基于地磁傳感器的彈丸轉數測試*

常樹茂，王 利，弓 楠

（西安郵電學院，西安 710061）

0 引言

在許多武器的設計過程中，彈丸在彈道飛行中的轉數是一個重要參數。多年來，國內外研究者投入了很大的精力從事這方面的研究工作。目前，國內外主要采用太陽方位角傳感器法[1]、紙靶法[2]、高速攝影法、彈底刻槽法[3]、地磁傳感器法[4]、調頻調幅法[5]等方法進行彈丸轉數的測量。

利用太陽方位角法測得的彈道長。不足是安裝要求高、抗過載能力差、測試費用高。彈底刻槽法簡單，但不適應彈底壁較薄的彈丸。調頻調幅法抗過載能力較強、可靠性較好和測試彈道較長。該方法不足是成本高。地磁傳感器法是利用地磁原理進行彈丸轉數測量的方法。其特點是測試精度較高、抗過載能力強、測試彈道長且測試成本較低。文中研究了利用地磁傳感器測試彈丸轉數的原理及測試系統。

1 彈丸轉數測試原理

1.1 地磁傳感器[6]

地球本身具有磁性，所以地球和近地空間存在著地磁場。地磁場磁力線的分布情況如圖1所示。由于地磁場的存在，且具有方向性，因此對于磁電式敏感元件，當其隨載體——彈丸在近地空間作旋轉飛行時，必定使敏感元件中的磁通量發生交替變化，進而產生感應電動勢，這就是地磁轉數傳感器的工作基礎。地磁傳感器實際上是由一根鐵芯上纏繞若干圈線 圈——載 流激磁線圈（鐵心由軟磁材料制作）所組成。由線圈和鐵芯組成的地磁傳感器示意圖如圖2所示。其中，傳感器軸與彈丸轉軸重合。當線圈隨彈丸一起作旋轉運動時，線圈將切割地磁磁力線，產生感應電動勢[7]：

圖1 地磁場磁力線分布

式中：N為線圈匝數；Ф為磁通量；B為地線圈和鐵芯磁場的磁感應強度；S為線圈的截面積；ω為線圈的旋轉角速度。

圖2 彈體內線圈位置示意圖

由上式可以看出，當其它參數一定時，線圈中的感應電動勢ξ將是彈丸旋轉角速度ω的函數，因此感應電動勢的周期實際上反映了彈丸的旋轉周期，通過對周期計數就可以確定彈丸轉數。

由于地磁場十分微弱，考慮到地磁場在近距離內可以近似認為磁感應強度B是不變的均勻磁場。當彈丸轉數確定時，信號幅值主要與線圈的匝數N和截面積S有關。因此在條件允許的情況下，通過增加線圈體積和匝數，可以提高傳感器的靈敏度。

1.2 彈丸轉數測試系統

測試系統由地磁傳感器、信號放大器、模數轉換器、數據存儲器、彈體環境傳感器、系統電源、地面數據讀出器和數據處理軟件等組成。系統框圖如圖3、圖4所示。

圖3 彈丸轉數彈內系統框圖

盡管增加地磁傳感器線圈體積和匝數可提高其靈敏度，但由于地磁場十分微弱，一般情形下傳感器的輸出信號幅值仍較低，多為毫伏級。為了能夠滿足后續電路對信號處理的需要，使用低噪聲高增益放大器放大來自地磁傳感器的信號。轉數信號經放大并濾波后，送入模數轉換器。彈內計算機把這一數字信號以一定的采集率存入存儲器。

