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    基于磁致伸縮位移傳感器的高炮浮動參數測試系統

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-12-28 09:31

      

           針對高炮射擊時自動機運動速度快、沖擊加速度大和測試環境惡劣等情況 , 結合浮動參數的測試要求 , 采用磁致伸縮位移傳感器 , 設計了一種采樣精度高、功能多且操作簡便的測試系統。系統由硬件和軟件組成 , 硬件采用單片機多 CPU 控制技術和宏控帶鎖非易失性數據存儲技術 , 實現了多路位移數據的自動同步采集和自動檢測起始零位。軟件根據采集的位移數據 , 利用單調曲線的縱向關聯性實現了浮動參數的計算 , 并根據需要進行參數和曲線的顯示、保存或打印。實彈測試試驗表明 , 系統能夠滿足高炮浮動參數的測試要求。
           對浮動機動態參數的精確測量是現代武器性能測試中的一個重要環節 ,以往國內外測量槍炮自動機的運動參數時 ,絕大部分采用轉鼓式、電感式及鋼帶式傳感器 ,并配備光線示波器、電子示波器、 x2y 記錄儀等進行信號記錄及顯示 ,測試結果要經過事后人工計算處理。
    1、系統組成及工作原理
            系統 采 用 計 算 機 多 CPU 控 制 技 術 , 以A T89C58 單片機 作為整個系統的控制核心 ,根據功能要求分別設置了 4 個數據采集單元和 1 個同步控制單元 ,各單元之間通過握手信號協調時序關系 ,控制系統完成 4 路數據的采集、存儲與提取。系統的采樣頻率為 2 k Hz ,采樣精度為 0. 05 mm ,通過對浮動位移數據的采集 ,經過軟件計算 ,得到浮動機特征值和射頻等參數 ,利用系統軟件自動繪制浮動位移、速度和加速度曲線 ,并具有對數據和曲線進行顯示、保存或打印等功能 ,具有較高的智能化水平。
    1. 1  磁致伸縮位移傳感器
           高炮浮動參數的測試 ,要求傳感器具有較高的測試精度、響應頻率和抗振動性能 ,為此選用了磁致伸縮位移傳感器,具有較好的性價比。磁致伸縮位移傳感器主要由波導管 (絲) 、磁性滑塊和測量頭組成 ,工作時測量頭中的脈沖發射電路不斷向波導管發射詢問電流脈沖 (起始脈沖) ,電流脈沖同時伴隨產生一個垂直于波導絲的環形磁場以光速沿波導絲傳播 ,與磁滑塊形成的軸向磁場疊加 ,形成螺旋磁場。在該磁場作用下 ,波導管發生磁致伸縮效應而產生波導扭曲 ,該應變波以超聲波速沿波導管向兩端傳播 ,當傳回測量頭一端時 ,被測量頭的感測電路探測到 ,并被轉換成電脈沖(停止脈沖) 。
    由于電流以光速傳遞 ,從發射端到磁滑塊之間電流傳遞時間可忽略不計 ,因此只要測出發射電脈沖與返回應變脈沖之間的時間間隔 ,即可得到滑塊距檢測零點的距離 s = vt ,實現位移檢測 ,其中 , t 為時間差 , v 為應變波傳播速度 。
    該傳感器由于采用傳感器與單片機一體化設計 ,具有分辨率高、重復性好、穩定可靠、非接觸式測量、壽命長、安裝方便、環境適應性強等特點[6 ] ,其主要性能指標如下 :
    速度 :0~10 m ·s - 1 ;
    最大加速度 : ≤100 m ·s - 2 ;
    工作溫度 : - 30 ℃~ + 75 ℃;
    獨立線性 : ±0. 02 % FS ;
    重復性誤差 : < 0. 01 % FS ;
    振動測試 DIN IE68 T2 - 6 : 12 g/ 10 ~ 2 000Hz;沖擊測試 DIN IEC68 T2 - 27 :100 g211 ms2單擊。
    1. 2  主控單元
           主控單元作為系統總控裝置 ,可對數據采集單元、同步控制單元、液晶顯示器、鍵盤、接口電路、時鐘電路和存儲器電路等進行管理和控制 ,實現系統自檢、數據的采集、處理、通信、結果評定及顯示等功能 ,主要由 P89C58 單片機、320 ×240 顯示器等組成。系統供電后 ,首先檢查傳感器的在線狀態 ,主控單元通過數據采集單元采集傳感器的位置數據 ,若數據小于 10 (即傳感器輸出電流小于 0. 2 mA) ,則說明傳感器不在線 ,若數據大于 10 (即傳感器輸出電流大于 0. 2 mA) ,則說明傳感器處于在線狀態 ,這說明傳感器已連接好 ,并將結果顯示在顯示器上。
    1. 3  同步控制單元
            同步控制單元主要由 P87L PC767 單片機及外圍電路等組成 ,其功能是 :
    1) 用于檢測多路傳感器的起始動作時刻 ,當其中任何一個傳感器動作時 ,即發出數據采集控制指令 ,使多路傳感器同時開始采集數據 ,便于對多管高炮的發射一致性進行比較。
    2) 記錄每一路傳感器的初始位置 ,用于數據計算時自動進行零位修正 ,避免了傳感器操作前需要標定的問題 ,簡化了操作步驟 ,提高了系統的智能化程度。
