艦載高精度發控測試系統的設計

毛 娃,安 娜,陳 焰,毛劍琳

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500；2.昆明精密機械研究所，云南 昆明 650032)

0 引言

為了適應現代化戰爭的需要、提高常規艦載武器的性能，艦載裝備朝著信息化、智能化、高精度的方向發展，與之對應的發控測試系統的自動化程度以及測試的精度也在持續不斷的發展[1-2]。發控測試系統主要應用于測試發射體發射過程中的發射膛壓、發射速度、發射動力源等，是整個多聯發射體發射系統研制、生產試驗過程中不可缺少的關鍵部分。

現有發控測試系統體積較大，集成度較低，且發射速度檢測采用光感檢測法，需在發射體上粘貼條形碼。人為粘貼條形碼存在歪斜、褶皺、脫落等情況，會影響測試數據準確性或無測試數據等[3]。同時，延長發射時間會降低發射效率。在緊急情況下，時間長短意味著形勢的優劣，甚至會危及生存，不能滿足現代武器裝備的需要[4]。

本文通過安裝金屬感應器和采用金屬感應測速法[5-7]及可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制技術，實現發射速度等參數的綜合檢測[8]。該設計無需人工粘貼條形碼，可降低人為因素的影響、提高發射效率、提升測試精度，從而實現高精度發控測試。

1 基于金屬感應的測速原理

1.1 金屬感應原理

金屬感應器是利用電渦流效應工作。當金屬靠近金屬感應器時，會在金屬表面產生電渦流[9-10]。該渦流會引起感應器阻抗變化，從而產生電脈沖。金屬感應器工作原理及等效電路如圖1所示。

圖1 金屬感應器工作原理及等效電路圖Fig.1 Working principle and equivalent circuit diagramof the metal sensor

線圈L1中通入高頻正弦交變電流I1，會產生交變電磁場H1。當金屬物體(金屬穩定鰭)進入交變磁場時，由于電渦流作用線圈的阻抗或者電感參數發生變化，線圈輸出信號的變化程度受到被測體的電阻率ρ、磁導率μ、被測體表面到線圈底部的距離d、激勵信號的頻率f等因素影響。如果控制上述參數中一個參數改變而其余皆不變，就能構成測量該參數的傳感器[8-9]。因此，通過參數的變換，就可以進行金屬移動速度測量。

為便于分析，可以把被測導體上形成的電渦流等效為一個短路環中的電流，這樣線圈與被測導體便等效為相互耦合的兩個線圈。U1為所施加的激勵電壓。設：線圈的電阻為R1、電感為L1、阻抗為Z1=R1+jωL1；短路環的電阻為R2、電感為L2、線圈與短路環之間的互感系數為M。M隨線圈與短環路之間的距離d的減小而增大[10]。

根據基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組為：

(1)

則線圈受金屬導體渦流影響后的等效阻抗為：

(2)

分析可知，被測參數發生變化。線圈輸出等效阻抗Z會發生變化[11]。通過信號轉換電路將阻抗變化轉換為脈沖信號，可實現發射體速度的檢測。

1.2 測速原理

在原光感檢測器的位置安裝金屬感應器。當發射體經過金屬感應器上方時，會產生電渦流，從而產生磁場。由于磁場的變化會在傳感器的測量繞組中產生電壓信號，通過對電壓信號完成的整形，得到規整的脈沖信號。使用高速數字信號輸入模塊采集脈沖信號的上升沿和下降沿，由高速時間戳模塊記錄上升沿和下降沿的時間差，由上位機進行存儲計算采集數據。因發射體本身的長度尺寸是已知的，可由式(3)計算得發射速度V：

(3)

式中：ΔT為脈沖寬度。

ΔT=T2-T1

(4)

式中：T1為產生上升沿的時間；T2為產生下降沿的時間。

因發射體也為金屬材質，為防止誤探測，設定感應探測距離為h。

(5)

式中：H1為金屬穩定舵與發射體之間的距離；H2為金屬感應器與金屬穩定舵之間的距離，用于防止金屬感應器產生誤探測信號；h為設計時探測范圍，H1

發射體劃過傳感器時無脈沖信號，只有在金屬穩定舵劃過傳感器才會產出脈沖信號。金屬感應器具有很高的靈敏度、良好的線性度和極為強大的抗干擾的能力，測量范圍大，不易受油污、水介質的影響，結構簡單，安裝方便，價格低廉，能夠實現不接觸測量[12]。

感應測速結構及輸出脈沖時序如圖2所示。

圖2 感應測速結構及輸出脈沖時序圖Fig.2 Induction speed measurement structure andoutput pulse timing diagram

2 發控測試系統組成及設計

2.1 發控測試系統組成

考慮到發控測試系統的高精度和穩定性，發控測試系統由金屬感應器、PLC控制器和安裝邏輯控制軟件的上位機組成，實現對發射體的發射速度檢測和數據分析處理。發控測試系統如圖3所示。

圖3 發控測試系統框圖Fig.3 Block diagram of launch and control test system

發控測試系統由上位機和下位機構成。上位機為一體化工控計算機， 用于安裝數據分析和處理軟件的計算機、檢測發射體發射速度以及發射過程中的膛壓的變化，并實現邏輯分析等功能。通常，金屬感應器安裝在原光感傳感器螺紋處。發控測試系統由單項交流220 V供電。

