張 丹

ZHANG Dan

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，德陽 618000）

0 引言

在兵器研制及射表編制的過程中，測量彈丸的速度是一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，其中采用線圈靶來測量彈丸速度是一種常用的方法。在彈丸速度測量過程中，常在彈丸飛行軌跡上布置多個(gè)線圈靶，但依據(jù)線圈靶測速原理，兩線圈靶不能靠太近，否則會相互產(chǎn)生干擾，因此彈丸的測量值與真實(shí)值有一定差別。測速過程中，兩線圈靶的中心位置不一致，接線條件不一致等原因均會造成線圈靶輸出信號的位置漂移誤差和兩靶信號波形不一致的時(shí)間測量誤差，且利用線圈靶作為區(qū)截裝置測量槍彈全彈道速度分布時(shí)需要較大增加線圈靶以及采集設(shè)備的數(shù)目[3]。為此研究線圈靶單靶測速有著較大的用途。

現(xiàn)在，為了模擬航空航天的飛行環(huán)境，精確測試高速運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是由于航空航天環(huán)境特殊，普通的傳感器已無法滿足要求[2]。針對這種情況，就需要設(shè)計(jì)特殊的測速傳感器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。所以在這次的設(shè)計(jì)中，就設(shè)計(jì)了能夠滿足這些特殊要求的電磁傳感器。

1 傳感器設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 電磁感應(yīng)原理

電磁傳感器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，也就是說當(dāng)感應(yīng)線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，就會引起的感應(yīng)電動勢e的變化[1]。在本測速系統(tǒng)中，將傳感器安裝在測速管上，運(yùn)動目標(biāo)上安裝有磁片。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動時(shí)，使電磁傳感器產(chǎn)生感生電流，可實(shí)現(xiàn)模型的探測和精確定位。

1.2 電磁感應(yīng)線圈

纏繞在管路上的檢測線圈是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件，它擔(dān)負(fù)著拾取速度信號并傳遞給監(jiān)測儀器的任務(wù)，線圈的性能也決定了該傳感器的檢測靈敏度。所以應(yīng)對檢測線圈結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)及制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，以使線圈具有良好的性能和較高的靈敏度。這里只用了一個(gè)傳感器即電磁感應(yīng)線圈，既是感應(yīng)磁場的發(fā)生器，也是感應(yīng)磁場的接收器。

線圈電感量的計(jì)算比較復(fù)雜，其大小與線圈匝數(shù)、繞制方式及磁性材料等因素有關(guān)。圈數(shù)越多越集中則電感量越大，由電感器產(chǎn)生的干擾主要是忽視了電感線圈的分布電容(線圈之間、線圈與大地之間、線圈與屏蔽之間以及線圈中每層之間)，該分布電容與線圈的電感和感抗等效成一個(gè)并聯(lián)諧振電路。對于線圈的分布電容，當(dāng)選用直流和低頻電路時(shí)，制約導(dǎo)線本身的電阻不大，可略去，電容也因容抗太小而略去。當(dāng)頻率增加，分布電容的作用就比較突出。因此，為提高頻率應(yīng)選用介電常數(shù)小的絕緣介質(zhì)和繞制方法。導(dǎo)線選用細(xì)漆包線可有效提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，則電感線圈功率損耗越小，效率越高，其組成的諧振回路有更好的諧振特性。

線圈的組成：

電磁傳感器感應(yīng)線圈用細(xì)漆包線繞制N圈，并與基座絕緣。

確定線圈匝數(shù)：

首先假設(shè)線圈匝數(shù)為N，下面就按照N匝線圈來進(jìn)行感應(yīng)電動勢等各參數(shù)的計(jì)算：把磁化了的運(yùn)動目標(biāo)簡化為一個(gè)正、負(fù)點(diǎn)磁荷構(gòu)成的磁偶極子，磁矩為p，假設(shè)磁矩p的方向與感應(yīng)線圈軸線方向一致。因此感應(yīng)線圈的機(jī)理分析轉(zhuǎn)化為對磁矩為p的點(diǎn)磁偶極子沿中心軸穿過一半徑為a、匝數(shù)為N的線圈時(shí)，線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分析。其坐標(biāo)系如圖1所示。

