出母體。

圖7是中心管爆炸拋撒子彈所受沖擊過載實測曲線圖。從中可以看到，加速度測試曲線存在著一定程度上的零點漂移，為了減小與真實速度之間的的誤差，要先對過載曲線去除零漂。參考爆炸分析信號小波變換的處理方法，可以從實測數據中提取出真實的沖擊過載信號。經過matlab濾掉過載曲線的低頻零漂以后，可以得到過載曲線如圖9所示。

從中看到，零點漂移已經得到了去除。爆炸拋撒的瞬間，會有大量的高頻信號疊加在過載曲線上，因此要想得到真實的過載曲線，必須用低通濾波的方法進行濾波處理。低通濾波的關鍵是濾波截止頻率如何選擇。通過經典的頻譜分析和ANSYS模態分析（圖9即為通過matlab處理后的爆炸沖擊過載頻譜圖）相結合的方法選擇了低通截止頻率為4.7kHz［11-12］。

通過matlab的FIR 濾波器進行低通濾波處理后的曲線如圖10所示，在曲線的1.4ms左右，有一個接近4 000 g的極大值，分析可知應為中心管爆炸時子母彈開倉前作用到傳感器上的爆炸沖擊波。隨著子母彈開倉，過載值在降到0以后又迅速上升。整個過程中加速度最大值為5 942 g，脈沖寬度為大約620μs。

用matlab對子彈拋撒的加速度曲線進行積分即可得到子彈拋撒的速度曲線，如圖11所示，可得爆炸時的拋撒速度為19.85 m／s。在實驗過程中，為了進行準確性對比，子母彈拋撒過程中使用高速攝影機對配重子彈拋撒過程進行了拍攝，經過專業軟件分析初速為20.35m／s。以照相機算出的速度為標準，系統的相對誤差為：

可知該系統的誤差非常小，測出的數據真實可信。

圖6 拋撒實驗裝配圖Fig.6 Assembly drawing of the scatters experiment

圖7 爆炸沖擊過載實測曲線圖Fig.7 The measured curve of the explosion impact overload

圖8 經過小波變換去除零漂的過載曲線圖Fig.8 The overload curves after the wavelet transform to get rid of zero drift

圖9 爆炸沖擊信號頻譜分析圖Fig.9 The spectrum analysis diagram of explosion impact signal

圖10 濾波后加速度曲線Fig.10 The acceleration curve after filtering

圖11 經過matlab處理的拋撒過程速度曲線圖Fig.11 The speed curve of scatters process by matlab processing scatters process

4 結論

本文提出了基于光電倒置開關的子母彈拋撒過載測試儀。該測試儀由光電倒置開關和數據采集存儲模塊組成，很好地替代了斷線上電的方式，可以完成對子彈受到的加速度的實時采集存儲。驗證試驗表明該測試儀可以很好的完成對子母彈拋撒過程中子彈加速度的實時采集存儲，測出的數據真實可信。對于檢驗子彈的抗沖擊性和實驗效果的評定以及結構的改進具有重要意義。下一步將對該系統進行進一步的完善，重點對數據的無線傳輸以及信標機的應用進行研究。

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