雍成成，楊余旺，殷 俊，鄭朝亮

(南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094)

二級(jí)輕氣炮［1］是采用分子量較小的氣體(通常選擇He或H2)作為驅(qū)動(dòng)氣體，經(jīng)活塞壓縮后，在活塞和膜片之間的驅(qū)動(dòng)氣體變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，當(dāng)膜片破裂后，高溫高壓的驅(qū)動(dòng)氣體膨脹做功，將位于壓縮管的彈丸加速到不同出口速度.在超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，彈丸的速度不僅反映了氣炮的發(fā)射能力，更是進(jìn)行空間碎片防護(hù)研究重要參數(shù)之一，因此，在超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，彈丸速度必須準(zhǔn)確測(cè)量.

目前，常用的測(cè)速方法有激光光束遮斷測(cè)速和固定磁體感應(yīng)測(cè)速.激光光束遮斷測(cè)速曾成功應(yīng)用在一級(jí)輕氣炮的彈丸速度測(cè)量［2］，但應(yīng)用于二級(jí)氣炮實(shí)驗(yàn)中卻遇到了一些困難，如泄漏到彈丸前端的氫氣(或氦氣)發(fā)光會(huì)嚴(yán)重干擾光電二級(jí)管的信號(hào)［3］，引起測(cè)速信號(hào)紊亂，氣炮發(fā)射時(shí)的沖擊會(huì)使光路偏離彈道導(dǎo)致探測(cè)不到信號(hào)，尤其是對(duì)小尺寸彈丸［4-5］.而固定磁體感應(yīng)測(cè)速［4］只能用于金屬材料彈丸的測(cè)量，否則得不到感應(yīng)信號(hào).

因此文中設(shè)計(jì)了一套利用激光光幕測(cè)量彈丸速度的測(cè)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、精度高、重復(fù)性好，為高速彈丸沖擊和碰撞實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)目標(biāo)彈丸或靶板毀傷等沖擊動(dòng)力學(xué)性能及相關(guān)工作提供了技術(shù)支持.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

激光光幕測(cè)速系統(tǒng)如圖1，主要由啟動(dòng)激光光幕靶、停止激光光幕靶、光探測(cè)器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、主機(jī)處理軟件和機(jī)械支撐固定部分組成.

圖1 激光光幕測(cè)速系統(tǒng)Fig.1 Diagram of laser screen for velocity measuring system

啟動(dòng)光幕和停止光幕兩套相同的激光光幕按一定間距擺放在預(yù)定彈道上構(gòu)成一套區(qū)截裝置，并確保兩光幕平面互相平行且與彈道方向垂直.當(dāng)高速飛行彈丸穿過激光光幕時(shí)，彈丸遮擋了部分到達(dá)光電探測(cè)器的光線，從而引起光電探測(cè)器光電流的變化，此時(shí)，光電流的變化經(jīng)信號(hào)處理電路放大、濾波、整形后被PCI數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，再經(jīng)上位機(jī)處理軟件可以獲得彈丸穿過光幕的時(shí)間序列.PCI采集卡主要由高速50Msps 12bit A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，具有較高的采樣速度和采樣精度.所以高速飛行彈丸穿過時(shí)，啟動(dòng)光幕和停止光幕分別產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和一個(gè)停止信號(hào)，其工作時(shí)序如圖2.彈丸穿過前后兩個(gè)光幕的平均速度v可按式(1)計(jì)算:

圖2 系統(tǒng)測(cè)速時(shí)序圖Fig.2 Timing chart of time-scale signal

式中:S為兩光幕靶之間的間距;t為彈丸穿過兩光幕靶所需的時(shí)間.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 光幕靶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光幕靶結(jié)構(gòu)示意如圖3，主要由發(fā)射裝置和接收裝置兩個(gè)部分組成［6］.發(fā)射裝置主要由光幕靶的激光光源構(gòu)成，采用輸出波長900 nm、管芯功率100 mW的一字型紅光半導(dǎo)體激光發(fā)生器，該激光器發(fā)出的激光通過菲涅爾透鏡［7］之后產(chǎn)生大面積平行激光光幕.接收裝置主要由光幕的接收器件構(gòu)成，采用與所選激光光源波長相對(duì)應(yīng)的高靈敏的PIN型光電二極管組成線性陣列為光電檢測(cè)器件.