    磁致伸縮位移傳感器
    1. 4  數據采集單元
           數據采集單元用于將傳感器輸出的信號進行模數轉換、數據存儲和處理。由于傳感器輸出電流為 4~20 mA ,模數轉換前首先將其變換為 1~5 V電壓[ 7 ] 。雖然 12 位 A/ D 轉換器有效位數為 212 ,但由于模數轉換時 ,其有效電壓最小值為 1 V ,因此實際對應的有效位數為 : N = 212 ×(5 - 1) / 5 ,則模數轉換后 ,對于滿量程 150 mm 的傳感器 ,模數轉換器每位所代表的傳感器移動距離為 :
    Δ= 150/ N≈0. 046 mm
           當數據采集單元接到同步控制單元發出的采集指令后 ,4 個單元同時開始采集火炮浮動部分的復進和后坐位移量 ,此數據經 A/ D 轉換器轉換后存儲在存儲器 NVRAM 中。數據存儲采用了宏控帶鎖非易失性數據存儲技術 ,軟件在開始時寫一條開鎖指令 ,在采用硬件保護的同時加裝了軟件鎖功能 ,在沒有收到開鎖指令前寫信號被禁止 ,防止誤操作 ;指令寫入字節位置及開鎖數字可選 ,起到了為用戶保密和防仿制的作用。
    2  浮動參數計算方法
    2. 1  浮動曲線特性分析
           典型浮動曲線 反映了浮動機在火炮整個發射過程中位移的變化。所有浮動參數的確定都將依靠由數據采集單元提供的位移數據來計算求取。分析特征值、射速和均方差等參數的求取公式 ,可以發現 ,關鍵是要確定每一發彈所對應的波峰和波谷值 ,基于以上分析 ,作者采用了單調曲線縱向關聯的處理方法 ,實現了浮動機曲線波峰和波谷值的求取。
    2. 2  浮動曲線波峰和波谷值求取
           浮動機在首發后坐、一次后坐、二次后坐的位移大小是截然不同的 ,為了建立合理的波峰、波谷值求取模型 ,將波峰、波谷之間的變化曲線簡化為單調直線。為了剔除數據序列中的異常點 ,首先需要確定單調序列的門限值。在此選用浮動機二次后坐的絕對位移量作為門限值。對于任一單增或單減序列來講 ,如果序列本身的變化量 ,即最大值和最小值之差大于該門限值 ,則為合格序列 ,不需要處理 ;否則 ,需要按坐標軸增大的方向將相鄰的單增和單增序列、單減和單減序列進行合并。設需要比較的序列分別為 A 和 B ,則需要考慮 Bmax 和Amax ,Bmin 和 Amin 之間的關系 ,除去相等的情況外 ,共存在 8 種對應關系 ,由于單增和單減序列具有完整的對稱性 ,因此這里僅列舉了單向遞增的 4 種情況。在程序中 ,對 8 種情況進行分析處理 ,就可以得到相應的波峰、波谷值。
    從數值可以看出 , Bmin 大于 Amin , Bmax 大于Amax ,說明單增序列 A 的最大值屬于數據異常點 ,則按照后向原則 ,把序列 A 與序列 B 合并。合并時 ,將以序列 A 的最小值和初始位置取代序列 B 的最小值和初始位置 ,即 Bmin = Amin ,Bbegin = Abegin 。對浮動測試曲線進行類似分析 ,就可得到波峰和波谷值。
    2. 3  浮動參數求取實現
           在程序實現上 ,建立相應的采集曲線類 ,并將分析處理函數進行封裝 ,采用枚舉法對各種單調序列進行分析處理。首先 ,通過數據采集通道獲取批量數據 ,建立單調序列 ,并對該序列進行基本的濾波處理 ,得到合理的數據序列。針對該序列的各種變化情況 ,采用枚舉法 ,依次進行處理。同時考慮到序列處理效率以及需要求取相應的浮動速度和加速度 ,將序列分為兩種情況 ,一種為整型序列 ,用于波峰、波谷數據的求取 ,另一種為經過插值生成的浮點數序列 ,用于微分求取速度和加速度。通過序列分類 ,該程序既滿足了計算精度的要求 ,同時也較好地反映了浮動機的速度和加速度變化情況。
    通過對波峰、波谷求取函數的完善封裝 ,提高了程序處理效率 ,為程序的模塊化設計提供了有效保證。
    3 應用實例
           該系統進行了實彈射擊試驗 ,測試條件為 6 連發 ,射角為 30°,浮動自動機運動受多種因素的影響 ,浮動曲線有些波動是允許的 ,只要曲線不單調發散或收斂 ,均屬正常狀態。通過測試曲線和數據可以看出 ,該高炮右管比左管擊發延遲 45 ms、射速在450~610 發/ 分之間、最大后坐長度為 30 mm ,符合浮動機的性能要求 ,c 值雖在允許范圍內 ,但左炮與右炮數據相差比較大 ,一次后坐均方偏差σ明顯偏大 ,說明浮動穩定性不是很理想 ,需要對針形閥和導氣塞等進行調整。
    4、結束語
           從實際應用和試驗數據可以看出 ,該系統綜合運用了傳感器技術和計算機控制技術 ,實現了多路位移同步測量、浮動參數計算和浮動曲線顯示等功能 ,解決了高炮浮動參數的動態檢測難題 ,實現了多管高炮浮動參數的智能檢測。


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