侵徹過程中彈頭表面瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)*

張 磊，王 利，亓浩名

（中北大學機電工程學院，太原 030051）

0 引言

彈頭碰擊目標時，具有一定動能，故對介質有一定的侵徹作用。彈頭在侵徹過程中，將與目標產生劇烈的滑動摩擦，摩擦所做的功絕大部分將轉變?yōu)闊崮?，從而導致彈頭表面溫度瞬間產生突變。若彈道受某種因素的影響產生偏離，則彈頭圓周上不同點的受力情況有所差異，各點的溫升變化將有顯著異同。因此研究彈丸侵徹介質過程中彈頭表面瞬態(tài)溫度變化，有助于了解侵徹過程中的目標內部阻力、滑動摩擦力、實際彈道規(guī)律等情況，對于后續(xù)研究侵徹彈道修正、提高打擊精度具有重要意義。

早期人們對侵徹過程中彈頭溫度的測量只能采取間接方法。例如將彈頭射入硫磺、火藥或硝化棉，通過這些易燃物是否燃燒來間接判斷彈頭的大概峰值溫度；通過在彈頭內插入一個易熔金屬芯進行測溫實驗，如插入伍德合金芯則在65℃～70℃時融化，插入鈷鉍錫合金芯在95℃時融化，插入鉛鉍合金在125℃時融化，由此提供彈頭溫度范圍。間接方法得到的溫度誤差較大，實驗結果分布較廣。文中采用接觸式測溫方法，直接用薄膜熱電偶測量彈頭侵徹溫度，以C8051F340高速單片機為微控制器。瞬態(tài)測溫系統(tǒng)將隨彈丸一起侵徹目標介質，實時采集存儲侵徹過程中彈頭表面溫度的變化情況。

1 系統(tǒng)原理

整個測量系統(tǒng)由信號采集模塊、冷端溫度補償模塊、C8051F控制模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)在上電后，開始循環(huán)采樣，薄膜熱電偶捕捉到有瞬態(tài)溫度變化時將輸出微小的電勢差，經(jīng)放大電路送入C8051F340單片機內部10位ADC轉換器進行模數(shù)轉換，同時檢測轉換值是否達到觸發(fā)條件。

當滿足觸發(fā)條件后，測量片內溫度傳感器溫度以消除冷端誤差，對冷熱端溫度值進行數(shù)據(jù)處理，并將其暫存到外擴SRAM中。待全部數(shù)據(jù)采集完畢后，將數(shù)據(jù)一次性導入掉電不丟失的W25X80閃存中。存儲完畢后，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)以降低功耗。測試系統(tǒng)回收后，閃存內的數(shù)據(jù)通過串口傳送給計算機，進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析，最終繪出彈丸侵徹介質過程中溫度場的變化曲線。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件構成及工作原理

2.1 溫度傳感器

彈丸種類不同、初速不同、目標介質不同，則彈丸侵徹的持續(xù)時間不同。本測試系統(tǒng)針對37mm某榴彈，以200m／s、500m／s的初速分別射向木質、沙堆、混凝土等不同的無限厚介質，侵徹時間約為10～50ms。

普通溫度傳感器的動態(tài)響應時間一般在1～10s的范圍內，信號延遲嚴重，無法達到瞬態(tài)測溫的目的。本系統(tǒng)采用厚度為12.5μm的鎳鉻－鎳鋁薄膜熱電偶（K型），它是美國RdF公司生產的 Micro－Foil系列金屬箔表面熱電偶，這種熱電偶體積小，熱慣性極低，與安裝表面熱耦合大，響應時間在1～5ms之間，可在－160℃～815℃溫度范圍內測量，基本可以滿足系統(tǒng)的測溫速度。

K型熱電偶在800℃時的熱電勢為33.2754mV，信號比較微弱故需放大。C8051F340內部ADC基準電壓VDD為3.0V，則放大倍數(shù)為3000／33.2754≈100，故采用兩級放大，每級放大10倍。

