基于薄膜式磁傳感器的轉速測試新方法研究*

任先貞,裴東興,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

基于薄膜式磁傳感器的轉速測試新方法研究*

任先貞,裴東興,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

目前轉速測量的方法通常采用雷達法和光學高速攝影法,但其測量方法成本高、不能實時顯示數據。因此設計了內測法測量彈丸的轉速,將測試裝置放置在彈丸內部,利用薄膜式地磁傳感器切割磁感線產生感應電動勢來反應彈丸的轉速變化,并提出了處理轉速的新方法——中心點處求法。通過多次實驗,驗證了該系統的可行性,與現有方法相比,測得結果誤差小、精度高,對今后研究彈丸的章動參數都有很高的參考價值。

薄膜式地磁傳感器;轉速;中心點處求法

0 引言

彈丸在飛行過程中,近似于一個剛體運動,其中轉速是一個重要的研究參數[1]。國內外學者研究了很多測量彈丸轉速的方法,主要采用的方法為外測法,其中有彈底刻槽法[2]、光學高速攝影法[3]、線陣CCD器件攝影法[4]等。彈底刻槽法,通過多普勒信號可以得出彈丸的旋轉速度,但對于彈底較薄的彈丸并不適用[5]。高速攝影法,雖然可以采集到彈丸飛行過程中的陰影成像,但需幾十臺攝影機及平面鏡等設備,成本較高,并且后續沖洗照片等需要長時間完成。線陣CCD器件攝影法,成本高而且需要中心站和測量站,易受條紋寬度的影響。針對以上問題,提出采用內測法[6]將薄膜式線圈磁傳感器置于測試裝置內部測出彈丸的轉速,該方法成本較低,性能穩定,便于安裝。

1 彈丸轉速測試原理

1.1 薄膜式地磁傳感器原理

薄膜線圈粘貼于彈丸壁表面,用漆包線纏繞在表面,體積小,便于安裝,如圖1、圖2所示為薄膜式地磁傳感器示意圖和其安裝示意圖。

圖1 薄膜式地磁傳感器

地磁場是一個弱磁場,地磁的強度隨地域的變換而不同。彈丸在飛行過程中,如圖3所示,閉合電路在地磁場內切割磁感線產生感應電動勢,其產生的感應電動勢為:

圖2 安裝示意圖

(1)

式中:E為線圈中產生的感應電動勢;N為線圈匝數;Φ為磁通量;t為時間;B為地磁場強度;S為線圈面積;θ為線圈的旋轉角;γ為彈軸Z′(N)與磁場強度B之間的夾角。

圖3 彈丸飛行模擬圖

1.2 薄膜式地磁傳感器的設計

薄膜線圈地磁傳感器的設計有三個方面的因素,線圈面積S和線圈匝數N[6],還有磁導率μ的變化,通過實驗來確定最合適的線圈匝數。通過表1的比較,在線圈面積相同的時候,隨著線圈匝數的增加,磁傳感器產生的感應電動勢也逐漸增大,同時靈敏度也會變大,靈敏度增大使實驗測得的數據更加準確,但是線圈匝數增加也會帶來一些不利的因素,其中最大的影響就是會出現漏磁的現象,因此要選擇合適的線圈匝數,進而達到合適的靈敏度[7],經過實驗比較,選擇50 mm×50 mm的線圈。

實驗所處的位置為某靶場內,該位置的磁場大小為5.42×10-5T。

表1 不同尺寸的薄膜磁傳感器的感應電動勢比較

2 彈載測試系統

系統的硬件設計是測試系統的核心,該系統是由薄膜式地磁傳感器、信號調理電路、Flash存儲器、A/D轉換器、MSP430、電源管理模塊組成,通過USB通信接口電路連接計算機,讀取數據,得出轉速的曲線,如框圖4所示。

圖4 系統框圖

2.1 信號調理電路設計

2.1.1 放大電路設計

由于磁傳感器的輸出大約為30 mV,信號幅值較小,因此將輸出的信號經過放大電路處理送入模數轉化器,通過設計采用INA128儀表放大器對信號進行放大,VREF為偏置電壓,通過采用置位電路[8],如圖5所示,可以解決傳感器在實際應用中的強磁場干擾,從而可快速恢復靈敏度,其輸入輸出關系如下

(2)

式中:Vin+、Vin-為地磁傳感器的差動輸出;VREF為正偏置電壓;G為放大倍數。

圖5 放大電路原理圖

2.1.2 濾波電路設計

圖6 濾波電路原理圖

(3)

