龐春橋，陶 鋼，周曉軍，聞 鵬，袁書(shū)強(qiáng)

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094； 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第52研究所，浙江 寧波 315000)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

電渦流傳感器在火箭滑橇實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

龐春橋1，陶 鋼1，周曉軍1，聞 鵬1，袁書(shū)強(qiáng)2

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094； 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第52研究所，浙江 寧波 315000)

為了方便準(zhǔn)確地測(cè)量相關(guān)的力學(xué)數(shù)據(jù)，不斷完善火箭滑橇設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性和可靠性，根據(jù)火箭滑橇的實(shí)踐，給出電渦流傳感器在火箭滑橇中的一些應(yīng)用。通過(guò)安裝電渦流傳感器可以得到滑橇的全程運(yùn)動(dòng)位移曲線，與其他方法相比，操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、性能可靠。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的微分運(yùn)算即可得到滑橇的運(yùn)動(dòng)速度、加速度，可以為火箭滑橇車體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)，通過(guò)與車體運(yùn)動(dòng)加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)比較，可以得到滑橇運(yùn)動(dòng)振動(dòng)幅度與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，有助于解決火箭滑橇，被試品的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。

火箭滑橇；電渦流傳感器；振動(dòng)；力學(xué)

火箭滑橇已經(jīng)是一個(gè)重要的，可以完成諸多特殊任務(wù)的專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1-6]。實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)不同任務(wù)類型，設(shè)計(jì)出滿足不同要求的滑橇[7]。設(shè)計(jì)者依據(jù)測(cè)量的相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)，可以完善設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性和可靠性[8]。例如，根據(jù)火箭滑橇高速運(yùn)動(dòng)下測(cè)試的車體振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析其所包含的物理內(nèi)涵，得到有用的信息，有助于解決火箭滑橇設(shè)計(jì)中，被試品的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。以往采用的火箭滑橇運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試方法，很難精確得到有關(guān)滑橇運(yùn)動(dòng)位置—時(shí)間信息，因此難以深入認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中存在潛在問(wèn)題。文獻(xiàn)[1,9-10]介紹了諸多測(cè)試相應(yīng)位置速度的方法，如采用光纖傳感器、區(qū)截靶和光學(xué)裝置等方法，可以測(cè)量滑橇運(yùn)動(dòng)的局部位移—時(shí)間關(guān)系，但都無(wú)法覆蓋全程，即使是光電傳感器測(cè)試方法，也存在不足，如易受到干擾等問(wèn)題。

本研究引入的電渦流傳感器，能有效地測(cè)量火箭滑橇運(yùn)動(dòng)的全程位移，適應(yīng)性非常好、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜和可靠性高，同時(shí)與火箭滑橇實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以得到更加有用的結(jié)果，如滑橇運(yùn)動(dòng)振動(dòng)幅度與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。這對(duì)科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)高速滑橇，保證安全性，使被試品滿足滑橇運(yùn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境要求，具有更加科學(xué)和現(xiàn)實(shí)的意義。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)案例，給出一些典型數(shù)據(jù)的處理方法和結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試傳感器

1.1 加速度傳感器

火箭橇車體運(yùn)動(dòng)振動(dòng)參數(shù)測(cè)量采用MEMS加速度傳感器，傳感器測(cè)量精度：① 加速度傳感器測(cè)量分辨率：<1 mg；② 加速度傳感器線性度：≤1.0%F·S；③ 加速度的測(cè)量精度在±2%以內(nèi)；④ 頻率響應(yīng)(5%)>1 000 Hz；⑤ 工作范圍±50 g。加速度傳感器安裝布置在滑橇的桁架上。

1.2 電渦流傳感器

選用電渦流傳感器測(cè)量裝置測(cè)量滑車的位移，在滑車桁架側(cè)面安裝一個(gè)電渦流傳感器。當(dāng)傳感器經(jīng)過(guò)軌道側(cè)面的扣件螺釘上方時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電渦流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的變化，會(huì)在傳感器的測(cè)量繞組中產(chǎn)生電壓信號(hào)u(t),通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)u(t)進(jìn)行整形，得到規(guī)整脈沖信號(hào)，使用計(jì)數(shù)電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)儲(chǔ)存，因軌道固定扣件本身的間距是已知的，因此可以得到精確的滑橇運(yùn)動(dòng)位移—時(shí)間數(shù)據(jù)。

