侵徹加速度測試系統(tǒng)設計

劉思延，姜三平，王永鋒

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

在侵徹試驗中，測量試驗過程中彈丸加速度較多采用彈載存儲測試技術[1]。國內(nèi)彈載測試儀一般采用測試專用的ASIC芯片（如HB202等），但其功能單一且性能不穩(wěn)定，電路實現(xiàn)復雜，體積較大，進行多通道數(shù)據(jù)測量時，為了實現(xiàn)通道的識別而損失數(shù)據(jù)的精度[2-3]。本系統(tǒng)在借鑒存儲測試技術的基礎上，用Xilinx公司的CPLD芯片為中心控制器，配合高性能、低功耗的COMS電路、A/D芯片以及Ramtron公司鐵電存儲器等，系統(tǒng)設計具有低功耗、微體積、低噪聲等優(yōu)點。

在彈體侵徹目標的瞬間，彈丸將產(chǎn)生巨大的諧振，所受到的過載信號往往混有其它多種頻率成分的復雜信號[4]，為了把真實的過載值提取出來，需要將諧振產(chǎn)生的信號衰減掉，根據(jù)侵徹信號特點，選用巴特沃斯低通濾波器對信號進行濾波處理。彈丸侵徹試驗，往往先進行裝配，然后運到靶場進行試驗，試驗完了之后需要花一定的時間尋找測試儀，所以測試系統(tǒng)電源是重中之重。在使用高性能電池的同時，利用電源控制技術實現(xiàn)測試系統(tǒng)的低功耗[5]。由于在侵徹試驗中，會產(chǎn)生巨大的沖擊波，沖擊波在侵徹彈中傳播時會對測試系統(tǒng)造成一定的破壞性，導致試驗測不到數(shù)據(jù)[6]。在先進智能彈藥系統(tǒng)、導彈系統(tǒng)、彈箭系統(tǒng)研發(fā)過程，其上電子測控儀器的抗沖擊性能和緩沖保護是一個關鍵的技術問題[7]。使用非線性緩沖設計，可以很好地解決這個問題。通過對組合泡沫鋁緩沖效果進行研究，對于彈體狹小的空間中，可以對測試起到很好的緩沖保護作用。

1 系統(tǒng)工作原理

整個測試系統(tǒng)分為4部分：多通道測試儀、傳感器、泡沫鋁緩沖材料、保護殼體。共使用3個高g值傳感器，并沿x、y、z軸3個方向安裝在傳感器內(nèi)筒的機械殼上。在實驗前，將測試系統(tǒng)安裝在彈體內(nèi)部的“質(zhì)心點”上。z軸方向為軸向加速度方向，軸向加速度是彈體試驗中最重要的參數(shù)之一，故軸向傳感器必須安裝在彈體“質(zhì)心點”上，方向與彈體軸向平行，使傳感器的橫向效益降到最低。x軸和y軸方向傳感器主要測量徑向加速度。信號調(diào)理電路分為放大電路和濾波電路。考慮到系統(tǒng)精度和功耗問題，選用低功耗的NI155芯片作為放大器；濾波電路選用低功耗的軌到軌運放OP2340芯片。選用高速高精度的AD7492進行數(shù)模轉(zhuǎn)化。接口模塊采用USB接口和計算機連接，選用CYPRESS的CY7C68013芯片，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的上傳[6]。根據(jù)實際需要，選用Ramtron公司的FM22L16鐵電存儲芯片，在測試儀掉電或電池耗完電的情況下，數(shù)據(jù)仍可以保存完好，對于惡劣環(huán)境下試驗有很大價值。

整個測試過程在CPLD芯片的控制下，實現(xiàn)同步信號的數(shù)字邏輯，如地址發(fā)生器、時鐘等相對固定的邏輯，并完成了一些判斷、運算和控制；所測量的信號經(jīng)過放大和濾波后進行A/D轉(zhuǎn)換并存儲，根據(jù)以往侵徹試驗過程的經(jīng)驗和所選A/D芯片的特點，測試系統(tǒng)的采樣頻率為800 kHz，系統(tǒng)在加速度達到觸發(fā)值后，進行數(shù)據(jù)存儲操作。數(shù)據(jù)存儲完畢后，測試系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，從而降低功耗，數(shù)據(jù)保持時間大于24 h。在侵徹試驗中，彈丸發(fā)射后回收得到測試儀，計算機通過通信接口讀出數(shù)據(jù)，而后對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到精確的試驗參數(shù)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 電路硬件設計

2.1 濾波電路設計

巴特沃斯濾器是一種在其通頻帶內(nèi)頻率響應曲線最大限平坦，阻頻帶則逐漸下降為零，在通信領域已有廣泛應用[8]。相比于貝塞爾和契比雪夫濾波器，巴特沃斯濾波器具有線性相位、衰減斜率和負載特性等特性均衡的優(yōu)點，因此在實際使用中巴特沃斯濾波器已被列為首選，N階巴特沃斯低通濾波器的振幅和頻率關系為