磁偶極子在空間任一點(diǎn)上的標(biāo)量勢U為：

空間任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

因此，通過線圈平面的磁通量Φ為

式中μ0為線圈繞線的磁導(dǎo)率；π為圓周率； ρ為線圈平面上徑向積分變量，范圍是：0～a。

當(dāng)磁偶極子接近或離開線圈時(shí)，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e：

式中，v為運(yùn)動目標(biāo)速度，運(yùn)動目標(biāo)向電磁傳感器飛去時(shí)（相當(dāng)于電磁傳感器逼近運(yùn)動目標(biāo)），坐標(biāo)z減小， dz/dt＜0，因而有dz/dt＝－v，而v取正值，因而

為求出e(z)的最大值，可令de/dz＝0，得：

由上式可知，電動勢e與運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動速度成正比。

2 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 測試系統(tǒng)

2.1.1 測試系統(tǒng)配置

測試系統(tǒng)完成加速器內(nèi)彈道的速度測量，加速器及測速系統(tǒng)見圖2[5]，主要由加速管、模型、測試窗口、傳感器及放大數(shù)采裝置組成。目前，共有11個(gè)測試站，測試站依次按0#-10#編號，其中0#位于入口處。11個(gè)電磁傳感器與15通道的加法放大器連接，該放大器帶寬10MHz，采用SoCo永磁材料時(shí)，磁環(huán)取放大倍數(shù)為2；采用Rubber磁材料時(shí)，放大倍數(shù)為20。數(shù)采設(shè)備型號為CS2092，最高采樣率20M，分辨率8位。推存參數(shù)設(shè)置：電磁信號通道上升沿觸發(fā)，采樣率1M，延時(shí)-2k，記錄長度20k，電磁信號通道量程10V，其余通道為5V。為減小交流電網(wǎng)噪聲干擾，采用UPS電源供電。

2.1.2 測試方案

測速管每個(gè)測試站上開有成180°對稱布置的2個(gè)測試孔，均安裝了電磁傳感器。在測速管上，傳感器安裝的相對位置關(guān)系如圖2所示[4]。由于直接測量運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動速度比較困難，因此在這次的實(shí)驗(yàn)中選擇了間接測量的方法即先在測速管上從運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動開始處每隔200mm裝上傳感器，再通過電磁傳感器測量出運(yùn)動目標(biāo)在每個(gè)測試站的運(yùn)動時(shí)間，最后由v=s/t計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動速度。

圖2 速度測試系統(tǒng)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 前兩站測速

運(yùn)動目標(biāo)通過前兩個(gè)測試站的電磁感應(yīng)傳感器測得其電壓時(shí)間曲線從圖3前兩個(gè)周期中反映出。電壓時(shí)間函數(shù)設(shè)為y＝f (t)，通過曲線需要得到的是運(yùn)動目標(biāo)從0站到1站的運(yùn)動時(shí)間t (t＝t1－t0)，再用游標(biāo)卡尺測量出0站與1站之間的距離s0，則可用v＝s/t算出運(yùn)動目標(biāo)在這段距離的運(yùn)動速度v0。

圖3 整個(gè)測試過程的速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

從圖3前兩個(gè)周期中可以看出，在測量0站和1站間運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動時(shí)間時(shí)需要兩站的電壓信號過零點(diǎn)即y＝f (t)＝0，這樣才能測得比較精確的運(yùn)動時(shí)間。當(dāng)電壓時(shí)間曲線經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，這種情況下的時(shí)間很好測量，可以很方便的得到它的運(yùn)動時(shí)間t0和t1，算出運(yùn)動時(shí)間t ＝t1－t0；當(dāng)電壓時(shí)間曲線不經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，則需要進(jìn)行曲線插值得到比較精確的時(shí)間t0和t1，運(yùn)動時(shí)間t ＝t1－t0。于是由式v＝s/t得出運(yùn)動目標(biāo)在這段距離的運(yùn)動速度v0。