電渦流式傳感器具有很高的靈敏度、良好的線性度和極強(qiáng)的抗干擾能力、測(cè)量范圍大、不易受油污、水等介質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和價(jià)格低廉，能實(shí)現(xiàn)不接觸測(cè)量，其原理見(jiàn)圖1。電渦流傳感器主要技術(shù)參數(shù)：

1) 探頭直徑：Φ8 mm；

2) 線性度：系統(tǒng)誤差≤±1%；

3) 時(shí)間響應(yīng)：最高為0.1 ms；

4) 環(huán)境溫度：探頭 -40 ℃～+100 ℃(相對(duì)濕度：≤90%)；

5) 可以抗1 000 g以上的沖擊加速度。

圖1 電渦流傳感器安裝

2 火箭橇試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

圖2為常規(guī)火箭橇試驗(yàn)場(chǎng)景，圖3為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力時(shí)間曲線。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)景

圖3 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力時(shí)間曲線

2.1 電渦流傳感器的位移—時(shí)間數(shù)據(jù)

電渦流傳感器得到的火箭滑橇的運(yùn)動(dòng)位移曲線(見(jiàn)圖4)，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的微分，得到滑橇運(yùn)動(dòng)速度曲線(見(jiàn)圖5、圖6)。

由曲線圖可知，滑橇運(yùn)動(dòng)基本經(jīng)歷了3個(gè)過(guò)程：① 加速過(guò)程，速度不斷升高；② 短暫的滑行過(guò)程；③ 剎車減速過(guò)程。

對(duì)原始位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次微分，可以得到滑橇運(yùn)動(dòng)加速度與距離的關(guān)系(見(jiàn)圖7)和加速度曲線(見(jiàn)圖8)。

圖4 位移曲線

圖5 速度與距離的關(guān)系

圖6 速度曲線

圖7 加速度與距離的關(guān)系

圖8 加速度曲線

2.2 加速度傳感器的X方向振動(dòng)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)安裝在滑車的靠近滑靴的桁架上三軸加速度傳感器，其X軸方向?yàn)榛嚨倪\(yùn)動(dòng)方向。圖9中的深色實(shí)線為振動(dòng)加速度曲線。對(duì)該曲線做多項(xiàng)式擬合，可以得到其中的淺色實(shí)線。對(duì)其擬合曲線進(jìn)行單獨(dú)放大處理得到圖10。由此可得到滑車的實(shí)際平均加速度值(約為：72 m/s2)，加速度擬合曲線反映出火箭橇的加速過(guò)程實(shí)際上是不均勻的。

圖9 X方向加速度振動(dòng)隨時(shí)間變化

圖10 X方向加速度振動(dòng)隨時(shí)間變化

參考發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線，比較電渦流傳感器的加速度曲線(見(jiàn)圖8)和三軸加速度傳感器的加速度擬合曲線(圖10)，可見(jiàn)前者得到的加速度曲線更能反映實(shí)際情況。這主要是因?yàn)檐圀w的振動(dòng)頻率范圍很大，對(duì)其產(chǎn)生主要影響的頻率范圍在100 Hz左右，三軸加速度傳感器的頻響在1 000 Hz以上，導(dǎo)致噪聲大，信號(hào)處理困難，不同的處理方法得到的結(jié)果會(huì)有很大差異。三軸加速度傳感器測(cè)得的加速段基本能夠反映火箭橇的加速度，但是在剎車段時(shí)問(wèn)題就比較嚴(yán)重了，由于火箭橇水剎車段振動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致局部噪聲增強(qiáng)，這就給信號(hào)處理增加了難度，很難保證加速度傳感器減速段的正確性。而電渦流傳感器直接測(cè)量位移，得到的是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，誤差很小，由其得到速度和加速度可以很好地解決以上問(wèn)題。因此，采用電渦流傳感器能夠準(zhǔn)確地給出剎車段的減加速度情況，可為車體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.3 加速度傳感器的Y和Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)

加速度傳感器布置的Y方向?yàn)榛羵?cè)向的左右振動(dòng)，Z方向?yàn)樯舷抡駝?dòng)。實(shí)驗(yàn)記錄的加速度傳感器的Y和Z方向振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖11和圖12所示。