圖3 光幕靶結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic view of structure of screen

為保證接收裝置中有效敏感區(qū)接收光幕均勻，發(fā)射裝置中激光器形成的有效發(fā)光長度略大于陣列光電檢測(cè)器有效接收長度.圖3中，接收裝置中陣列光電檢測(cè)器有效接收長度為l1，發(fā)射裝置和接收裝置之間長度為l2.為了提高測(cè)試準(zhǔn)確度，必須保證激光光幕的厚度一致，因此在發(fā)射裝置和接收裝置分別設(shè)置了矩形光闌Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，其中光闌Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的光孔寬度根據(jù)選擇的光電檢測(cè)器而定，光孔寬度越窄，到達(dá)光電檢測(cè)器的光能量越小，系統(tǒng)靈敏度越低，反之靈敏度則越高.為有效濾除雜散光的影響，保證光電檢測(cè)器工作的可靠性和穩(wěn)定性，在光電檢測(cè)器和兩道光闌之間設(shè)置了窄帶濾波片，激光器發(fā)出的光幕經(jīng)過菲涅爾透鏡、狹縫光闌和窄帶濾波片后照射到光電檢測(cè)器上，在空間形成靶面尺寸為l1×l2的平行矩形光幕.通過光闌、濾波片等措施有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力.

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在光幕靶的光電轉(zhuǎn)換電路中，采用PIN型光電二極管陣列作為光電轉(zhuǎn)換器件，這種器件具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、體積小、光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn).但當(dāng)彈丸穿過光幕靶時(shí)，光電二極管所產(chǎn)生的信號(hào)是極其微弱的，因此必須對(duì)光電二極管所生成的信號(hào)進(jìn)行足夠幅度地放大，并濾除其中的噪聲.針對(duì)彈丸穿過光幕靶時(shí)產(chǎn)生信號(hào)的基本原理，設(shè)計(jì)了差分輸入電路，該電路具有較好地共模抑制比，能夠很好的抑制共模信號(hào)，同時(shí)能夠較好的放大差模信號(hào).此外該電路具有低噪聲、高增益、低輸出阻抗、較大的信號(hào)帶寬和帶負(fù)載能力以及良好的線性及抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn).其光電轉(zhuǎn)換與前置放大電路如圖4.

圖4 光電轉(zhuǎn)換與前置放大電路原理Fig.4 Schematic diagram of optical-electrical converter and preamplifier

圖4中，DIODE1和DIODE2分別對(duì)應(yīng)的兩組并聯(lián)的PIN型光電二極管陣列反向偏置構(gòu)成差分電路的兩個(gè)輸入端.其中R1和R2為偏置電阻，分別由+12V，-12V雙電源供電.當(dāng)有彈丸穿過激光光幕時(shí)，遮擋部分進(jìn)入光電二極管陣列的光線，進(jìn)入光電檢測(cè)器的光能量變化，引起流經(jīng)光電二極管的光電流發(fā)生變化，由于偏置電阻的作用，產(chǎn)生一個(gè)變化的電信號(hào)，再經(jīng)過1，14管腳流進(jìn)運(yùn)算放大器 U1(SE592).其中，流經(jīng)DIODE1和DIODE2的偏置電流I1和I2都變小.光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的電流信號(hào)流入運(yùn)算放大器U1中，將差分電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)，再經(jīng)過管腳2，3進(jìn)入運(yùn)算放大器 U2(CA3140)中，差分電壓信號(hào)經(jīng)過U2后，轉(zhuǎn)換成單路信號(hào)輸出.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)軟件界面

上位機(jī)軟件以Visua1 C++6.0作為開發(fā)工具，基于MFC框架編寫.系統(tǒng)軟件界面如圖5，整個(gè)界面主要有4部分構(gòu)成，分別為采集操作區(qū)、采集波形顯示區(qū)、采集結(jié)果顯示區(qū)和采集參數(shù)設(shè)置區(qū).

圖5 上位機(jī)軟件界面Fig.5 Interface of PC software

軟件初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，等待用戶的參數(shù)設(shè)置和接收按鈕命令.需要設(shè)置的主要參數(shù)有靶距、采樣率、采樣長度、采樣延遲、觸發(fā)方式、觸發(fā)通道和觸發(fā)電平.啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡后，采集狀態(tài)燈會(huì)點(diǎn)亮，等待選擇的觸發(fā)通道觸發(fā)，一旦觸發(fā)通道信號(hào)觸發(fā)，則采集狀態(tài)燈會(huì)熄滅.系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的采樣率和采樣長度的不同，會(huì)在時(shí)域信號(hào)處顯示實(shí)時(shí)曲線圖，并在當(dāng)前測(cè)量結(jié)果顯示彈丸飛行速度.在歷史測(cè)量結(jié)果區(qū)域可以依據(jù)采集序號(hào)查詢以前采集的歷史測(cè)量結(jié)果同時(shí)打印測(cè)量報(bào)告.

