壓電引信瞬發度測量研究及實現

周玉昆，李向天，祝本明

（中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽 621000）

壓電引信瞬發度測量研究及實現

周玉昆，李向天，祝本明

（中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽 621000）

針對彈藥壓電引信結構特點，提出了一種基于軟件相位同步測頻頻率計的壓電引信瞬發度測量方法。研究了壓電引信動態特性，分析了相位同步測頻頻率計測量原理，通過計算頻率計閘門開啟時間內高速模數轉換的采樣點個數，并除以采樣頻率得到該型號火箭彈壓電引信瞬發度的測量時間，實現了對XX火箭彈壓電引信瞬發度的半自動化測試。測試結果表明，該方法多次測量的結果差值在±1us以內，具有測量精度高，操作便捷，一致性較好特點。

頻率計；相位同步測頻；壓電引信；瞬發度；高速模數轉換

壓電引信是現代彈藥中廣泛使用的觸發式引信之一，其特點是具有極高的瞬發度，能夠減少彈藥因著速不同造成的炸高散布。壓電引信頭部機構為壓電傳感器，該類型引信利用壓電傳感器的壓電效應，將發生碰撞時的動能轉變為電起爆信號[1-2]。瞬發度是壓電引信的一個重要性能指標，在壓電引信制造和安裝到彈藥上之前，其瞬發度均需進行多次測量。

提出了基于軟件相位同步測頻頻率計[3]的壓電引信瞬發度測量方法，實現了對某型火箭彈壓電引信瞬發度的準確、快速測試。

1 壓電引信動態特性分析

圖1為壓電陶瓷的正壓電效應原理和壓電引信等效電路，在受外力撞擊時相當于一個阻、容器件的并聯電路，且傳感器內部的壓電陶瓷是一個電荷泵[4-5]。當壓電傳感器受外力撞擊時，產生的電荷與受力大小成正比的關系。正壓電效應原理和壓電傳感器的等效電路表達式為：

式（1）、（2）中：R為壓電傳感器等效電阻；Q為壓電陶瓷受外力撞擊時產生的電荷；U為壓電傳感器兩端電壓；C為壓電傳感器分布電容之和；F為受到的外力；d33為壓電陶瓷的壓電模量。

圖1 正壓電效應原理和壓電引信等效電路

假設壓電傳感器受外力與時間的關系F-t有如下關系：

式（3）中是壓電傳感器受到的最大外力；是到達最大外力的時間。將式（3）代入式（2）

將式（5）代入式（1）中，得到壓電陶瓷輸出信號與時間的U-t關系如下：

某型號火箭彈上的壓電傳感器瞬發度時間小于100 us，其。將撞擊發生時U=0，t=0作為條件代入式（6）。由式（6）得U-t關系式為：

壓電傳感器受到外力撞擊后輸出信號的U-t曲線如圖2所示。

圖2 壓電傳感器U-t波形圖譜

通過示波器測量該型號火箭彈壓電傳感器受外力后的輸出信號。信號波形前端曲線上升，與圖2中前端波形基本吻合，式（3）、（7）在波形前端能夠成立。該壓電引信的安全閾值Vo=100 V。壓電傳感器輸出電壓達到閾值時，火箭彈壓電引信輸出起爆信號，壓電引信與壓電傳感器的時序關系如圖3所示。

圖3 壓電引信與壓電傳感器時序關系

2 相位同步測頻頻率計測量原理

圖4所示為一臺手動微型重力沖擊臺，圖中a、b、c、d分別為沖擊臺的橫梁、導軌、托盤和底座；e為安裝在托盤上的某型號火箭彈壓電引信；f為壓電引信饋線；g為托盤下方光電傳感器饋線。測試開始前，托盤卡在沖擊臺橫梁上。松開托盤，托盤將在重力作用下順著導軌向下運動直至撞擊到沖擊臺底座。壓電傳感器與光電傳感器均安裝在托盤上，撞擊發生后，兩種傳感器的同步觸發，其觸發時序關系如圖5所示。

圖4 手動微型重力沖擊臺

從圖5可知，被測壓電引信瞬發度等于光電傳感器與壓電引信輸出信號下降沿之間的時間間隔。本方法采用軟件相位同步測頻頻率計測量壓電引信的瞬發度：通過高速模數轉換采集光電傳感器輸出信號和壓電引信起爆信號，由軟件根據采集的數據判定光電傳感器信號和壓電引信起爆信號的下降沿，并以光電傳感器的輸出信號下降為原電平的10%為頻率計閘門開啟時間、引信起爆信號電平下降為原電平的10%為頻率計閘門關閉時間，模數轉換采樣時鐘為基準脈沖[6-7]。每次模數轉換均對應一個采樣時鐘，頻率計閘門的開啟、關閉與采樣時鐘同步。