2.2 熱電偶冷端溫度補償

由熱電偶的測溫原理可知，測量端（熱端）與基準端（冷端）的熱電勢有如下關系：

即熱電偶測量端的熱電勢與工作環(huán)境溫度下的熱電勢之和是熱電偶在冷端為攝氏零度時的熱電勢[1]。由于侵徹時間只有幾十毫秒，熱電偶冷端被封裝在彈頭內部，與金屬外壁進行了有效的熱隔離，因此冷端環(huán)境溫度可近似認為穩(wěn)定。C8051F340單片機內置溫度傳感器，可通過片內ADC直接輸出冷端環(huán)境溫度值，無需另設計冷端補償電路。

2.3 C8051F340單片機

本系統(tǒng)是以Silicon Laboratories公司生產的C8051F340單片機為核心。340內部集成10位逐次逼近寄存器型ADC，轉換速率為200ksps，ADC可工作在單端方式或差分方式，可被用于測量端口引腳電壓或溫度傳感器，能夠滿足系統(tǒng)采樣精度、采樣頻率的要求。

片內有高達64KB的FLASH程序存儲器，可在系統(tǒng)編程。數(shù)據(jù)存儲器空間有4352KB的內部RAM，片外可擴展64KB的XRAM，能用于小容量數(shù)據(jù)緩沖。另外，340單片機采用3.3V供電，有靈活的電源管理方案，適合于低功耗應用[2]。

2.4 Flash存儲模塊設計

由于Flash的存儲速度較慢，本系統(tǒng)增加一級無等待狀態(tài)32KB的靜態(tài)存儲器（SRAM）。經(jīng)過ADC轉換的采集數(shù)據(jù)在單片機控制下先存入外擴RAM中，待數(shù)據(jù)采集完畢，將數(shù)據(jù)一次性導入Flash，從而保證存儲速度，不至于丟失信號。根據(jù)本測溫系統(tǒng)的要求，測試時間很短，屬于毫秒級，采用一片W25X80即可滿足要求。圖2所示為Flash存儲器與單片機的接口圖。

圖2 Flash存儲器與C8051F340單片機接口圖

W25X80是Winbond公司的1MB的串行Flash高速存儲器，具有雙重SPI輸出能力，是普通SPI接口2倍的速率，其強化時鐘脈沖可達75MHz，在雙重輸出功能下傳輸速率可達150MHz，每個脈沖可提供兩位數(shù)據(jù)輸出。內部分為4096頁，每頁為256字節(jié)的存儲單元，每頁寫入的最大時間為2ms，它具有體積小、密度高、功耗低、價位低、操作簡單等特點。

3 軟件設計

軟件設計的關鍵是數(shù)據(jù)采集、存儲和讀取，包括AD采樣頻率的設置、AD采樣時間的控制、存儲觸發(fā)點的判斷、數(shù)據(jù)存儲地址空間的分配、數(shù)據(jù)存儲和讀取的時序控制、C8051F340與PC機的通訊。

系統(tǒng)封裝前首先要對Flash存儲器進行擦除，然后燒入主程序。系統(tǒng)上電后，通過判斷P1.0位I／O端口的狀態(tài)選擇數(shù)據(jù)寫入與讀出。若為高電平，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集及存儲程序，即系統(tǒng)不斷循環(huán)采樣判斷觸發(fā)條件，在接收到觸發(fā)信號后，采樣值經(jīng)外擴RAM的緩沖，存入Flash存儲器；若為低電平，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取程序，即單片機控制Flash存儲器向PC機串行發(fā)送數(shù)據(jù)，便于后期分析與處理。

系統(tǒng)采集瞬態(tài)溫升信號，要設置適當?shù)挠|發(fā)方式及觸發(fā)電平才能捕捉到瞬態(tài)信號。本系統(tǒng)采用負延遲觸發(fā)，單片機將采樣值和預先設定的閾值進行比較，當采樣值大于閾值時給出觸發(fā)信號。程序設計中編寫的觸發(fā)閾值為0.25V，查詢K型熱電偶分度表約為60℃。