圖1 測試系統(tǒng)工作原理Fig.1 Operating principle of the test system

式中：N為濾波階數(shù)；fc為振幅響應跌至-3 dB處的頻率。模擬低通濾波器設計，其指標有ap，wp，as和ws。wp和ws分別為通帶截止頻率和阻帶截止頻率；ap為通帶中的最大衰減系數(shù)；as為阻帶的最小衰減系數(shù)。 對于單調(diào)下降的幅度特性，可表示為

根據(jù)以往侵徹過程測量信號的特點，設計濾波截止頻率為10 kHz，阻帶最大衰減為-30 dB的低通濾波器。通過式（7）計算得到N等于2。偶數(shù)階的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可分解為N/2級的二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積，電路上通過一個N/2二階濾波網(wǎng)絡實現(xiàn)。圖2是一個二階巴特沃斯通濾波器的原理圖。

圖2 濾波電路Fig.2 Filter circuit

2.2 低功耗設計

電池是存儲測試系統(tǒng)中唯一的功能裝置，在存儲技術的發(fā)展中主要通過選擇低功耗的芯片和對電路的供電狀態(tài)來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設計[9]。為了降低系統(tǒng)的功耗，使用芯片LP5996l分區(qū)/分時電源管理技術，對電路的數(shù)字板和模擬板按需分開供電。圖3為電源控制電路原理圖。LP5996有2個使能端EN1和EN2分別控制2路電源輸出Vout1和Vout2。EN1接上拉電阻一直接高電平，給控制電路供電，EN2的電平由控制電路控制，根據(jù)工作狀態(tài)控制EN2。如圖4所示為整個系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。其中VCC為電池電源，VDD為數(shù)字電路模塊電源，VEE為模擬電路模塊電源。

圖3 電源控制電路Fig.3 Power control circuit

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.4 Transition diagram of the system state

系統(tǒng)各工作狀態(tài)下的功率如表1所示。

表1 系統(tǒng)功耗表Tab.1 System consumption

3 抗高沖擊緩沖研究

侵徹試驗時，會產(chǎn)生巨大的沖擊波，要求測試儀承受巨大沖擊過載。測試儀的主控芯片XCR3064抗過載能力達到5×104g[10]。利用文獻[10]中所提到的方法，選用霍普金森桿對芯片進行沖擊實驗。證明芯片能夠滿足5×104g沖擊過載。在實際試驗中，為了適應更高的過載，提高測試儀自身的抗過載能力十分重要[11]。根據(jù)侵徹混凝土試驗中測試儀的抗過載范圍，設計了高強度的機械殼體，對裝置用環(huán)氧樹脂進行真空灌封。經(jīng)過上述處理，測試儀能夠承受5×104g的過載。

通過內(nèi)部加固設計可以提高測試儀抗g值沖擊性能，但不可能無限提高。必須采用被動沖擊隔離技術，從外部降低彈體傳到測試儀的沖擊。若采用線性隔振器，頻率很高，在彈體狹小寶貴的空間內(nèi)無法滿足線性彈簧的要求，難以克服諧振導致的加速度疊加，會對測試儀造成更大的損壞。利用泡沫鋁非線性緩沖能很好地解決這個矛盾。文獻[11]提出填充金屬薄壁和泡沫鋁組合作為緩沖材料。研究表明，單純的泡沫鋁能吸收的能量比較有限，在沖擊加速度降低到測試儀失效加速度之前泡沫鋁就已經(jīng)達到密實狀態(tài)，無法繼續(xù)吸能。而薄壁金屬管可以吸收較多能量，但緩沖不穩(wěn)定，將薄壁金屬管和泡沫鋁組合起到理想的吸能效果。為了評估其緩沖效能設計如圖5所示，將一加速度傳感器（傳感器2）直接灌封在電路模塊中，并使其與電路模塊灌封殼底部剛性接觸，用來測試經(jīng)過緩沖后的電路模塊受到的沖擊加速度；傳感器1用來測試整個測試儀受到的沖擊加速度。試驗完成后將測得的加速度數(shù)據(jù)讀出，將電路模塊的加速度和整個測試儀的加速度進行對比，評估緩沖裝置對電路模塊的緩沖效果。

圖5 緩沖實驗裝置Fig.5 Buffer experimental device

經(jīng)過在空氣炮中實驗得到緩沖前后的加速值。如圖6所示，比較其峰值，可得出經(jīng)過泡沫鋁緩沖后電路模塊的加速度峰值明顯降低，脈寬變大；按式（8）計算泡沫鋁的緩沖效果，可得到其緩沖效果約為65%，測試系統(tǒng)能夠滿足1×105g以上的過載能力。

式中：az為測試儀整體加速度峰值；ah為電路模塊加速度峰值。

圖6 緩沖效果Fig.6 Buffer effect

4 CPLD編程設計流程

用VHDL語言設計中心控制器CPLD的邏輯控制整個電路，邏輯流程如圖7所示。測試儀一上電后立即進入循環(huán)采樣，當系統(tǒng)感受到超過預設值的加速度信號后發(fā)出觸發(fā)信號“TRG”，開始記錄采樣次數(shù)，計滿256 K×8 bit后，系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，等待計算機發(fā)出讀數(shù)指令將數(shù)據(jù)讀出。

