祁少文，范錦彪，王 燕

（1.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；

2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

子母彈戰(zhàn)斗部是現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中常用的一種戰(zhàn)斗部，子母彈關(guān)鍵技術(shù)之一是拋撒，常用的拋撒方式有活塞拋撒、囊式拋撒、中心爆管拋撒等［1］。子母彈拋撒子彈過載的測量，對(duì)于檢驗(yàn)子彈的抗沖擊性和實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)定以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。采集記錄數(shù)據(jù)的方法通常采用的是存儲(chǔ)測試的方法［2-5］。存儲(chǔ)測試實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)記錄，事后通過專用接口電路與計(jì)算機(jī)通信，在計(jì)算機(jī)上通過專用軟件對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，再現(xiàn)被測現(xiàn)場信息。在做子母彈拋撒試驗(yàn)時(shí)，往往是在裝配廠先裝配好，再通過卡車?yán)奖茍龅剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于裝配和路上需要時(shí)間，以及種種不確定因素的影響，考慮到電池電量的問題，常采用爆炸現(xiàn)場斷線上電的方式，但由于裝配條件的限制，經(jīng)常會(huì)無意中磨斷導(dǎo)線而提前上電，在無法知情的情況下實(shí)驗(yàn)，得不到數(shù)據(jù)，并且如果走線的槽開的稍微大些，將會(huì)改變裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的拋撒效果產(chǎn)生影響。本文針對(duì)此問題，提出了基于光電倒置開關(guān)的子母彈拋撒過載測試儀。

1 光電倒置開關(guān)

1.1 光電倒置開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理

光電倒置開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光電倒置開關(guān)是由小鋼球、光電器件（接收器、發(fā)射器）、蓋板、電路模塊、外筒和機(jī)械殼體等組成。為了抵抗高沖擊，用環(huán)氧樹脂在真空中灌封外筒。最終引出的三根線為控制上電線、電源線和地線。

圖2是光電倒置開關(guān)的電路原理圖。光電倒置開關(guān)的光電器件由接收器和發(fā)射器組成。發(fā)射器由發(fā)光二極管構(gòu)成，它直接把電能轉(zhuǎn)化成光能，在電極上加正向偏壓后，由于PN 結(jié)的存在，將會(huì)把部分能量轉(zhuǎn)化成光能。接收器由光敏三極管構(gòu)成，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。發(fā)射器和接收器安裝固定在同一個(gè)對(duì)光基線的殼體上，內(nèi)腔裝有小鋼球，通過小鋼球的運(yùn)動(dòng)隔斷發(fā)射器和接收器之間的光通路，使得開光電路系統(tǒng)做出響應(yīng)，產(chǎn)生開關(guān)導(dǎo)通或者斷開。如圖1所示，豎直及水平狀態(tài)下，小鋼球不會(huì)擋住發(fā)光二極管D1發(fā)出的光線，光敏三極管Q1接收到光，導(dǎo)通，ID 拉高到VCC，通過HC4050，ON輸出低電平；倒置后小鋼球擋住D1的光線，光敏三極管接收不到光，斷開狀態(tài)，ID 為低電平，通過HC4050，ON 輸出高電平。將ON 接到數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊中，即可作為上電開關(guān)，控制系統(tǒng)狀態(tài)。為了防止誤上電，在數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)定判斷ON 持續(xù)1min為低電平，才認(rèn)為是上電［6-8］。

1.2 光電倒置開關(guān)的抗沖擊實(shí)驗(yàn)

光電倒置開光在拋撒實(shí)驗(yàn)中要承受幾萬g 的沖擊，能否經(jīng)受得住高沖擊，成為了測試儀的關(guān)鍵。首先，為了提高倒置開關(guān)的抗沖擊性，在真空中用環(huán)氧樹脂對(duì)其進(jìn)行灌封。其次，用空氣炮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行沖擊測試?？諝馀谘b置如圖3所示，其原理是突然把壓縮的空氣釋放來推動(dòng)子彈，子彈沿管身運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行碰撞，產(chǎn)生高g 值加速度，同時(shí)用差動(dòng)式激光多普勒測試儀記錄整個(gè)過程，進(jìn)而可以得到目標(biāo)所受的加速度沖擊值。

試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)差動(dòng)激光干涉儀產(chǎn)生具有多普勒效應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)字示波器采集或直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。對(duì)該調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行頻率解調(diào)后，用相關(guān)算式即可獲得目標(biāo)所受的加速度沖擊值［9-10］。圖4為其中一次測得的加速度曲線。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該倒置開關(guān)具有45 000 g 的抗過載能力，而一般的子母彈拋撒實(shí)驗(yàn)都在40 000 g 以下，滿足了要求。

圖1 光電倒置開關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of electro-optical inversion switch

圖2 光電倒置開關(guān)的電路原理圖Fig.2 The circuit principle diagram of electro-optical inversion switch

