基于透光率表征的光電式槍口煙檢測系統分析研究

潘偉杰，周克棟，赫 雷，杜恩武，李茂林，江 劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

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【信息科學與控制工程】

基于透光率表征的光電式槍口煙檢測系統分析研究

潘偉杰，周克棟，赫 雷，杜恩武，李茂林，江 劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

針對槍口煙具有流動性、瞬態性以及難以捕捉等特性，設計了一種槍口煙定量測試系統，該系統分別測量出激光穿過有煙與無煙時槍口煙霧收集器的感光電壓，并計算出透光率表征槍口煙濃度。原理樣機的試驗結果表明：該系統性能可靠，工作穩定，測試結果準確可信，為槍口煙的測試提供了一種重要的手段。

槍口煙；激光法；定量測試；煙霧箱

“煙霧”是一種在時間和空間上失去控制的泄漏現象[1]，具有形態不穩定、存在時間短、受環境影響大等特點。因此，如何可靠收集和檢測煙霧，一直是煙霧研究領域面臨的主要問題。目前，學界對于煙霧的收集和檢測研究方法很多，例如基于小波的視頻煙霧檢測技術[2]、基于飄動性分析的視頻煙霧檢測方法[3]、基于紅外圖像的煙霧檢測方法[4]等。對于軍工領域來說，槍械的膛口煙霧收集和檢測一直是研究的重點和難點，相比于普通的煙霧，膛口煙霧彌散更快，且由于鈍感劑(DBP)的加入，使得在產生煙霧的同時還會產生噴焰[5]等現象，所以其收集和檢測顯得尤為復雜和困難。

為此，采用光電法的原理，設計了一種新型槍口煙檢測系統，利用煙箱將煙霧收集起來，用經過調制的光源射入煙箱中，比較有煙和無煙時的感光電壓，以透光率來表征煙霧濃度，實現對煙霧的檢測，評估實驗彈藥的性能和配方。采用煙箱法收集槍口煙，具有成本低，受環境影響小，可重復測量的特點[6]。

1 設計原理

自動武器射擊時的膛口煙霧是由發射藥燃燒形成的氣體、火藥未充分燃燒形成的殘渣等組成的混合氣體溶膠，由于其成分復雜、外形多變，存在時間短暫，采用一般檢測方法很難進行。采用比爾—郎伯原理，可以克服煙霧檢測過程中的這些困難。

如圖1所示，當強度為I0的光源透過厚度為b的煙霧層時，由于煙霧對于光源的吸收、反射和散射作用，使得穿過煙霧層的光源強度衰減為I。根據比爾郎伯定律

(1)

式中：A為吸光度；T為透光率。式(1)的含義是：當一束平行單色光垂直照射到樣品時，樣品的吸光度與樣品的濃度及光程(樣品的厚度)成正比。而透光率

(2)

所以，只要能夠測出入射前的光強I0和入射后的光強I，就可以得出該煙霧的透光率。

圖1 比爾-郎伯原理示意圖

2 系統總體方案設計

2.1 系統組成

所設計的光電式槍口煙檢測系統主要由以下幾部分組成：

1) 煙霧收集部分。由槍口煙的收集裝置、收彈裝置和一些輔助機構組成，主要用于收集槍口煙，以便檢測。

2) 光路部分。包括光源的固定、調整，光電池的安裝、更換以及電源控制裝置等，確保光源能夠達到檢測所需的條件。

3) 電路部分。產生信號，并將光源信號轉化成的電信號進行信號處理、分析，給出處理結果。

4) 軟件部分。設計開發相應的軟件，實現對系統的控制、操作和數據處理，提高系統的人機功效。

系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 槍口煙檢測系統結構框圖

煙霧收集裝置收集煙霧，經過調制的激光源發射激光，穿過煙霧收集裝置被下側的光路部分接收，信號傳輸到電路中，然后再向軟件傳輸，進行處理。

2.2 煙霧收集裝置

槍口煙收集裝置，即煙霧箱，除了要具有普通煙霧收集裝置的密封性之外，還要考慮承受射擊時流入其中的火藥燃氣產生的動態壓力和收集子彈等功能因素，因此，在充分考慮實驗彈種的來源并給出足夠安全系數的情況下，設計了安全煙霧收集裝置。如圖3所示，煙霧收集裝置主要包括煙霧收集箱、排氣扇、泄壓機構和集彈器。

