磁后坐電機(jī)檢測(cè)裝置的光電測(cè)速方法

高俊嶺，張 琦，符超群

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

磁后坐發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能取決于磁芯穿過(guò)線(xiàn)圈的速度[1]，磁后坐電機(jī)檢測(cè)裝置是專(zhuān)用于對(duì)磁后坐電機(jī)進(jìn)行測(cè)試的裝置。該檢測(cè)裝置過(guò)去的標(biāo)定方法是用馬歇特錘擊試驗(yàn)機(jī)或用標(biāo)準(zhǔn)磁電機(jī)進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定。馬歇特錘擊試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定是用磁電機(jī)進(jìn)行錘擊試驗(yàn)后的電壓與檢測(cè)裝置測(cè)試出電壓進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而調(diào)整裝置，該方法雖然比較準(zhǔn)確，但操作具有一定的難度，且調(diào)試周期較長(zhǎng)，而且需有相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員配合。而標(biāo)準(zhǔn)磁電機(jī)標(biāo)定只是一種固定的標(biāo)定方式，具有局限性。結(jié)合這兩種方式，就是在馬歇特錘擊試驗(yàn)機(jī)和檢測(cè)裝置上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)磁電機(jī)作多次試驗(yàn)，標(biāo)定檢測(cè)裝置刻度板，檢測(cè)時(shí)以檢測(cè)裝置刻度板上的刻度為準(zhǔn)，并逐一測(cè)試。這種方法也存在一定的誤差，由于該裝置的關(guān)鍵部件鋁板長(zhǎng)期使用應(yīng)力減小，速度與刻度板不會(huì)成線(xiàn)性比例。這些標(biāo)定方法，給磁電機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的影響，測(cè)試磁電機(jī)輸出電壓不準(zhǔn)確，在電路中往往會(huì)出現(xiàn)輸出電壓不夠引起引信瞎火或者電壓過(guò)高燒壞電路[2]。通過(guò)了解，其他引信單位檢測(cè)磁電機(jī)的裝置，也是用馬歇特錘擊試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定，目前未見(jiàn)有該類(lèi)測(cè)試檢測(cè)裝置的文獻(xiàn)報(bào)道。針對(duì)這種情況，提出一種操作簡(jiǎn)潔、方便、測(cè)試準(zhǔn)確方法來(lái)標(biāo)定檢測(cè)裝置。根據(jù)磁電機(jī)原理和檢測(cè)裝置的特點(diǎn)，采用光電探測(cè)方法對(duì)磁后坐電機(jī)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)速標(biāo)定[3]。探測(cè)方法能準(zhǔn)確測(cè)出速度，能動(dòng)態(tài)調(diào)整檢測(cè)裝置的速度。光電測(cè)速法為磁電機(jī)在引信中的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)，同時(shí)也保障了大批量磁后坐電機(jī)生產(chǎn)的安全性和可靠性。

1 磁后坐電機(jī)及其檢測(cè)裝置

1.1 磁后坐電機(jī)原理

磁后坐電機(jī)是由電樞和磁芯組成，磁芯在后坐力的作用下快速穿過(guò)電樞，通過(guò)磁通量的變化產(chǎn)生電壓。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁后坐電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的估算公式為:

式中，Δφ為磁芯通過(guò)電樞的變化的磁通量，Δt為磁芯通過(guò)電樞的時(shí)間。

式（1）中Δt與磁芯的速度有關(guān)系，而磁芯初速度越大時(shí)間就越短，輸出電壓就愈高，反之，愈小。

1.2 磁后坐電機(jī)檢測(cè)裝置

由于磁芯在電樞中的磁力很小，相對(duì)于加力板的力可以忽略不計(jì)，即加力板通過(guò)彈力打在磁芯上。加力板速度即近似于磁芯的速度。檢測(cè)裝置如圖1所示。該裝置上有3塊長(zhǎng)短不同鋁板疊加做成加力板，3塊對(duì)齊固定在抬床上，另一長(zhǎng)端可以自由上下抬高。支撐板一端用合頁(yè)固定在臺(tái)床上，可以左右擺動(dòng)便于操作，加力板抬高放在支撐板上支撐擋板上。磁后坐電機(jī)裝置的臺(tái)床上有一圓槽可以放磁后坐電機(jī)，電樞和臺(tái)床平齊。檢測(cè)電機(jī)時(shí)，用手扳動(dòng)支撐板，加力板作用在磁芯上，磁芯穿過(guò)電樞中的線(xiàn)圈輸出電壓。

圖1 磁后坐電機(jī)測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic setback generator testing device

2 光電測(cè)速系統(tǒng)

