文/郭天吉 吳宏斌

1 引言

火炮是陸戰(zhàn)之王，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著巨大的作用。火炮發(fā)射時，內(nèi)彈道是彈丸獲得動力的重要階段，彈丸在幾十ms的時間內(nèi)加速到上千米每秒的速度，承受的膛內(nèi)過載值高達上萬g（g為重力加速度）。準確測量和分析彈丸在膛內(nèi)的發(fā)射過載，對評價火炮性能、彈丸的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計、彈丸的初速預測、發(fā)射藥性能的研究、及引信的結(jié)構(gòu)防護和保險設(shè)計均具有非常重要的意義。

針對火炮內(nèi)彈道環(huán)境，傳統(tǒng)上是采用銅柱法測試（見圖1）。該方法是將標準的質(zhì)量塊和銅柱置于彈丸內(nèi)，火炮發(fā)射時，質(zhì)量塊在慣性力的作用下擠壓銅柱使其產(chǎn)生塑性變形，根據(jù)塑性變形量可獲得內(nèi)彈道最大過載值。銅柱法測試簡單實用，但是只能測得最大過載值，無法獲得過載值隨時間的變化歷程。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是MEMS技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了多種型號的高g值MEMS過載傳感器，使得電測法成為可能。本文即研究了一種存儲測試系統(tǒng)，可置于彈丸內(nèi)，準確測量彈丸在膛內(nèi)的過載曲線。

2 測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)組成見圖2，主要由過載傳感器、信號放大電路、信號濾波電路、帶A/D的單片機、存儲器和電源等組成。

2.1 過載傳感器

過載傳感器采用中電13所研制的MPA5000-60K，其量程超過了6萬g，頻響范圍0～50KHz，非線性度小于2%，2Vdc～10Vdc的寬激勵范圍。

圖1：銅柱法測試示意圖

圖2：測試系統(tǒng)原理框圖

圖3：信號放大電路

圖4：信號濾波電路

圖5：單片機電路

圖6：存儲電路

圖7：電源電路

MPA5000-60K傳感器采用了先進的MEMS壓阻體硅工藝加工制造，圓片級封裝，性能穩(wěn)定，可靠性高，適用于惡劣條件下碰撞、爆炸、沖擊等場合。

2.2 信號放大電路

信號放大電路基于儀表放大器INA118設(shè)計。INA118是低功耗、高精度的通用儀表放大器，采用單電源供電，輸入阻抗大，偏置電流小。單個外部電阻就可實現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇，計算公式為：

2.3 信號濾波電路

信號濾波電路為一個二階的低通巴特沃思濾波器，基于運放OPA2340設(shè)計。OPA2340是微功耗、軌至軌運算放大器，單電源供電，微型MSOP-8封裝。具體設(shè)計見圖4，設(shè)計濾波頻率為3KHz。

2.4 單片機電路

單片機選用國產(chǎn)STC8單片機，該單片機基于1T8051內(nèi)核，速度快，資源豐富，使用靈活。STC8單片機比傳統(tǒng)的8051快12倍以上，不需要外部晶振和外部復位，本身就是仿真芯片，可直接通過串口進行仿真和程序下載。STC8單片機內(nèi)部集成了一個12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，ADC的速度最快可達800K，同時STC8單片機還集成了8Kbyte SRAM、4個全雙工UART串口、1個高速SPI串口等。具體設(shè)計見圖5。

2.5 存儲器電路

圖8：過載曲線

圖9：速度積分曲線

存儲器選用FM25V05鐵電非易失性存儲器，其容量為512Kbit，在100KHz采樣率條件下，可存儲320ms數(shù)據(jù)。該芯片支持SPI口，可與單片機主控芯片通過SPI口進行高速通訊，具體設(shè)計見圖6。

2.6 電源電路

電源電路中的電池選用了充電式聚合物鋰電池，其標稱電壓11.1V，容量600mAh。為了防止高過載條件下的電池失效，設(shè)計了一個大容量的鉭電容和二極管組成的二次電源電路，具體設(shè)計見圖7。

3 試驗及結(jié)論

使用設(shè)計好的測試系統(tǒng)對某種大口徑火炮進行了實測試驗，測試到了完整的膛內(nèi)過載值隨時間的變化歷程及炮口的擾動情況，過載曲線見圖8。由圖8所示，彈丸在膛內(nèi)的運動時間約為38ms，膛內(nèi)最大過載值約為1.06萬g，炮口擾動最大過載值約為3.5萬g。對過載曲線進行速度積分后的曲線見圖9。由圖9所示，積分后的彈丸出炮口速度約為650m/s，而實際的網(wǎng)靶測試速度為667m/s，誤差2.5%，在可接受范圍內(nèi)。

實測數(shù)據(jù)證明了測試系統(tǒng)的設(shè)計正確性，也為彈丸和引信的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)參考。