2.2.2 整個(gè)過程的速度測量

運(yùn)動目標(biāo)在整個(gè)測速過程中的電壓時(shí)間曲線見圖3，通過這條曲線以及上面的曲線處理方法，可以得到電壓信號過零點(diǎn)所對應(yīng)的運(yùn)動時(shí)間t0、t1……t9、t10，也用游標(biāo)卡尺測量各測試站間的距離，最后通過v＝s/t得出運(yùn)動目標(biāo)在各測試站間的平均運(yùn)動速度v0、v1……v8、v9，則得到它的運(yùn)動速度為一不連續(xù)的線段如圖4所示。

圖4 位置-速度曲線

2.3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述測試方案的合理性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：在運(yùn)動物體處于10MPa的高壓下，利用型號為CS2092的動態(tài)采集儀以5kHz的采樣頻率采集彈丸穿過線圈靶的模擬信號[6]。所測得的結(jié)果與仿真的結(jié)果相比較，如圖5所示。

通過上面的對比實(shí)驗(yàn)可知，用電磁傳感器測量運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動速度能夠滿足測速的要求，保證測量數(shù)據(jù)的精確性。根據(jù)測試的數(shù)據(jù)可以知道我們測速的方案也是可行的。

圖5 仿真曲線與實(shí)測曲線的對比圖

3 結(jié)束語

通過分析可知，這次設(shè)計(jì)的電磁傳感器能夠滿足高溫、高壓下高速運(yùn)動的目標(biāo)的運(yùn)動速度測量的要求。經(jīng)過理論分析、數(shù)據(jù)測量并對其測試數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真處理，本文所設(shè)計(jì)的電磁傳感器的性能能夠很好的滿足其參數(shù)指標(biāo)，在測量數(shù)據(jù)后可得出以下四點(diǎn)結(jié)論。

1）電磁傳感器和測速系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，具備速度從幾米/秒到數(shù)公里/秒、壓力達(dá)10MPa的測試能力，在試驗(yàn)中取得了良好試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）磁感應(yīng)測速方法與微波、激光等其它技術(shù)相比，具有系統(tǒng)簡單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，尤其是不受高溫、高壓和燃燒影響，適應(yīng)復(fù)雜的模型外形；定位精度高，可精確地確定其相對模型超前或遲后的位置。

3）通過參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)，對電磁傳感器的實(shí)際測量有了更深一步的認(rèn)識。

4）運(yùn)用MATLAB軟件對整個(gè)測試環(huán)境進(jìn)行了模擬，通過模擬得到了比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。通過對模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果的對比，可以得出MATLAB模擬實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果與實(shí)際的測試結(jié)果是吻合的。

[1] Keisuke Fujisaki, Senior Member, IEEE. High-Response Inductive Electromagnetic Sensor[J]. IEEE transactions on magnetic, 2003, 39(5): 2190-2193.

[2] Yao Jinjie, Han Yan. Velocity Measurement of the Automobile Based on the Wavelet De-noising and STFT[J].International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2008, 14(2): 902-905.

[3] 沈勇, 狄長安, 王昌明. 單個(gè)線圈靶速度測量分析[J]. 傳感器技術(shù), 2003, 20(12): 10-12.

[4] 王偉, 趙高波, 霍鵬飛, 等.一種利用磁阻傳感器的炮口速度測量方法[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(2): 129-132.

[5] 陳建軍, 楊雷, 倪晉平. 基于數(shù)據(jù)采集方法的彈丸速度測量[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 235-238.

[6] 智小軍, 倪晉平, 田會, 等. 相關(guān)分析技術(shù)在光幕靶速度測量中的應(yīng)用[J]. 探測與控制學(xué)報(bào), 2005, 27(1): 44-46.