圖3 空氣炮裝置Fig.3 The device of air guns

圖4 其中一次測得的加速度曲線Fig.4 One of the acceleration curves

2 基于光電倒置開關(guān)的子母彈拋撒過載測試儀

2.1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主要由電源、傳感器（加速度傳感器，量程據(jù)實(shí)際情況而定）、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、倒置開關(guān)模塊、USB 接口單元、殼體、緩沖材料等部分組成。高g 值加速度傳感器用來測試子彈在拋撒過程中的沖擊過載，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊由模擬信號(hào)調(diào)理電路、A／D、鐵電存儲(chǔ)器、CPLD、單片機(jī)組成，負(fù)責(zé)拋撒過程中信息的采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。不同的測試要求，通過單片機(jī)及CPLD 來完成。

2.2 測試系統(tǒng)工作原理

利用倒置開關(guān)進(jìn)行電源管理，確定上電以后，電源管理單元輸出+5V 和+3.3V，給系統(tǒng)供電，晶振送出16MHz時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，循環(huán)采樣。電路觸發(fā)后，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理單元，進(jìn)入A／D；在CPLD和單片機(jī)控制下，A／D采樣的數(shù)據(jù)寫入鐵電存儲(chǔ)器；鐵電存儲(chǔ)器寫滿后，CPLD 發(fā)送控制信號(hào)給電源管理單元，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過USB接口讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存當(dāng)中，測試專用的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2.3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。模擬信號(hào)調(diào)理部分對(duì)傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合A／D 轉(zhuǎn)換器輸入的信號(hào)。考慮到系統(tǒng)精度，放大單元選用的是低功耗儀表放大器INAl28；選用高性能低功耗可軌到軌運(yùn)放OPA2340，對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行濾波處理。A／D 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，選用高速高精度低功耗ADC AD7492進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，確保測試儀的低功耗和高精度。拋撒過程時(shí)間只有幾十ms，故測試儀容量設(shè)計(jì)為256 K×8bit，負(fù)延遲為128K×8bit，采樣頻率500kHz，記錄時(shí)間為512 ms，負(fù)延遲為256 ms，完全符合設(shè)計(jì)要求。CPLD和單片機(jī)共同控制A／D 變換器和鐵電存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，測試系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。USB 接口電路選擇CYPRESS的CY7C68013，單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)通過USB芯片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

圖5 存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 The structure diagram of storage module

3 驗(yàn)證試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

如圖6所示，過載測試儀用于某型號(hào)戰(zhàn)斗部的中心管爆炸拋撒測試實(shí)驗(yàn)，中心爆管位于中心，子彈呈環(huán)形對(duì)稱兩層排列。測試系統(tǒng)裝在子彈內(nèi)，布置在離中心爆管較近的內(nèi)層。工廠裝配前，檢查倒置開關(guān)與測試儀的采樣存儲(chǔ)模塊是否連接良好，接通系統(tǒng)的電源，系統(tǒng)立即為倒置開關(guān)提供電源，倒置開關(guān)進(jìn)行初始化配置，關(guān)閉采樣存儲(chǔ)模塊的模擬電路，此時(shí)測試儀的控制電路處于值更狀態(tài)，倒置開關(guān)處在激活狀態(tài)，整個(gè)測試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。裝配過程中只是相對(duì)于倒置開關(guān)有水平的操作，不會(huì)打開開關(guān)。爆破前幾分鐘，子母彈倒立1min，倒置開關(guān)判斷達(dá)到倒置條件，向存儲(chǔ)測試電路發(fā)出上電控制信號(hào)，系統(tǒng)的模擬電路得到供電，開啟測試儀的采樣存儲(chǔ)模塊，進(jìn)入工作狀態(tài)，倒置開關(guān)進(jìn)入待機(jī)模式，節(jié)省功耗。實(shí)驗(yàn)時(shí)戰(zhàn)斗部前端引信起爆，導(dǎo)爆索切割蒙皮，點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馀c熾熱的固體粒子經(jīng)過藥床中央傳火管上的各傳火孔噴入拋撒藥床，點(diǎn)燃拋撒藥，中心管內(nèi)拋撒藥燃燒釋放出高溫高壓氣體，當(dāng)管內(nèi)的氣體壓力超過管本身的承壓強(qiáng)度極限時(shí)，中心管爆裂。最終蒙皮破裂，子彈拋撒出母體。

圖7是中心管爆炸拋撒子彈所受沖擊過載實(shí)測曲線圖。從中可以看到，加速度測試曲線存在著一定程度上的零點(diǎn)漂移，為了減小與真實(shí)速度之間的的誤差，要先對(duì)過載曲線去除零漂。參考爆炸分析信號(hào)小波變換的處理方法，可以從實(shí)測數(shù)據(jù)中提取出真實(shí)的沖擊過載信號(hào)。經(jīng)過matlab濾掉過載曲線的低頻零漂以后，可以得到過載曲線如圖9所示。