利用彈體從靜止到高速運動的加速度，彈體環境傳感器使彈上系統電源開關接通，彈內系統開始工作。

彈丸轉數地面數據讀取系統通過串行接口把存儲在彈內存儲器上的數據讀入計算機。這些原始數據再經過轉數處理軟件處理，就得到轉數曲線和轉數數據表。

圖4 彈丸轉數地面數據讀取系統框圖

圖5 灌封后的轉數測試裝置

圖6 轉速數據處理軟件視窗

1.3 實測數據

圖5是灌封后的彈內轉數測試裝置；圖6是彈丸轉數地面數據讀取系統的處理軟件視窗圖；圖7是實測彈丸轉數的一段原始曲線；圖8是處理后的彈丸落地前的一段轉數曲線。

圖7 彈丸轉數原始曲線

圖8 處理后的彈丸轉數曲線

2 實際測試中需要注意的問題

2.1 彈體對轉數測試的影響

彈體一般是鋼鐵材料制成的。這種鐵磁性材料在飛行過程中受地磁場的作用將顯示出磁性，從而對所處空間的地磁場產生影響。根據電磁場理論[8]，彈體外殼的存在只影響地磁場的強度和方向，幾乎不影響彈丸轉動過程中的角度變化量，因此對轉數測試精度的影響甚小。由于彈體外殼影響信號的幅值，不同的彈體厚度、不同的旋轉速度其地磁傳感器輸出感應電動勢的幅值是不同的。測試者必須根據不同彈種設置線圈面積、匝數、放大倍數。對于整個彈道地磁傳感器輸出感應電動勢的幅值起伏很大的情況下，可以考慮多路放大方案（每路不同的放大倍數）。

2.2 小體積彈丸轉數測試[9]

對于小體積彈丸，如果仍使用線圈式地磁傳感器，當體積減小到一定程度后，傳感器的輸出信號幅值將不能被后續電路放大處理。為了解決這一問題，測試者可以選用靈敏度更高的磁敏感元件，如磁通門、霍爾元件等。磁通門和霍爾元件均是弱磁場測量器件，而且它們的共同特點是結構簡單、體積小。只要對產品合理的設計和灌封，它們可應用于小體積彈丸上。

2.3 測試彈道的選擇

由于彈丸轉數是靠傳感器的線圈切割地磁場磁力線得到。如果彈丸的飛行軌跡恰好與地磁場磁力線重合，則不論彈丸旋轉與否，線圈都不會產生感應電動勢，即存在所謂的“盲區”。由于彈丸在飛行時的“進動”現象。其彈道實際上并不是光滑曲線，而是一條螺旋狀軌跡，因此彈道與磁力線重合的概率很小。雖然出現盲區的概率很小，測試者還是應避免測試彈道為南北方向，這是因為即使不出現盲區，地磁傳感器輸出幅值也很小，不利于測試。所以一般應選擇彈道方向為偏東西方向。

2.4 振蕩器的選擇

彈內計時精度是決定轉數精度的一個重要因素。時間精度是由彈內計算機的振蕩頻率精度決定。一般計算機使用晶振作為振蕩器，振蕩頻率精度很高，完全滿足彈丸轉數測試。但一般轉數測試中彈丸的過載都很大（大于5000g），普通晶振由于抗過載能力小無法使用。現在市場上已有可抗15000g過載的晶振，這樣對于小于15000g過載的彈丸轉數測試，可以使用高過載晶振來保證時間精度。對于大于15000g的過載，一般使用RC振蕩器，經校準后其測試精度一般可以達到3%。

3 結束語

文中詳細闡述了利用地磁傳感器測試彈丸轉數的工作原理，并給出了彈丸轉數實際測試曲線。還提出了基于地磁傳感器彈丸轉數實際測試中需要注意的問題，給出了解決這些問題的方法。

[1]黃崢，李科杰，金連寶.火炮彈丸捷聯式地磁－太陽方位姿態測量模型研究.兵工學報，2001，22（1）：19－22.

[2]黃濤.彈丸轉速的傳感器測量方法[J].彈箭與制導學報，2002，22（4）：69－70.

[3]劉濤.輕武器彈丸轉速測試技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2005.

[4]王廣龍，祖靜.地磁場傳感器及其在飛行體姿態測量中的應用研究[J].北京理工大學學報，1999，19（3）：361－364.

[5]孫發魚，李科杰.利用無線電引信測量長路徑彈丸轉速的應用研究[J].北京理工大學學報，2001，21（2）：243－246.

[6]馬鐵華.地磁場傳感器測自旋彈飛行姿態[J].測試技術學報，1988（2）：305－307.

[7]徐文耀.地磁學[M].北京：地震出版社，2003.

[8]馬信山.電磁場基礎[M].北京：清華大學出版社，1995.

[9]趙捍東，張亞，陳宏偉.用地磁感應轉數傳感器實現引信定距方法的研究[J].探測與控制學報，2002，24（1）：57－60.