2.1 光電測(cè)速原理

根據(jù)磁后坐電機(jī)的原理，磁芯在后坐慣性力下穿過(guò)電樞，產(chǎn)生電壓和通過(guò)電樞的速度有關(guān)系。由于加力板作用在磁芯上，和磁芯的速度很接近。因此，為了測(cè)試磁后坐電機(jī)檢測(cè)裝置加力板作用在磁芯上的速度，給加力板自由的一側(cè)裝上一個(gè)遮光板。如圖1所示。測(cè)速裝置盒上有一個(gè)發(fā)光源（LED發(fā)光二極管）和光電二極管（探測(cè)器）。

測(cè)速裝置通電后，發(fā)光二極管產(chǎn)生光源照在光電二極管上，產(chǎn)生電流，輸出電壓脈寬信號(hào)。加力板作用磁芯以前，示波器測(cè)試該系統(tǒng)電路有高電平信號(hào)輸出（1電平）。當(dāng)加力板作用在磁芯上瞬間，加力板上的遮光板切斷光通路，光電二極管無(wú)電流產(chǎn)生，電路輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平（0電平）；當(dāng)遮光板完全通過(guò)時(shí)，發(fā)光二極管又照在光電二極管上，產(chǎn)生電流，輸出信號(hào)為低電平（0電平）轉(zhuǎn)為高電平（1電平），整個(gè)輸出波形為電壓脈寬信號(hào)。測(cè)時(shí)示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)時(shí)示意圖Fig.2 Schematic diagram of time measuring

光電測(cè)速原理框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)速原理框圖Fig.3 Function block diagram of velocity measuring

設(shè)加力板的速度與磁芯的速度相同，速度計(jì)算公式：

d為遮光板的寬度；t為遮住光照的時(shí)間。

2.2 光電探測(cè)電路

光電測(cè)速法中用到的核心器件為光敏二極管也叫光電二極管[4]，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。

發(fā)光二極管VD1作為光源照在光電二極管VD2上，光電二極管作為光電探測(cè)器件所接收到的光信號(hào)一般都非常微弱，還有外界輸入噪音產(chǎn)生，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)放大電路輸出幅度合適、同時(shí)加上反向器取反為處理器所要求波形做準(zhǔn)備，作為采集信號(hào)經(jīng)過(guò)d/t變換經(jīng)除法器完成運(yùn)算直接將被測(cè)速度值由LCD顯示[5]。發(fā)光二極管上電阻R1起到限流作用，運(yùn)算放大器U1引入電壓反饋使輸出信號(hào)穩(wěn)定（電阻 R4＞5R3），保證信號(hào)采集。圖4為測(cè)時(shí)電路圖。

圖4 光電測(cè)時(shí)電路圖Fig.4 Circuit diagram of optical electric time measuring

3 測(cè)試驗(yàn)證

將光電測(cè)速裝置固定在磁后坐檢測(cè)裝置的平臺(tái)上，如圖1所示，測(cè)速裝置接上12 V的穩(wěn)壓電源，再接上示波器顯示電壓脈寬信號(hào)。將加力板抬高放到支撐板的擋上，用手扳動(dòng)支撐板，加力板通過(guò)測(cè)速裝置，輸出電壓脈寬信號(hào)波形，通過(guò)示波器測(cè)出電壓脈寬信號(hào)的時(shí)間。如圖5所示。表1為示波器測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖5 遮住光照的時(shí)間波形Fig.5 time wave of sun shading

從表1測(cè)試的波形時(shí)間經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的加力板速度為表2數(shù)據(jù)。加力板速度在10.47～11.08 v/m，即磁芯的速度。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的計(jì)算[6]，遮光板寬度分別6.05，5.04，4.05 mm，其速度散布為0.15%，0.12%，0.11%。從速度的散布可以看出遮光板寬度越小速度散布越小，越接近加力板的速度。

表1 電壓脈寬波形時(shí)間Tab.1 Voltage pulse width wave time

表2 加力板速度Tab.2 Gusset plat velocity

用光電探測(cè)的方法標(biāo)定既簡(jiǎn)單方便，測(cè)量速度又精確，支撐板不需要刻度只要調(diào)節(jié)的時(shí)間在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)磁后坐檢測(cè)裝置提出了新的標(biāo)定方法，該方法采用光電探測(cè)，用核心部件光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)，比過(guò)去機(jī)械測(cè)試誤差更小，調(diào)試周期更短，操作更簡(jiǎn)單靈活。調(diào)試出的檢測(cè)裝置能更準(zhǔn)確地測(cè)試出磁電機(jī)的電性能，為磁后坐電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了可參考理論依據(jù)[7]。為了在實(shí)際應(yīng)用中更加便利，下一步工作可以在系統(tǒng)電路中增加數(shù)據(jù)采集電路，直接將測(cè)試的數(shù)值顯示在數(shù)碼管或顯示器上。目前，該方法的檢測(cè)裝置在生產(chǎn)和科研中已經(jīng)投入使用。

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