一種改進(jìn)型槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙少雄,余紅英*,楊 臻

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

一種改進(jìn)型槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙少雄1,余紅英1*,楊 臻2

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

針對(duì)傳統(tǒng)的水下槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)存在的靈敏度低,噪聲嚴(yán)重,后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題,提出一種改進(jìn)型槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。采用低導(dǎo)磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)永磁型感應(yīng)測(cè)速傳感器的鐵芯,并以漆包線纏繞坡莫合金作為感應(yīng)線圈用以增強(qiáng)其靈敏度,解決了傳感器因內(nèi)部鐵心線圈產(chǎn)生渦流影響測(cè)量精度的問題;利用小波變換對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理和突變點(diǎn)的檢測(cè),準(zhǔn)確捕捉自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果可精確至mV,系統(tǒng)整體不穩(wěn)定度為1.65%。

參數(shù)檢測(cè);系統(tǒng)改進(jìn);小波分析;槍械自動(dòng)機(jī)

自動(dòng)機(jī)是槍械武器的核心部分,其性能及工作狀態(tài)直接影響到自動(dòng)武器的整體性能。因此對(duì)于自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究在武器的設(shè)計(jì)及武器性能的評(píng)定方面具有重要意義。傳統(tǒng)的測(cè)試方法大多數(shù)為陸基測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì),而由于水環(huán)境的特殊性,對(duì)于自動(dòng)機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確有效測(cè)量提出了更高要求。

現(xiàn)有的水下測(cè)試系統(tǒng)常采用線圈傳感器對(duì)自動(dòng)機(jī)進(jìn)行感應(yīng)測(cè)速,但是在實(shí)際使用過程中,現(xiàn)有的線圈傳感器由于靈敏度較低,常常采用大倍率放大器放大信號(hào),極易引入水體噪聲,造成誤判誤讀,采用的模擬方式或者紙質(zhì)形式進(jìn)行記錄,無法進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和回顧;并且由于傳統(tǒng)永磁感應(yīng)傳感器的鐵芯采用的是高導(dǎo)磁材料,造成鐵芯表層易形成渦流,導(dǎo)致線圈總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無法真實(shí)反映自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,損害了傳感器性能。

本文提出一種改進(jìn)型水下槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)永磁型測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行介紹。

1 槍械自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 傳感器工作原理及改進(jìn)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采用永磁式感應(yīng)傳感器作為自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置,測(cè)試過程中,保持傳感器線圈與與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡平行,利用安裝于自動(dòng)機(jī)上的磁頭部件與線圈相互作用,完成對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理示意圖

當(dāng)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),安裝于自動(dòng)機(jī)上的磁頭部件(永久磁鐵)與感應(yīng)線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),切割磁感線,速度線圈和位移線圈隨之產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁學(xué)理論,當(dāng)磁頭部件以速度v穿過速度線圈時(shí),速度線圈的磁通量隨磁頭部件的運(yùn)動(dòng)而變化。因?yàn)樗俣染€圈為均勻密繞,設(shè)線圈匝數(shù)為N,磁感應(yīng)強(qiáng)度B(x),其中x為磁頭所在位置,線圈面積為S,線圈總的磁通量:

Φ=NB(x)S

(1)

由法拉第電磁感應(yīng)定律:

(2)

由式(2)可知,當(dāng)磁頭部件在感應(yīng)線圈表面運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與自動(dòng)機(jī)速度v成正比。位移線圈纏繞方式采用類似矩形波纏繞方式如圖1,并且使相鄰節(jié)距略大于磁頭部件寬度,這樣纏繞使得相鄰繞組間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正好相反,則位移線圈輸出信號(hào)為鋸齒波,磁頭部件通過一個(gè)節(jié)距所用的時(shí)間為峰-峰或谷-谷對(duì)應(yīng)的時(shí)間,自動(dòng)機(jī)位移即為所經(jīng)過線圈節(jié)距的個(gè)數(shù)。

為了盡可能減少感應(yīng)渦流對(duì)線圈造成的干擾,同時(shí)提高傳感器的使用壽命,采用低導(dǎo)磁率材料作為傳感器鐵芯,在外框內(nèi)部采用0.47mm漆包線緊密纏繞400匝并使用;由于自動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小,為了提高傳感器的靈敏度,在線圈與鐵芯之間夾一層坡莫合金作為鐵芯,而坡莫合金具有在弱磁場(chǎng)下具備極高的導(dǎo)磁率和極低矯頑力的特性[3-4]。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

根據(jù)式(2)可知,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與自動(dòng)機(jī)速度和線圈匝數(shù)成正比關(guān)系[5]。水下測(cè)試環(huán)境中自動(dòng)機(jī)速度低、速度衰減劇烈,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將較難測(cè)量。由實(shí)驗(yàn)得出,自動(dòng)機(jī)速度一般在0～20 m/s,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為(10±5)mV,若采用最大量程為±5 V、采樣精度為16 bit的采集設(shè)備進(jìn)行采集,則該設(shè)備最小分辨電壓為0.1 mV,不滿足測(cè)試技術(shù)要求,數(shù)據(jù)將丟失較多細(xì)節(jié)[6]。