當按下啟動按鈕，PLC控制器自動計算采集到的膛壓和氣源壓力，并通過Modbus TCP/IP協議將數據傳輸至便攜式計算機上進行記錄和顯示。當氣源達到預設值時，PLC控制器發出發射控制信號，使發射體受氣源推動快速發射。金屬穩定鰭劃過金屬感應器時，金屬感應器輸出脈沖信號，由高速時間戳記錄脈沖信號上升沿和下降沿跳變的時間T1、T2，根據式(4)計算發射速度并上傳到便攜式計算機上進行記錄和顯示。

2.2 發控測試系統設計

發控測試系統所有涉及程序均使用 C#依托Visual Studio 開發環境編譯，在Framework平臺上運行。該系統主要通過設計上位機界面、上位機和下位機的通信連接以及數據保存三部分實現。上位機界面主要是信息的顯示和交互，通信連接是通過Modbus TCP/IP通信協議實現上位機和下位機的數據交換、數據管理等功能。

根據系統的需求分析，對上位機系統功能進行細化。系統功能模塊如圖4所示。

圖4 系統功能模塊圖Fig.4 System function module diagram

①參數配置。對操作人員的信息進行錄入、修改以及驗證。當操作人員信息正確，才可以操作發控測試系統，并通過參數配置設置檢測參數量程。

②參數檢測。由下位機傳輸的膛壓和氣瓶壓力數據判斷是否符合發射要求。當發射按鈕按下且膛壓達到閾值時，控制輸出電氣接口的模擬信號。

③參數顯示。主要根據發射過程中所測試的膛壓數據，繪制膛壓隨時間變化的曲線圖，以及顯示發射體的發射速度。

④界面操作。主要實現狀態顯示、功能界面切換等功能。

There are not as many restaurants as there were.現在餐館沒有過去多了。

下位機主要實現壓力采集、速度檢測、發射控制等功能。下位機系統功能模塊如圖5所示。

圖5 下位機系統功能模塊圖Fig.5 Function module diagram of lower computer system

①壓力采集。高速A/D模塊采集壓力變速器信號由式(6)計算出測量壓力值，并發送至便攜式PC工控機進行保存和顯示。

(6)

②速度檢測。根據金屬感應器輸出的脈沖信號，時間戳高速數字輸入模塊記錄脈沖信號上升沿和下降沿的時間差，由式(3)計算出出管速度并將速度信息通過以太網發送至便攜式PC工控機上保存和顯示。

③發射控制。檢測發射按鈕的狀態。當發射按鈕按下，將控制發射信息通過以太網傳輸到上位機，由上位機判斷是否符合發射條件。如條件符合，則傳輸同意發射數據，由下位機控制輸出發射模擬信號。

④上位機系統數據交換。通過以太網完成上位機和下位機的數據交換功能。

3 測試檢驗

發控測試系統測試分為試驗室原理測試和現場性能測試。在試驗室對發控測試系統進行原理性測試。模擬試驗測試結構如圖6所示。

圖6 模擬試驗測試結構圖Fig.6 Simulation experiment test structure diagram

通過金屬薄片劃過金屬感應器模擬發射體在發射管中發射時穩定鰭滑過的金屬感應器的過程，以不同的距離靠近金屬感應器驗證系統設計的檢定距離h是否滿足要求。當探測距離內探測到金屬薄片時，產生了一個上升沿；當金屬薄片消失，產生一個下降沿；當超出探測距離時，金屬感應器無反應。試驗測試探測距離小于1.6 cm，滿足系統設計要求。

發射體的金屬穩定鰭長度為210 mm，發射速度在23～25 m/s范圍內，設計測試儀速度測試范圍為0～30 m/s。最大速度30 m/s時，金屬穩定鰭劃過金屬感應器的最短時間為7 ms。試驗室采用步進電機控制滑臺模擬金屬穩定鰭劃過金屬傳感器(最大速度為3 m/s)。為了模擬實際發射過程，需縮短鰭長，使其脈寬≤7 ms。使用寬度為7 mm金屬薄片模擬金屬穩定鰭，根據式(4)測得金屬薄片移動速度為1 m/s時，即可達實際鰭長210 mm時的最大發射速度30 m/s；模擬測試可達最大速度3 m/s，脈寬時間約為2.33 ms。設計使用的300 ns時間戳高速數字輸入模塊遠高于實際精度要求，無漏檢的情況發生。

試驗場實際發射測試結果為：發射速度精度高于1%，膛壓測速精度高于1.5%。艦載高精度發控測試系統滿足設計性能指標，未出現漏檢、誤檢情況。測試中可以保存設備在運行過程中的實時膛壓和氣源壓力數據，為優化設計發控制系統提升數據奠定基礎。

4 結論

本文采用金屬感應測速法和計算機測控技術，開發了艦載高精度發控測試系統。該系統克服了發控測試系統光感檢測法測速需要人工粘貼條形碼的缺陷，以及發控測試系統體積較大的問題。該測試系統成本低、數據可靠，系統方案集成度更高。試驗數據表明，測試系統時間誤差小于0.1 ms，發射速度測試精度高于1%，膛壓測試精度高于1.5%。該設計達到了縮短發控系統測試時間、提升測試效率、提高測試精度、減輕測試人員勞動強度的目的。