圖5 光電傳感器與壓電引信觸發時序關系

在對時間間隔進行測量時，測量結果受到量化誤差、時基誤差以及觸發誤差的影響[8]。本設計中采用的相位同步測頻頻率計消除了等精度頻率計中存在的個基準脈沖的量化誤差[9-10]。圖5中，閘門開啟時間內壓電引信信號僅輸出了1次起爆信號，則引信起爆信號瞬發度的測量可表示為[11]：

當采樣時鐘的時基誤差為時，瞬發度的真實值為：

則時基誤差對測量結果造成的相對誤差為：

由式（10），采用軟件相位同步測頻頻率計測量壓電引信瞬發度，測量結果的精度與基準脈沖的脈寬精度相關。本設計中采用65 MHz溫補精密晶振作為高速模數轉換的采樣時鐘。該晶振的振頻率精度＜±25 PPM，頻率溫度穩定度≤±25 PPM，頻率電壓穩定度＜±10 PPM，年老化率≤±5 PPM，每個時鐘周期誤差約1.0×10-12s[12]，則采樣時鐘造成的相對誤差6.5×10-7。

觸發誤差主要由光電傳感器輸出信號和壓電引信起爆信號上造成。在量化誤差和時基誤差確定的情況下，過大的觸發誤差反應了被測火箭彈壓電引信存在缺陷。

3 設計及實現

測試系統由主板、高速采集卡和計算機外設組成。高速采集卡有4路輸入通道，采樣率65 MHz。光電傳感器產生的信號輸入采集卡的通道1，壓電引信起爆信號經過電阻分壓后輸入采集卡的通道2。采集卡與主板間通過CPCI總線通訊，經模數轉換后的數據通過CPCI總線傳輸至主板。由主板對采集到的數據進行處理。

圖6 測量流程圖

測量軟件啟動后，設置高速采集卡對通道1、2上的信號進行連續采集。采集卡上的FPGA將采集的數據以2048個采樣點的數據為一幀進行組幀，并將組幀后的數據存儲在采集卡上的緩存中。每完成一幀數據的采集后，高速采集卡向主板發送中斷請求。主板接收到中斷請求后，通過CPCI總線讀取采集卡上緩存中的數據。主板對采集的數據分析、處理，判斷光電傳感器和壓電引信輸出信號下降時刻，統計軟件頻率計閘門開啟時間內模數轉換次數，通過式（9）計算出壓電引信的瞬發度，并將采集到信號波形和瞬發度顯示在計算機屏幕上。流程圖如圖6所示。

圖7是示波器檢測到某型號火箭彈壓電引信起爆信號波形。圖8是測試系統檢測到同型號火箭彈壓電引信起爆信號波形。從圖7、圖8可見：結果差值在±1 μs以內，測試結果一致性較好。

圖7 壓電引信輸出波形

4 結束語

文中介紹了基于軟件相位同步測頻頻率計測量壓電引信瞬發度的方法及設計實現。該測試系統實現了對某型號火箭彈壓電引信瞬發度的半自動化測量，在保證測量精度的前提下，提高了測量效率。測量軟件中的專家系統、報表等功能，為用戶在測量過程中故障定位、記錄等提供了便捷的手段。

圖8 壓電引信輸出波形

從測試結果可知，測試系統能夠正確檢測到該型號火箭彈壓電引信輸出的起爆信號。相對于示波器，檢測設備測試的瞬發度具有更高的測量精度。使用檢測設備對同一只壓電引信進行測試，多次測量的結果差值在±1 us以內，測試結果一致性較好。

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Research and implementation of measurement method piezoelectric fuze instantaneous

ZHOU Yu-kun，LI Xiang-tian，ZHU Ben-ming
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the structure characteristics of ammunition piezoelectric fuze，a piezoelectric fuze instantaneous measurement method is proposed，which based on measuring the phase synchronization software Frequency meter.Study on the dynamic characteristics of piezoelectric fuze，analyzes the measured phase synchronization frequencies measuring principle，by calculating the sampling points which is high-speed AD conversion of frequency meter gate opening time，dividing the sampling frequency and getting the measuring time of XX rocket piezoelectric fuze instant degree，implements semi-automated testing of XX rocket piezoelectric fuze instant degree.The test results show that the measurement error is within±1us between the results of multiple measurements，has high accuracy，easy operation，good consistency.

frequency meter；phase synchronous frequency measurement；piezoelectric fuze；instant degrees；high-speed AD conversion

TN384

A

1674-6236（2017）09-0083-04

2016-07-09稿件編號：201607079

國家自然科學基金項目（61133016）

周玉昆（1976—），男，四川綿陽人，工程師。研究方向：計算機應用技術。