圖3 煙霧收集裝置結構示意圖

2.3 光路設計

本檢測系統需要測出槍口煙在煙箱內擴散穩定后的透射光強I和入射光強I0，由于重力的作用，煙霧擴散穩定后會產生分層，所以，光路垂直方向布置，如圖4所示。

圖4 光路布置示意圖

由于激光的平行度好，散射小，相同距離上的能量消耗也小，所以本槍口煙測試系統采用激光作為光源，可對激光進行調制，使其滿足檢測要求。光源裝置上加工一段導軌，用于對激光的光程進行調節，保證實驗初始條件的一致性。

(3)

(4)

2.4 電路設計

電路是整套光電式槍口煙檢測系統的重要部分。電路的組成如圖5所示。

圖5 電路組成示意圖

電路部分主要由電源轉換模塊、光電池、前置放大模塊、二級放大模塊、方波發生電路、鎖相放大模塊以及數據采集模塊組成。方波發生電路產生的方波信號有兩個作用：作為激光光源的調制信號和鎖相放大器的參考信號。調制的光源經過煙霧收集箱之后，透射光射入光電池，光電池感光后輸出電壓信號，該信號的頻率與調制信號的輸出信號頻率相同，光電池輸出的電壓信號先經過前置放大電路進行放大處理，然后通過二級放大電路濾除直流分量，再經過鎖相放大器，信號相乘后通過低通濾波，信號只保留直流分量，該直流分量經過AD轉換器，將數據送入微機處理，顯示屏顯示測量結果，同時數據傳輸到上位機。

2.5 軟件設計

本軟件采用LabVIEW虛擬儀器平臺進行編寫，LabVIEW的圖形化編程語言，在操作界面上與現實儀器完全一樣[10]，直觀性很強，通過軟件實現以下功能：

1) 實驗初始條件和環境條件設置；

2) 實驗對象參數設置；

3) 測量下位機的采集和數據傳輸；

4) 數據實時采集；

5) 數據采集參數設置；

6) 數據處理、保存和報告打印。

為了實現上述功能，本軟件采用分頁式軟件界面，將軟件主界面、參數信息設置界面以及實驗操作主界面分開，各有重點，區別特征明顯，方便操作使用。軟件參數信息設置界面如圖6所示。

圖6 軟件參數信息設置界面

檢測時，測量電路對實驗數據進行實時采集，并對采集的數據進行比較判斷，當數據大于設定的煙霧產生判定閾值時，說明煙霧已經產生，此時的信號數據記為透射后的信號數據。軟件接著判斷煙霧是否擴散穩定，判斷煙霧擴散穩定的方法是在軟件中設計算法，將透射后某一給定時間段采集的數據平均值與其前一相同時間段采集的數據平均值相減，當差值絕對值大于煙霧擴散穩定判定閾值時，表明煙霧還未擴散穩定，當差值絕對值小于煙霧擴散穩定判定閾值時，表明煙霧擴散穩定。煙霧一旦擴散穩定，則根據分段采集擴散穩定后的電壓數值，計算擴散穩定后的透射電壓。由于光電池在光的照射下會產生光電流，其公式為

B=SI

(5)

其中：B為產生的光電流；S是光電池的光電靈敏度，和光電池本身的特性有關；I是照射到光電池表面的光強[11]。結合式(4)及式(5)，有

(6)

式(6)表明，有煙和無煙時的光電流的比值即為透光率，由于信號要進行濾波、放大處理，基于電路處理的信號多是電壓形式，因此，在電路中加入反饋電阻，將光電流轉換成電壓，然后進行處理并顯示，因此有

(7)

