陳宏亮，馬少杰，張錦明

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

C8051F506

彈載高沖擊測試技術(shù)在現(xiàn)代工程應(yīng)用中具有重要的作用，特別是在軍工領(lǐng)域如硬目標(biāo)侵徹引信的環(huán)境信息獲取和新研制的高g值加速度傳感器的性能驗(yàn)證等方面具有非常高的實(shí)用價(jià)值[1]。根據(jù)測試的實(shí)際使用環(huán)境，要求測試裝置的量程大，精度和采樣頻率高，抗沖擊能力強(qiáng)，體積和功耗小[2]。目前有2種彈載高沖擊測試方法，信號(hào)同步傳輸法和硬回收法[3]。信號(hào)同步法是在試驗(yàn)彈實(shí)時(shí)侵徹過程中將測試到的過載信息通過無線電發(fā)送到地面基站，這種方法無線電信號(hào)容易受干擾，且在高沖擊載荷的作用下難以保證信號(hào)高速傳輸?shù)倪B續(xù)性。硬回收法是將傳感器、測試儀器、存儲(chǔ)器封裝在一個(gè)獨(dú)立的裝置內(nèi)，將該裝置放到試驗(yàn)彈中進(jìn)行試驗(yàn)，回收后讀取存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。硬回收法可靠性高，技術(shù)難度較小，是目前常用方法。國外，M.J.Forrestal等人研制的加速度記錄裝置記錄到的最大加速度值為20 000g[4]；瑞士武器系統(tǒng)與彈藥試驗(yàn)中心研制了彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器[5]，通過140 mm滑膛炮發(fā)射使炮彈高速侵徹鋼筋混凝土靶板，成功記錄到了90 000g的峰值加速度，持續(xù)脈寬大于200 μs。國內(nèi)，中北大學(xué)研制了一種超高g值加速度測試裝置，成功測試到了整個(gè)彈道加速度信號(hào)，加速度最大值為45 000g[6]，以上所述的彈載高沖擊測試均為硬回收法。

作者采用硬回收法設(shè)計(jì)一種能夠測試高沖擊三維加速度的彈載存儲(chǔ)測試儀，能在實(shí)彈侵徹試驗(yàn)中可靠應(yīng)用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

彈載存儲(chǔ)測試儀進(jìn)行硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境十分惡劣，伴隨有數(shù)萬g的高沖擊加速度、高頻振動(dòng)信號(hào)和高背景噪聲，為保證測試儀在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的可靠使用，測試儀的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則[7]：

1) 抗高沖擊過載：為對(duì)加速度傳感器信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，必須使測試儀抗沖擊能力強(qiáng)，主要采用強(qiáng)化灌封、設(shè)計(jì)保護(hù)殼體、機(jī)械濾波等措施；

2) 低系統(tǒng)功耗：測試儀記錄時(shí)間雖然只有幾百毫秒，但試驗(yàn)時(shí)，從發(fā)射前準(zhǔn)備到發(fā)射過程到測試儀回收需要測試儀工作較長的時(shí)間，因此需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)；

3) 低系統(tǒng)噪聲：測試儀需要加速度信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，對(duì)信噪比要求高，確保可靠觸發(fā)和精準(zhǔn)測量。

4) 體積小、質(zhì)量輕：要產(chǎn)生高幅值的沖擊加速度，需用小直徑、輕質(zhì)量的試驗(yàn)彈高速侵徹硬目標(biāo)靶板，因此留給存儲(chǔ)測試模塊的空間有限，且小體積有助于提升測試儀的抗沖擊性能。

根據(jù)實(shí)際使用需求，彈載存儲(chǔ)測試儀的主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)為：① 數(shù)據(jù)采集通道≮3個(gè)通道；② 每個(gè)通道均可存儲(chǔ)測試0～150 000 g加速度；③ 每個(gè)通道的記錄時(shí)間均≮300 ms；④ 每個(gè)通道的低通濾波截止頻率為4 kHz；⑤ 每個(gè)通道的采樣頻率均為50 kHz；⑥ 采樣分辨率≮12 bits；⑦ 記錄從膛內(nèi)發(fā)射到侵徹靶板到試驗(yàn)彈回收的整個(gè)彈道加速度信號(hào)曲線。