水下槍械測(cè)試一般在獨(dú)立的測(cè)試倉(cāng)中進(jìn)行,測(cè)試倉(cāng)多為密封或者半密封,所有傳感器通過防水線纜引出至設(shè)備室。為了保障數(shù)據(jù)正確,一般要求采用線徑較粗阻抗低、抗干擾及防水性能較好的線纜。

考慮到感應(yīng)線圈和線纜易受到共模干擾故采用共模抑制比較大的儀表放大器。由于有用信號(hào)能量集中在低頻區(qū)域,故在放大器前級(jí)放置RC濾波器組成共模濾波電路。主運(yùn)放芯片采用儀表放大器芯片OP213,其低漂移高共模抑制比為120 dB。設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示,電路可同時(shí)對(duì)速度和位移兩路信號(hào)做放大處理,通過改變電阻R11和R12的阻值改變信號(hào)放大倍數(shù),由于傳感器的輸出信號(hào)比較微弱,一般位移線圈產(chǎn)生信號(hào)需放大約400倍,速度線圈產(chǎn)生信號(hào)需放大約200倍。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

為了保證數(shù)據(jù)采集的精度和速度,數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國(guó)NI公司出品的PXI-6368數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡能夠以1 Mbit/s的速度進(jìn)行16通道、16 bit精度的數(shù)據(jù)采集[7]。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試結(jié)果

將制作好的傳感器安裝后對(duì)某型號(hào)水下槍進(jìn)行多次射擊測(cè)試,圖4為某次測(cè)試的速度原始數(shù)據(jù)曲線,圖5為位移原始數(shù)據(jù)曲線,采樣頻率為50 kHz。橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間,縱坐標(biāo)為永磁感應(yīng)傳感器信號(hào)調(diào)理器輸出的自動(dòng)機(jī)位移和速度信號(hào)電壓值[8]。由原始速度測(cè)試曲線可知,當(dāng)自動(dòng)機(jī)開始動(dòng)作時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)正向電動(dòng)勢(shì),隨后不斷變化,最后歸零,電動(dòng)勢(shì)變化即為自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,但是;由原始位移曲線可知,每相鄰波峰或者波谷表示自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)了10 mm行程。

圖4 速度原始數(shù)據(jù)曲線

圖5 位移原始數(shù)據(jù)曲線

由于水體流動(dòng)等原因,原始信號(hào)有較多毛刺,并且水下槍械發(fā)射采用電磁扳機(jī),在激發(fā)和復(fù)進(jìn)時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的電磁干擾,從原始速度測(cè)試曲線僅能觀察到自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和停止,不能準(zhǔn)確觀察到自動(dòng)機(jī)的開鎖,后坐到位,閉鎖,復(fù)進(jìn)到位等詳細(xì)運(yùn)動(dòng)過程;位移測(cè)試曲線中也含有較多高頻噪聲干擾,對(duì)自動(dòng)機(jī)的實(shí)際位移造成干擾,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3 基于小波變換的測(cè)試曲線分析

對(duì)于一段平穩(wěn)信號(hào),信號(hào)的大部分能量都處于低頻部分,只有少部分的細(xì)節(jié)會(huì)出現(xiàn)在高頻區(qū)域,但是噪聲大部分集中在高頻部分[9-10]。而對(duì)于一段非平穩(wěn)信號(hào),頻率在整個(gè)頻域均有分布,則噪聲在頻域上是有重疊的,所以經(jīng)典的時(shí)不變方法不能適用于非平穩(wěn)信號(hào)處理和降噪[11]。

小波變換屬于時(shí)頻分析的一種,具有多變分析的特點(diǎn)。設(shè)U(t)施平方可積函數(shù),即U(t)∈L2(R),則U(t)的小波變換為:

(3)

式中:a>0是尺度因子,τ∈R為平移參量;則信號(hào)可以通過式(4)進(jìn)行重建

(4)

3.1 小波變換對(duì)自動(dòng)機(jī)波形進(jìn)行降噪

小波變換實(shí)際上是將信號(hào)通過低通和高通兩組濾波器,把信號(hào)分解為低頻和高頻兩部分。采用線性小波分析法,可以通過選擇不同小波基的方法,使得在相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)同噪聲的重疊盡可能的小。由于傳感器信號(hào)非常微弱,僅為mV級(jí)別,信噪比較低,頻率集中在5Hz～15Hz之間;同時(shí)淹沒在鐵質(zhì)水箱中,水中含有較多的導(dǎo)磁性雜質(zhì),在射擊時(shí)由于水流流動(dòng)產(chǎn)生渦流極易干擾傳感器和信號(hào)線,造成誤讀誤判,故采用小波對(duì)自動(dòng)機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。