將有煙霧時測得的透射電壓與無煙霧時測得的透射電壓作比，即可計算得到透光率T。

3 實驗與分析

3.1 實驗平臺構建

光電式槍口煙檢測系統實驗平臺如圖7所示。

圖7 槍口煙檢測系統實驗平臺示意圖

實驗平臺主要由實驗臺架、實驗槍械、槍械夾具以及槍口煙檢測系統幾個部分組成，其中，槍械夾具和槍口煙檢測系統都是通過螺栓與實驗臺架牢固連接，保證實驗裝置在射擊沖擊下的穩固性。連接時，先將槍口煙檢測系統緊固在實驗臺架上，然后將槍口伸入箱體中，調整好槍身，使槍管軸線保持水平，然后調整夾具夾緊實驗槍械。隨后在軟件界面進行設置，并進入實驗操作主界面，開始實驗。

3.2 實驗數據分析

不失一般性，實驗槍械選用某7.62 mm突擊步槍，該槍配屬彈種為7.62 mm普通彈，實驗為單發射擊，5發為一組。為了驗證系統的穩定性與可靠性，每天進行一組實驗，共進行了3組實驗，實驗結果如下。

1) 7.62 mm普通彈(第一次實驗)

第一次實驗結果如表1所示，可以看出，實驗數據比較穩定，計算得出7.62 mm普通彈的平均透光率為71.9%，極差為3.1%。

表1 7.62 mm普通彈透光率測試結果1

2) 7.62 mm普通彈(第二次實驗)

第二次實驗結果如表2所示，本組實驗數據可以看出7.62 mm普通彈的透光率穩定，計算平均透光率為69.84%，極差為4.6%。

表2 7.62 mm普通彈透光率測試結果2

3) 7.62 mm普通彈(第三次實驗)

第三次實驗結果如表3所示，實驗結果表明7.62 mm普通彈的平均透光率為72.1%，極差為2.6%，3組實驗數據最大偏差均小于5%，數據穩定，具有很好的重復性。

表3 7.62 mm普通彈透光率測試結果3

利用Matlab軟件對實驗數據進行處理，并將得出的曲線同時顯示在坐標軸上。

從圖8可以發現，每組實驗數據的曲線透光率數值基本一致，集中在70%左右，3條曲線的重合度高，進一步證明了設計的光電式槍口煙檢測系統工作穩定。

圖8 透光率測試結果

4 結束語

本文的光電式槍口煙檢測系統設計合理，安全可靠，密封充分，能夠很好地完成槍口煙霧的有效收集、穩定擴散、安全收彈和快速排氣等功能。光學部分的光源調制和調節方便。電路各模塊功能區分明顯，邏輯性高，電路搭建直觀簡單。軟件和檢測系統的對接良好，界面可讀性和操作性都很強，數據的輸入輸出、分析處理、設備控制的各功能控件工作正常。經過實驗驗證，該光電式槍口煙檢測系統穩定性和重復性高，為槍械槍口煙的檢測提供了重要的手段，具有廣闊的應用前景。

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(責任編輯 楊繼森)

Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smokeof Small Arms Based on the Characterizationof Light Transmittance

PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, DU En-wu, LI Mao-lin, JIANG Jian

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

According to the characteristics of mobility, transient effect and uncontrollability, a quantitative detection system of muzzle smoke of small arms was designed, which measures the photosensitive voltages of the penetrating laser through the space of the muzzle smoke collecting box in the states with and without smoke respectively. The calculated light transmittance was used to characterize the smoke concentration of the muzzle smoke of small arms. The prototype was developed. Test results prove that the developed system features high reliability, stable operation and accurate test results, which provides an important method for testing muzzle smoke of small arms.

muzzle smoke; laser method; quantitative test; smoke box

2016-11-19；

2016-12-20 作者簡介：潘偉杰(1990—),男,碩士研究生,主要從事武器系統實驗與測試技術研究。

10.11809/scbgxb2017.04.030

潘偉杰，周克棟，赫雷，等.基于透光率表征的光電式槍口煙檢測系統分析研究[J].兵器裝備工程學報，2017(4):137-140.

format:PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, et al.Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smoke of Small Arms Based on the Characterization of Light Transmittance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):137-140.

TJ55；E922.1

A

2096-2304(2017)04-0137-04