4 靜態(tài)實驗結果

為了驗證系統(tǒng)的靜態(tài)性能，需在系統(tǒng)靜止條件下，對薄膜熱電偶瞬間加熱，系統(tǒng)實時采集突變溫度數(shù)據(jù)，檢驗系統(tǒng)的精度、響應時間等指標。打火機可在瞬間加熱，其外焰與空氣接觸，充分燃燒溫度可達到上千度，內焰溫度較低可達到600℃，因此系統(tǒng)利用打火機瞬態(tài)內焰溫度對測溫系統(tǒng)進行靜態(tài)測試。圖3～圖5左側是實測的溫度曲線，其中橫軸代表采樣時間，縱軸代表實際的電壓幅值。右側是從Flash存儲器中讀取的溫度曲線，其中橫軸代表采樣點，縱軸代表與溫度對應的采樣電壓值。實驗時，快速按下、彈開打火機，使加熱時間盡量縮短。

圖3 第一次測量的溫度曲線

圖4 第二次測量的溫度曲線

圖5 第三次測量的溫度曲線

前兩次實驗系統(tǒng)采樣頻率為40kHz，采樣時間為400ms，從實驗結果可看出實測曲線與Flash中讀取的曲線基本一致。第一次實驗采集的峰值電壓為2.72V，約為650℃，誤差為0.7%，根據(jù)溫度曲線計算熱電偶響應時間為38.8ms。第二次實驗手略有抖動，采集的峰值電壓為2.62V，約為620℃，誤差為0.8%，熱電偶響應時間為25.9ms。

第三次實驗系統(tǒng)采樣頻率為300kHz，受靜態(tài)RAM容量限制采樣時間為50ms，由于侵徹時間約為10～50ms，因此可以滿足整個侵徹過程的溫度存儲。50ms時采集的電壓為1.68V，約為410℃，誤差為1.2%。

在后續(xù)動態(tài)實驗中將針對37mm某榴彈，以200m／s、500m／s的初速分別射向木質、沙堆、混凝土等不同的無限厚介質，初步估算侵徹時間約為10～50ms。經(jīng)過靜態(tài)實驗測試，系統(tǒng)采樣頻率可調，最高為300kHz，系統(tǒng)誤差＜1.5%，數(shù)據(jù)存儲速率為800Kbps，基本可以滿足后續(xù)動態(tài)實驗的要求。根據(jù)曲線計算熱電偶響應時間為25～40ms，由于利用打火機模擬瞬態(tài)升溫過程是人工完成，火焰與熱電偶的接觸時間、接觸位置不好把握，所以根據(jù)曲線測得響應的上升時間存在一定誤差。在薄膜熱電偶產品說明書上明確其響應時間在1～5ms范圍內，因此初步判斷此款薄膜熱電偶可滿足實彈射擊實驗要求。

5 結束語

獲得侵徹過程中彈頭溫度的變化，可進一步了解侵徹致傷機理、彈頭侵徹受力情況、彈道運動規(guī)律等，本系統(tǒng)以C8051F340高速單片機為微控制器，設計一個基于薄膜熱電偶的瞬態(tài)溫度采集存儲系統(tǒng)，用于采集彈體侵徹過程中的溫度變化情況。通過打火機模擬瞬間升溫的靜態(tài)實驗，表明系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應，測量準確度高，能采集存儲完整的實時溫升信號，其采樣頻率、數(shù)據(jù)存儲速度可以滿足后續(xù)動態(tài)射擊實驗要求。但彈頭侵徹介質過程中，測試環(huán)境惡劣，伴有高阻高沖擊，因此下一步需驗證系統(tǒng)的抗沖擊性能。

系統(tǒng)具有體積小、成本低、精度高、響應快、操作簡單等優(yōu)點，可推廣應用于多種瞬態(tài)溫度信號采集場合，如發(fā)動機尾焰溫度、膛口氣流溫度、爆發(fā)器內壁溫度等。

[1]趙勇，伍先達.高精度溫度快速測量系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表，2008，140（6）：21－23.

[2]Silicon Laboratories.C8051F34xdatasheet[OL].http：／／www.silabs.com.Revision0.5.