由原始波形可知波形有效成分均為低頻成分,同時(shí)為了避免相移造成多數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)特征點(diǎn)的誤讀,同時(shí)綜合計(jì)算量上的考慮,對(duì)速度曲線采用對(duì)稱性較好的db6小波進(jìn)行Level8分解,對(duì)位移曲線采用對(duì)稱性較好的db9小波進(jìn)行Level8分解,將高頻系數(shù)全部清零以濾除高頻部分,并進(jìn)行重構(gòu)。圖6、圖7為原始數(shù)據(jù)處理完成結(jié)果,圖8和圖9為自動(dòng)機(jī)從運(yùn)動(dòng)至運(yùn)動(dòng)停止的局部特征顯示。由圖8可知:自動(dòng)機(jī)開始運(yùn)動(dòng)至運(yùn)動(dòng)結(jié)束約耗時(shí)100ms,并且能夠清晰觀察到自動(dòng)機(jī)的開鎖,后坐到位,閉鎖,復(fù)進(jìn)到的運(yùn)動(dòng)過程;位移曲線中在射擊前后的高頻噪聲已經(jīng)得到明顯濾除,射擊前后的由于電磁扳機(jī)帶來的干擾也已經(jīng)得到有效抑制,不影響后期數(shù)據(jù)判讀。

圖6 速度曲線結(jié)果

圖7 位移曲線結(jié)果

圖8 速度曲線局部特征

圖9 位移曲線局部特征

3.2 測(cè)試系統(tǒng)整體分析

分析系統(tǒng)測(cè)量方法可知,影響待測(cè)量不確定度主要因素有[12]:采集卡A/D轉(zhuǎn)換不確定度u1,采樣頻率100 kHz產(chǎn)生不確定度u2,傳感器自身靈敏度產(chǎn)生不確定度u3,磁頭部件的不穩(wěn)定性產(chǎn)生不確定度u4。分析以上4種不確定度特點(diǎn),則測(cè)量系統(tǒng)不確定度的方法采用B類評(píng)定方法[13]。

(1)采用16位數(shù)據(jù)A/D采集卡,滿量程為5 V

(5)

轉(zhuǎn)換不確定度計(jì)算,相對(duì)誤差為0.002%(對(duì)應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為[14]:

(6)

(2)采樣頻率100kHz

(7)

轉(zhuǎn)換不確定度計(jì)算,相對(duì)誤差為1.25%(對(duì)應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為:

(8)

(3)傳感器自身靈敏度

當(dāng)傳感器的工作環(huán)境變化、外磁場(chǎng)干擾、或受到機(jī)械沖擊振動(dòng)時(shí),靈敏度會(huì)發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差公式為:

(9)

當(dāng)溫度變化時(shí),對(duì)于銅線有:dla/la=0.167×10-4,dR/R=0.43×10-2;dB/B=-0.02×10-2。

(10)

轉(zhuǎn)換不確定度計(jì)算,相對(duì)誤差為0.45%(對(duì)應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為:

(11)

(4)磁頭部件的不穩(wěn)定性

磁頭部件的不穩(wěn)定性誤差,磁頭部件的磁性除了隨工作環(huán)境溫度變化以外,還會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。此時(shí),磁頭部件的不穩(wěn)定性將成為誤差的決定性因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,磁頭部件磁感應(yīng)強(qiáng)度在受到?jīng)_擊或振動(dòng)作用后,約下降1%:

ΔV4=1%

(12)

轉(zhuǎn)換不確定度計(jì)算,相對(duì)誤差為1%(對(duì)應(yīng)于3σ)由此引起的不確定度分量為[15]:

(13)

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

(14)

提高合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度置信值,確定不確定度取包含因子k=3,則系統(tǒng)不確定度為:

U=kuc=1.65%

(15)

根據(jù)B類不確定度評(píng)定方法[16],系統(tǒng)總體不確定度為1.65%,滿足系統(tǒng)不確定度為3%的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種對(duì)傳統(tǒng)永磁感應(yīng)式傳感器的改進(jìn)方法,該方法通過更換鐵芯材料和加入坡莫合金的方式,有效地解決了傳統(tǒng)永磁感應(yīng)傳感器高導(dǎo)磁鐵芯易產(chǎn)生渦流問題;采用小波對(duì)自動(dòng)機(jī)速度和位移波形進(jìn)行分析,濾除了水體和擊發(fā)設(shè)備、槍械等對(duì)信號(hào)造成的干擾,同時(shí)能找到精確的特征波形時(shí)間。由測(cè)試結(jié)果可得,改進(jìn)的自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)能過真實(shí)反映自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)槍械武器的水下性能的研究提供了有力的幫助。

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An Improved Design of Gun Automation Motion Measurement System

ZHAOShaoxiong1,YUHongying1*,YANGZhen2

(1.School of Computer Science and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To improve the sensitivity,reduce the noise and simplify the data processing of the gun automation motion measurement system underwater,an improved design of the measurement system is proposed. Using low permeability metal replaces the iron core of the induction sensor,and twining around the Pomo alloy as the induction coil the induction sensor’s sensitivity is enhanced. These methods solve the problem of measuring accuracy of the eddy current caused by the internal core coil. Then,the wavelet transform is used to reduce the noise and accurately capture the automatic motion process. After several tests,the results can be accurate to mV,and the system instability is 1.65%.

parameters detection;system improvement;wavelet analysis;gun automation motion

2016-0426 修改日期:2016-06-23

TP212.9

A

1005-9490(2017)03-0641-05

C:7260

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.025