2 保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

測試儀的保護(hù)模塊主要由外殼體、內(nèi)殼體和薄濾波墊組成，如圖1。為方便調(diào)試采用了模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)殼體分電池保護(hù)殼體和電路板保護(hù)殼體，存儲(chǔ)測試電路板和電池組分別固定于殼體內(nèi)部，三軸高g值加速度傳感器固定在電路板保護(hù)殼體的下部，為減小質(zhì)量，均采用低密度的A、B雙組分微泡材料加壓保溫灌封以保護(hù)內(nèi)部器件。外殼體通過螺紋蓋板螺紋擰緊對(duì)內(nèi)部殼體起到固定和保護(hù)的作用。

為防止測試儀內(nèi)部器件和結(jié)構(gòu)在高頻振動(dòng)下發(fā)生共振，對(duì)測試儀進(jìn)行機(jī)械濾波設(shè)計(jì)，機(jī)械濾波的機(jī)理為應(yīng)力波的反射衰減[8]。機(jī)械濾波分為測試儀的內(nèi)部濾波和安裝濾波，內(nèi)部濾波如圖1所示，外殼體、電池保護(hù)殼體和電路板保護(hù)殼體之間均放置有毛氈、聚四氟乙烯兩種材料疊加的薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm；安裝濾波如圖2所示，測試儀在試驗(yàn)彈上安裝前后均放置有薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm。試驗(yàn)彈在侵徹硬目標(biāo)時(shí)，沖擊產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波到達(dá)測試儀殼體和復(fù)合墊片界面時(shí)，由于墊片材料的波阻抗與測試儀殼體材料相差很大，透射系數(shù)較小，應(yīng)力波絕大部分反射為拉伸波，侵徹試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力波會(huì)在墊片處經(jīng)歷多次反射，應(yīng)力波頻率越高，反射次數(shù)越多，應(yīng)力波耗散越大，從而起到?jīng)_擊應(yīng)力衰減和濾波的作用[9-10]。

3 電路模塊軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路模塊工作原理

硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)單次成本較高，為提高試驗(yàn)的成功率，測試儀采用兩套完全一樣電路模塊進(jìn)行測試，保證冗余性。圖3為測試儀電路模塊的工作原理圖，主要包括4大部分：電源模塊、信號(hào)調(diào)理部分、MCU和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回讀部分。其中信號(hào)調(diào)理部分包括調(diào)零電路、可調(diào)增益的差分放大電路和低通濾波電路，用于對(duì)三維加速度信號(hào)進(jìn)行處理；MCU包括數(shù)據(jù)采集和控制模塊，主要器件為C8051F506單片機(jī)，用于對(duì)整個(gè)測試儀的控制和數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；電源模塊給整個(gè)存儲(chǔ)測試系統(tǒng)供電，主要器件為三端集成穩(wěn)壓源LP2950-3.3；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回讀部分對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與回讀至計(jì)算機(jī)，主要器件為鐵電存儲(chǔ)器。

3.2 增益可調(diào)的差分放大電路設(shè)計(jì)

MEMS壓阻式三軸高g值加速度傳感器輸出的差分信號(hào)微弱，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。測試儀在實(shí)際使用時(shí)，每次侵徹不同的目標(biāo)靶板，加速度的幅值不同，傳感器輸出的最大電壓也不同，而單片機(jī)的A/D模塊的輸入電壓范圍0～3.3 V是確定的，為使放大后的電壓幅值盡可能地接近A/D采樣輸入電壓范圍，達(dá)到適用不同量程傳感器、侵徹不同目標(biāo)靶板的目的，采用增益可調(diào)的差分放大電路。