從中看到，零點(diǎn)漂移已經(jīng)得到了去除。爆炸拋撒的瞬間，會(huì)有大量的高頻信號(hào)疊加在過載曲線上，因此要想得到真實(shí)的過載曲線，必須用低通濾波的方法進(jìn)行濾波處理。低通濾波的關(guān)鍵是濾波截止頻率如何選擇。通過經(jīng)典的頻譜分析和ANSYS模態(tài)分析（圖9即為通過matlab處理后的爆炸沖擊過載頻譜圖）相結(jié)合的方法選擇了低通截止頻率為4.7kHz［11-12］。

通過matlab的FIR 濾波器進(jìn)行低通濾波處理后的曲線如圖10所示，在曲線的1.4ms左右，有一個(gè)接近4 000 g的極大值，分析可知應(yīng)為中心管爆炸時(shí)子母彈開倉前作用到傳感器上的爆炸沖擊波。隨著子母彈開倉，過載值在降到0以后又迅速上升。整個(gè)過程中加速度最大值為5 942 g，脈沖寬度為大約620μs。

用matlab對(duì)子彈拋撒的加速度曲線進(jìn)行積分即可得到子彈拋撒的速度曲線，如圖11所示，可得爆炸時(shí)的拋撒速度為19.85 m／s。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了進(jìn)行準(zhǔn)確性對(duì)比，子母彈拋撒過程中使用高速攝影機(jī)對(duì)配重子彈拋撒過程進(jìn)行了拍攝，經(jīng)過專業(yè)軟件分析初速為20.35m／s。以照相機(jī)算出的速度為標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的相對(duì)誤差為：

可知該系統(tǒng)的誤差非常小，測出的數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

圖6 拋撒實(shí)驗(yàn)裝配圖Fig.6 Assembly drawing of the scatters experiment

圖7 爆炸沖擊過載實(shí)測曲線圖Fig.7 The measured curve of the explosion impact overload

圖8 經(jīng)過小波變換去除零漂的過載曲線圖Fig.8 The overload curves after the wavelet transform to get rid of zero drift

圖9 爆炸沖擊信號(hào)頻譜分析圖Fig.9 The spectrum analysis diagram of explosion impact signal

圖10 濾波后加速度曲線Fig.10 The acceleration curve after filtering

圖11 經(jīng)過matlab處理的拋撒過程速度曲線圖Fig.11 The speed curve of scatters process by matlab processing scatters process

4 結(jié)論

本文提出了基于光電倒置開關(guān)的子母彈拋撒過載測試儀。該測試儀由光電倒置開關(guān)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊組成，很好地替代了斷線上電的方式，可以完成對(duì)子彈受到的加速度的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)。驗(yàn)證試驗(yàn)表明該測試儀可以很好的完成對(duì)子母彈拋撒過程中子彈加速度的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，測出的數(shù)據(jù)真實(shí)可信。對(duì)于檢驗(yàn)子彈的抗沖擊性和實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)定以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有重要意義。下一步將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的無線傳輸以及信標(biāo)機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

［1］郭錦炎，季曉松，王浩.中心爆管子母彈拋撒內(nèi)彈道過程的數(shù)值模擬［J］.彈道學(xué)報(bào)，2010，22（2）：62-66.

［2］原曉潔，范錦彪，張翠芳.子母彈拋撒過程的存儲(chǔ)遙測方法［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2012，34（1）：37-40.

［3］張文棟.儲(chǔ)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］祖靜，張志杰，裴東興，等.新概念動(dòng)態(tài)測試［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，18（9）：1-9.

［5］崔亮飛.新概念動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的微功耗小體積技術(shù)研究［J］.電工技術(shù)，2011，47：47-48.

［6］王薇，張瑜，祖靜.微型脈沖供電式倒置開關(guān)可靠性實(shí)驗(yàn)裝置［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2012，34（4）：67-70.

［7］楊艷，祖靜，張瑜，等.微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011（1）：24-27.

［8］劉帥，祖靜.光電倒置開關(guān)檢測系統(tǒng)的研究［D］.太原：中北大學(xué)，2010.

［9］徐鵬，祖靜，范錦彪.高g 值加速度沖擊試驗(yàn)技術(shù)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2011，30（4）：241-253.

［10］李錚輝，祖靜，范錦彪.基于空氣炮的測試裝置系統(tǒng)靈敏度校準(zhǔn)方法［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31（3）：28-30.

［11］董力科，范錦彪，王燕.爆炸拋撒記錄儀的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21（6）：1706-1707.

［12］文豐，任勇峰，王強(qiáng).高沖擊隨彈測試固態(tài)記錄器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2009，29（2）：221-224.