2.4 三向加速度振幅與滑橇運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系分析

雖然三軸加速度傳感器在火箭橇加速度測(cè)試方面不理想，但是在測(cè)量車體振動(dòng)方面起著不可替代的作用。因此有必要對(duì)三軸加速度的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由上述加速度曲線可知，滑橇的振幅隨滑車速度增加存在一定的關(guān)系。于是，可以對(duì)3個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)做以下數(shù)據(jù)處理，即進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)分析(MSE)，同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖13中的平滑曲線，該曲線實(shí)際反映了車體所受到的沖擊振動(dòng)值。由圖中曲線可知：X、Y、Z方向的MSE曲線具有一致的趨勢(shì)，同時(shí)，在剎車處存在局部振動(dòng)幅度增大的趨勢(shì)。

圖11 Y方向振動(dòng)加速度曲線和擬合曲線

圖12 Z方向振動(dòng)加速度曲線和擬合曲線

3個(gè)方向的MSE曲線的最大值順序：Y>Z>X，反映出Y方向的縫隙對(duì)振動(dòng)貢獻(xiàn)最大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)和水剎車對(duì)加速度振動(dòng)幅度有較大影響，但僅限于局部。

將圖13的MSE數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合曲線與電渦流方法得到的滑車v-t曲線(見(jiàn)圖6)相比較，可見(jiàn)這兩條曲線趨勢(shì)非常一致，基本上呈線性關(guān)系，如乘以系數(shù)，即可預(yù)測(cè)三項(xiàng)振動(dòng)幅值。這種定量關(guān)系可用于火箭滑橇運(yùn)動(dòng)振動(dòng)幅值的預(yù)測(cè)，指導(dǎo)滑橇實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

1) 電渦流傳感器可以精確的測(cè)量滑橇的運(yùn)動(dòng)位移曲線。該測(cè)量方法簡(jiǎn)單、成本低、數(shù)據(jù)可靠。相比加速度傳感器復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，并考慮到其信號(hào)處理難度及噪聲影響，電渦流傳感器只需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的微分運(yùn)算即可得到的滑橇速度和加速度，基本消除了信號(hào)處理時(shí)的誤差，因此采用電渦流傳感器得到的速度和加速度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；2) 電渦流傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)合滑橇桁架上的三軸振動(dòng)傳感器得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析可以清晰的得到滑橇三向加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)(MSE)擬合曲線和滑橇運(yùn)動(dòng)速度曲線之間存在非常一致的線性相關(guān)性，而MSE曲線實(shí)際反映了車體所受到的沖擊振動(dòng)值大小，因此，這種關(guān)系可用于指導(dǎo)滑橇實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于建立滑橇設(shè)計(jì)的振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)具有很好的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Application of Eddy Current Sensor in the Experiment of Rocket Sled

PANG Chun-qiao1， TAO Gang1， ZHOU Xiao-jun1， WEN Peng1， YUAN Shu-qiang2

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094，China；2.No.52 Institute of China Ordnance Industry Group, Ningbo 315000, China)

In order to measure the related mechanical data conveniently and precisely, and constantly improve the scientific, security and reliability of the rocket sled design. Based on the practice of the rocket sled, this paper gives some application of the eddy current sensor in rocket sled. Through setting up the eddy current sensor, it can get the displacement curve of rocket sled motion. Compared with other methods, it is simple, cheap and reliable. The velocity and acceleration of rocket sled can be obtained by the simple differential operation of the initial data, which can be used as a reference for the design of the rocked sled body strength. At the same time, through comparing with vehicle vibration acceleration data, we can get the relationship between the amplitude and velocity of the sled motion. This helps to solve the problem of the mechanical environment adaptability of the tested product in the rocket sled.

rocket sled; eddy current sensor; vibration; mechanical

2017-02-15；

2017-03-25

龐春橋(1990—)，男，博士，主要從事終點(diǎn)彈道毀傷研究。

陶鋼(1962—)，男，博士，研究員,主要從事終點(diǎn)彈道毀傷研究，E-mail：taogang@njust.edu.cn。

10.11809/scbgxb2017.06.006

format:PANG Chun-qiao，TAO Gang，ZHOU Xiao-jun，et al.Application of Eddy Current Sensor in the Experiment of Rocket Sled[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):29-32.

V416.6

A

2096-2304(2017)06-0029-04

本文引用格式：龐春橋，陶鋼，周曉軍，等.電渦流傳感器在火箭滑橇實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):29-32.