圖7 軟件流程Fig.7 Software flow chart

5 實測結果分析

利用上述測試系統(tǒng)在靶場已進行多次彈丸侵徹混凝土實彈測試，成功獲取了彈丸在堂內(nèi)和發(fā)射過程中的三軸加速度參數(shù)，對其中一組數(shù)據(jù)進行分析。

5.1 軸向加速度信號

圖8為軸向加速度曲線，彈丸在堂內(nèi)的運動時間約為30 ms，在0～5 ms中，軸向加速度曲線振動頻率較低，彈丸彈帶擠入彈線，5 ms～10 ms曲線振蕩頻率迅速增大，幅值升高，堂內(nèi)加速度達到最值，為 3000 g（濾波后），在 10 ms～30 ms中，曲線振蕩頻率又逐漸降低，幅值降低，此階段為彈丸為出膛前在堂內(nèi)運動階段。30 ms～48 ms為彈丸出炮口到侵徹混凝土飛行階段，48 ms～55 ms為彈丸侵徹混凝土過程，持續(xù)時間約為7 ms，侵徹階段，出現(xiàn)巨大的振蕩，負向加速度峰值最大為3×104g（濾波后）。對軸向加速度信號積分后得到軸向最大加速度為570 m/s。

圖8 軸向加速度Fig.8 Axial acceleration

5.2 徑向加速度信號

圖9和圖10所示，彈丸在堂內(nèi)運動階段，徑向加速度峰值不明顯，在侵徹階段，峰值十分明顯。對曲線進行濾波后，X軸的正向加速度為1500 g，負向峰值為500 g；Y軸正向峰加速度峰值為180 g，負向峰值為8000g。由此可得，彈丸在侵徹階段，要承受很高的縱向沖擊；在進行多層侵徹試驗中，彈丸引信設計必須承受縱向高沖擊，防止引信失去保險，發(fā)生早炸。

圖9 X軸徑向加速度Fig.9 X axis radial acceleration

圖10 Y軸徑向加速度Fig.10 Y axis radial acceleration

5.3 實驗結果

經(jīng)過對上述測得數(shù)據(jù)進行積分處理和理論分析，綜合得到本次試驗測得參數(shù)如表2所示。

表2 試驗參數(shù)Tab.2 Experimental paramenters

6 結語

測試系統(tǒng)充分利用動態(tài)存儲技術的優(yōu)勢，具有微體積、低功耗、抗高沖擊等優(yōu)點，能夠在極其惡劣的環(huán)境中獲取有效的數(shù)據(jù)[12]。從實測結果來看，測試系統(tǒng)成功測取彈丸在發(fā)射、飛行、著靶侵徹過程中的實時加速度，測得數(shù)據(jù)與理論分析情況符合。

[1]劉紅娟，沈大偉，李新娥，等.彈載高g值三軸加速度測試系統(tǒng)技術分析[J].傳感技術學報，2013，26（1）：21-24.

[2]裴東興，祖靜，張瑜，等.彈載電子測試儀的設計[J].彈箭與制導學報，2012，36（3）：220-222.

[3]靳書云，靳鴻，張艷兵.抗高沖擊彈載記錄儀[J].傳感技術學報，2013，26（1）：21-24.

[4]范錦彪，祖靜，徐鵬.彈丸侵徹混凝土目標減加速度信號處理原則[J].探測與控制學報，2012，34（4）：1-9.

[5]崔亮飛.新概念動態(tài)測試系統(tǒng)的微功耗小體積技術研究[J].電工技術，2011，47（3）：47-48.

[6]杜紅棉，祖靜.無線沖擊波超壓測試系統(tǒng)研究[J].火力與指揮控制，2012，37（1）：198-200.

[7]羅昌杰，劉榮強.泡沫鋁填充薄壁金屬管塑性變形緩沖器吸能特性的試驗研究[J].振動與沖擊，2009，28（10）：26-30.

[8]白松，曹紅松.彈載地磁測量系統(tǒng)的抗干擾設計[J].傳感技術學報，2014，27（7）：928-932.

[9]文豐，任勇峰，王強.高沖擊隨彈測試固態(tài)記錄器的設計與應用[J].爆炸與沖擊，2009，29（2）：221-224.

[10]徐鵬，祖靜.李樂.CPLD芯片抗高g值沖擊性能分析[J].振動與沖擊，2007，26（1）：148-150.

[11]羅昌杰，劉榮強.泡沫鋁填充薄壁金屬管塑性變形緩沖器吸能特性的試驗研究[J].振動與沖擊，2009，28（10）：26-30.

[12]祁少文，范錦彪，王燕，等.彈載全彈道多參數(shù)測試儀[J].傳感器技術學報，2014，27（7）：994-996.