增益可調(diào)的差分放大電路原理圖如圖4所示，采用2個(gè)ANALOG DEVICES公司的AD8426儀表放大器和1個(gè)4通道的AD5254數(shù)字電位計(jì)。Vout_X+和Vout_X-分別表示加速度傳感器X軸2個(gè)橋臂電壓經(jīng)過調(diào)零后到差分放大器的輸入端，SSX為經(jīng)差分放大后的X軸加速度信號(hào)，通過數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)RG1和RG2間的電阻RG阻值即可改變放大器的放大倍數(shù)G，差分放大器的傳遞函數(shù)為

Vout=G×(VIN+-VIN-)+VREF

式中：

設(shè)X為主控器寫入到數(shù)字電位器的八位二進(jìn)制數(shù)，X[00000000,11111111]，有

可得到差分放大電路放大后輸出電壓為

測試儀Y和Z通道的差分放大原理類似，不再重復(fù)闡述。

3.3 低通濾波器設(shè)計(jì)

硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)過程中除了剛體本身的過載信號(hào)外，還包含著大量不需要的高頻信號(hào)分量，為了慮除不需要的高頻信號(hào)分量，避免A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，需要對(duì)放大的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。

為使濾波器在帶通內(nèi)幅頻特性更加平坦，高于截止頻率的信號(hào)衰減得更快，濾波器設(shè)計(jì)為-3 dB截止頻率為4 kHz，品質(zhì)因數(shù)Q為0.707的單位增益有源二階低通濾波器[11]。其中，采用單位增益是為了盡可能減少R、C元件，同時(shí)使運(yùn)算放大器的帶寬最大。TLC2264是TI公司推出的四路軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，只需采用一個(gè)器件即可構(gòu)建三通道低通濾波器，具有低功耗和低噪聲的特點(diǎn)。圖5為采用TLC2264設(shè)計(jì)的三通道低通濾波器X通道電路圖，Y、Z通道類似，不再畫出。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件控制流程圖如圖6所示，主要分為兩大部分：寫數(shù)據(jù)部分和讀數(shù)據(jù)部分。MCU通過判斷I/O口的高低狀態(tài)判定是讀操作或?qū)懖僮?。讀操作時(shí)，MCU從鐵電存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送電腦端。寫操作時(shí)，MCU首先通過指令控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，隨后開啟A/D進(jìn)行3個(gè)通道高速循環(huán)采樣，選用三軸高g值加速度傳感器的Z軸方向(與炮管軸向平行)的膛內(nèi)發(fā)射加速度作為觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)加速度傳感器Z軸方向輸出值連續(xù)多次大于設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)內(nèi)部的延時(shí)計(jì)數(shù)器，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，完成指定長度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，關(guān)閉A/D模塊，進(jìn)入等待狀態(tài)，完成寫操作。

圖7為設(shè)計(jì)制作好的測試儀實(shí)物圖，金屬殼體材料為鋁合金，整體尺寸為Φ70 mm×70 mm，測試儀包含兩套完全獨(dú)立的測試模塊，左右引出的接線端為兩套測試模塊的調(diào)試控制端口。

4 侵徹試驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)測試儀的實(shí)際使用性能，對(duì)其開展硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將測試儀裝入到試驗(yàn)彈中，試驗(yàn)彈通過炮擊的方式在膛內(nèi)加速，然后高速侵徹鋼筋混凝土靶板，通過回收裝置將試驗(yàn)彈回收并回讀試驗(yàn)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)處理。試驗(yàn)條件為：目標(biāo)靶板為鋼筋混凝土靶板(強(qiáng)度C30)，目的是為了更加接近實(shí)際使用環(huán)境，靶板厚度1.5 m；試驗(yàn)彈出炮口速度為804.2 m/s，由天幕靶測速獲得，炮口距靶40.5 m；試驗(yàn)平臺(tái)為 125 mm火炮，采用水平發(fā)射方式，炮管軸線與靶板垂直，實(shí)測試驗(yàn)彈出炮口到侵徹靶板自由飛行的時(shí)間約為50.4 ms。