2.2 AD轉換電路設計

在該系統中,選擇MSP430單片機對整個系統進行控制,采用AD7862進行模數轉換,AD7862是一個高速并行接口,單電源3.3 V供電。它包含兩個4 μs的延時ADC,兩個鎖存器,一個內部為2.5 V參考電壓和一個高速并行輸出端口,并對模擬輸入有過電壓保護。

2.3 電源電路設計

該系統的數字電路和模擬電路都采用3.3 V鋰電池供電,電源管理芯片使用TI公司生產的LP5996。為降低功耗,系統采用LP5996分時/分區供電,如圖7所示。ON1和ON2分別為VDD、VEE的控制引腳,系統上電前,ON1處于高電平狀態,VDD為控制電路模塊供電,ON2為低電平,模擬板、存儲器及模數轉化器不工作。當系統上電后,ON2被拉高,VEE為模擬電路供電以及數字板中的部分電路供電,系統循環采集,在數據采集完后系統自動將ON1管腳置低,系統再次進入低功耗狀態[9],如圖7所示。

圖7 電源電路原理圖

3 中心點處求轉速法

轉速的求法是根據其特征值點的選取,一般測轉速的方法為基于零點的半周期求法[10],其特征點為零點;另一種方法為基于極值點的半周期求法[10],其特征點包括波峰、波谷;轉速的測量是通過對彈丸轉動的周期求倒數得到的,即

(4)

在本次實驗結果處理中,采用以波峰與波谷之間的中心點為特征點,求得轉動的周期,近似的認為以5個波峰為一個轉動周期,通過實驗的驗證,可以有效減少誤差,更接近于理論值

(5)

4 實驗結果及數據處理

通過接口電路將采集到的數據上傳至上位機,轉速測試系統選用的采樣頻率為25 kHz,采樣時間為38 ms,處理得出圖8所示的全彈道感應電動勢曲線。

圖8 彈丸感應電動勢曲線

圖9 0～4 ms彈丸轉速曲線

由圖9所示,彈丸在0～0.01 s的時刻中會有短暫的振動,這是由于彈丸受到內部磁場的干擾,振動比較明顯,到0.01 s之后,彈丸出炮口,曲線逐漸下降,感應電動勢的幅值在下降,說明彈丸轉速在逐漸降低,將轉速局部曲線放大,如圖10所示。

圖10 轉速局部放大圖

通過對波峰處和中心點處的數據進行讀取,根據式(6),計算得到表2所示數據,對結果進行分析,并計算出相對誤差的大小,如表3所示,相對誤差1是根據波峰點的理論值與測得值計算得出;相對誤差2是中心點的理論值與測得值計算得出的。

表2 彈丸在1 s內測得轉速值

表3 轉速值誤差分析比較

圖11 誤差曲線圖

根據上表所示,在波峰處轉速測得的值與理論值相差較大,如圖11所示,并且每個點之間的取值會稍有偏差,通過表3的對比,在中心點處測得的轉速值誤差較小,因此選用中心點處的求值方法更符合實際值。

將各個點處得到的轉速值的大小進行數據擬合,得出轉速曲線如圖12所示。根據轉速曲線可以清楚地看到,在0.02 s時轉速為最大值25 320 r/min,之后的轉速逐漸下降,直至落地,與實際測得的值吻合。

圖12 轉速曲線圖

5 總結

該測試裝置通過薄膜式地磁傳感器來感應彈丸的轉速變化,提出了中心點處的求得轉速值的方法,實驗表明,通過計算分析得出新的轉速計算方法,與實際測得的值一致,是一種行之有效的方法,同時該裝置還可以測得章動參數等。

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Research on a New Speed Measurement Based on Diaphragmatic Geomagnetic Sensors

REN Xianzhen,PEI Dongxing,SHEN Dawei

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Currently, rotational speed is commonly measured by radar and optical high-speed photography method, but their high cost and failure in real-time data display result in falling back on the method for rotational speed measurement. Therefore, internal measurement was designed to test projectile speed. Test devices are installed inside projectile, and rotational speed change could be reflected by induced electromotive force produced by diaphragmatic geomagnetic sensors cutting magnetic induction line, and a new method for processing speed was proposed, which was center point method. Through several experiments, feasibility of the system was verified. Compared with conventional method, the measured result was small in error with high precision, and this could be referred for future research on projectile nutation parameter.

diaphragmatic geomagnetic sensors; speed; center point method

2016-03-31

山西省回國留學人員重點科研項目(2008003)資助

任先貞(1991-),女,山西陽泉人,碩士研究生,研究方向:智能儀器與動態測試。

TJ410.6

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