3.2 上位機(jī)軟件流程

上位機(jī)軟件程序流程如圖6.

圖6 上位機(jī)程序流程Fig.6 Program flow diagram

3.3 觸發(fā)時(shí)間提取算法

信號(hào)處理電路的輸出電壓由數(shù)據(jù)采集卡采集，本系統(tǒng)使用的是成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司PCI4712數(shù)據(jù)采集卡.當(dāng)系統(tǒng)光幕靶觸發(fā)時(shí)，輸出電壓信號(hào)從0 V上升到1 V，由于電壓信號(hào)是弱電電壓，所以系統(tǒng)程序中設(shè)定電壓信號(hào)的量程為-1 V～+1V.數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào).A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12 bit，為了數(shù)據(jù)處理方便，將電壓信號(hào)同等劃分為256份，電壓信號(hào)劃分如圖7，坐標(biāo)軸上方為電壓的值，坐標(biāo)軸下方為整數(shù)所代表的電壓值.其中整數(shù)0表示-1V，128表示0V，256表示+1V.

圖7 電壓信號(hào)劃分Fig.7 Dividing diagram of voltage signal

數(shù)據(jù)采集卡采樣結(jié)束之后，各通道的電壓值序列由PackToDouble函數(shù)提取，再經(jīng)過系統(tǒng)程序處理計(jì)算可得到每個(gè)光幕靶的觸發(fā)時(shí)間，其觸發(fā)時(shí)間提取算法如圖8.

在圖8中，電壓值序列的長度由采樣長度決定，系統(tǒng)首先判斷觸發(fā)模式，這里主要分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，然后根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)類型遍歷每個(gè)通道的電壓值序列值，與系統(tǒng)設(shè)定的觸發(fā)電壓進(jìn)行一一比較，并記錄下恰當(dāng)觸發(fā)點(diǎn)的位置和電壓.

圖8 觸發(fā)時(shí)間提取流程Fig.8 Trigger time extraction flow chart

4 測(cè)速實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

圖9為二級(jí)輕氣炮和靶室照片，實(shí)驗(yàn)過程中氣罐壓力為1.2MPa，驅(qū)動(dòng)壓力為1.6 MPa.圖10 為激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝在靶室內(nèi)，采用全鋼制固定靶架，可以減少二級(jí)輕氣炮發(fā)射時(shí)對(duì)光幕靶沖擊，起到有效保護(hù)作用.

圖9 二級(jí)輕氣炮Fig.9 Two-stage light gas gun

圖10 激光光幕測(cè)速系統(tǒng)Fig.10 Velocity measurement system with laser screen

實(shí)驗(yàn)中膜片的厚度為2 mm，槽深0.4 mm，實(shí)驗(yàn)前后膜片對(duì)比如圖11.使用彈丸為鋁制彈丸，最大直徑為 30 mm，重量約為 40 g，如圖 12.靶距為0.25m，使用上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電壓設(shè)置為0.625 V.圖13為被彈丸擊穿的鋼管.

圖11 實(shí)驗(yàn)使用的鋼膜Fig.11 Steel membrane used in the experiment

圖12 實(shí)驗(yàn)使用的鋁彈Fig.12 Aluminum projectile used in the experiment

圖13 被擊穿的鋼管Fig.13 Steel tube after the experiment

測(cè)速實(shí)驗(yàn)的記錄波形如圖14，從圖中可以看出:兩路波形主峰前有小幅度波段，主要是由打開和關(guān)閉電磁閥時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和浪涌電流引起的;主峰后出現(xiàn)尖峰毛刺，這是由于彈丸出口后產(chǎn)生的彈丸碎片和高溫高壓氣體造成.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的彈丸穿過2個(gè)光幕靶的時(shí)間為0.14 ms，因此彈丸速度為1 785m/s.

圖14 實(shí)驗(yàn)測(cè)速波形Fig.14 Waveform of projectile passing the laser screen

5 結(jié)論

文中研究了用于二級(jí)輕氣炮的激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，采用的光電二極管具有很高靈敏度和很快的響應(yīng)速度，測(cè)量電路具有較高的帶寬和信噪比，PCI數(shù)據(jù)采集卡最高采樣頻率可達(dá)50 Msps，每通道最大采樣深度可達(dá)16 M，A/D轉(zhuǎn)換具有較高的精度.實(shí)驗(yàn)表明，該激光光幕測(cè)速系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、便于操作，且測(cè)量精度高，可調(diào)性好，具有很高的實(shí)用價(jià)值.系統(tǒng)在消除電磁干擾和減少彈丸碎片以及高溫氣體影響等方面還有待提高.

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