圖8為測試儀記錄到的一條完整的試驗(yàn)三軸加速度信號(hào)曲線，包括試驗(yàn)彈從膛內(nèi)加速發(fā)射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收，整條曲線記錄的時(shí)間約為400 ms。三軸高g值加速度傳感器輸出的加速度信號(hào)經(jīng)過測試儀內(nèi)的濾波器，濾去了不需要的干擾信號(hào)，整個(gè)彈道加速度信號(hào)清晰，噪聲較小。

由圖8和圖9可知，試驗(yàn)彈從出炮口到侵徹靶板自由飛行的時(shí)間約為51.2 ms，考慮到彈體本身長度和測試誤差，測試儀記錄的飛行時(shí)間與實(shí)際通過天幕靶測試得到的飛行時(shí)間50.4 ms較為接近。其中，Z軸方向加速度在峰值處存在劇烈振蕩，分析原因?yàn)槁菁y蓋板沒有完全旋緊，劇烈振蕩后，測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)微變形壓緊，振蕩消失。取振蕩部分包絡(luò)曲線中值，則膛內(nèi)Z軸方向加速度的幅值在15 000g左右，持續(xù)時(shí)間約為12.9 ms，X軸和Y軸方向的幅值分別為-1 336g和-1 250g。

試驗(yàn)彈侵徹鋼筋混凝土靶板時(shí)，加速度傳感器Z軸方向加速度的總體趨勢為試驗(yàn)彈圓錐形頭部剛開始入靶時(shí)，加速度幅值瞬間增大，當(dāng)試驗(yàn)彈完全進(jìn)入靶板內(nèi)部時(shí)，加速度值減小并維持一定大小，試驗(yàn)彈出靶時(shí)，加速度值減小至零。由圖10可知，試驗(yàn)彈在侵徹鋼筋混凝土靶板過程中的波形特征與實(shí)際分析的波形特征相符，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為-5 010g、3 455g、-48 050g，Z軸方向從試驗(yàn)彈開始侵徹到試驗(yàn)彈出靶的持續(xù)時(shí)間約為3.0 ms。圖10中右邊存在反向較小的加速度信號(hào)為試驗(yàn)彈尾翼出靶脫落產(chǎn)生的。理想情況下正向垂直侵徹鋼筋混凝土靶板X軸和Y軸方向的加速度均為0，但實(shí)際情況時(shí)，無法完全保證侵徹角度為90°侵徹，且三軸加速度傳感器存在橫向效應(yīng)，因此會(huì)存在較小的X和Y軸方向的加速度值。

由圖11可知，試驗(yàn)彈回收過程中，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為23 970g、-21 070g、17 980g，各方向產(chǎn)生較高加速度的原因是試驗(yàn)彈回收時(shí)碰到靶板后方的廢棄鋼筋混凝土堆產(chǎn)生變向。

通過波形特征和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，本次彈載侵徹試驗(yàn)測試儀準(zhǔn)確地記錄到了試驗(yàn)彈的整個(gè)彈道的三維加速度曲線，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際波形特征及其記錄時(shí)間較為吻合。

5 結(jié)論

本測試儀以單片機(jī)C8051F506為核心處理芯片，在硬件電路和軟件程序的作用下，對(duì)三軸高g值加速度傳感器獲取的加速度信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，采樣后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)回讀至計(jì)算機(jī)。通過強(qiáng)化灌封、設(shè)計(jì)保護(hù)殼體、加機(jī)械濾波墊方式有效提高測試儀抗高沖擊過載能力。利用該測試儀進(jìn)行彈載侵徹試驗(yàn)，測試儀準(zhǔn)確地記錄到試驗(yàn)彈從膛內(nèi)發(fā)射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收的全彈道三維加速度曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測試儀具有3通道數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集速度較快，存儲(chǔ)容量較大，功耗低，系統(tǒng)體積較小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在承受48 000g幅值、3 m脈寬和15 000g幅值、13 ms脈寬的沖擊載荷下依舊能夠正常工作，滿足彈載存儲(chǔ)測試儀的預(yù)定設(shè)計(jì)要求。

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