彈載電子測試儀的設計*

裴東興，祖 靜，張 瑜，沈大偉，劉祖凡

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

0 引言

武器系統動態參數的測試，由于其測試環境的惡劣性，對于測試裝置提出了特殊的要求?；诖鎯y試的彈載電子測試儀可置于被測體體內實時、完整記錄被測參數變化規律的優點被廣泛應用于彈藥性能和彈道的測試。這種無需引線且具有良好電磁兼容性的彈載電子測試儀在多種動態參數如各種彈箭發射、飛行、終點環境的加速度、姿態、壓力等動態參數的測試中發揮了重要的作用，成為我國多種高價值彈藥性能的主要測試手段[1－2]。文中針對目前國內在彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環境下參數的測量難題進行了深入的研究，并成功應用于多個彈載多參數測試試驗。

1 國內外的發展現狀

國外的彈載電子測試儀有著廣泛的應用，1996年美國國防部和美國陸軍聯合提出了強化超小型遙測和傳感器系統(hardened subminiature telemetry and sensor system，HSTSS)計劃，以開發和演示新一代高g值遙測技術，并將這些產品用于測試領域，美國陸軍研究實驗室(ARL)、圣路易斯(德法)聯合研究所、美國阿伯丁靶場等多個武器研究和試驗的重要單位相繼發表了一系列關于彈體飛行過程中動態參數測試的技術研究和實測報告。瑞士的武器系統與彈藥試驗中心設計了高g值彈道飛行數據記錄器FDR，其結構緊湊(232mm × 64mm)，重量較輕(3.58kg)[3－5]。為了避免FDR的損壞，敏感的電路部分和電池(抗沖擊氧化銀電池)用一種三組分的環氧樹脂進行灌封，并用鋼外殼進行保護，并且成功測得90000g的最大加速度。

國內在無線遙測技術領域也進行了大量的工作，研制的微型彈載姿態遙測系統成功獲取了某火箭彈的飛行參數，但是對于彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環境下參數的測量，無線遙測系統難以完成[6]。國內的彈載存儲測試系統的研究始于20世紀80年代，中北大學較早開展了這方面的工作，根據彈載存儲測試的特點曾經設計了3代專用大規模集成電路，第一代的TJ8815A、TJ8815B，第二代的HB9401、HB9402、HB9403A、HB9403B，第 三 代 的HB0201、HB0202等共8種，這些專用大規模集成電路減小了電路的體積，提出并實現了隨被測體運動規律的變化而自適應、自動化的改變采樣規律的技術，在國內外未見報道?；谝陨蠈Ｓ么笠幠＜呻娐返氖褂茫斜贝髮W曾大量成功的測得彈體侵徹素混凝土靶、鋼筋混凝土靶的加速度數據以及彈丸穿透鋼質靶板的沖擊數據和導彈、彈丸飛行的姿態參數的數據，為彈載電子測試儀的設計積累了許多寶貴的經驗。

2 彈載電子測試儀的總體方案設計

2.1 彈載電子測試儀的總體結構

彈載電子測試儀的體系結構是：把彈上動態參數測試必不可少的功能結構部分放置到彈載電子測試儀上，而把盡可能多的功能結構部分如接口、數據傳輸、計算機、控制、數據處理、顯示、繪圖等功能部件放置在地面。再經過特殊的校準系統進行校準，及專門的惡劣環境可靠性考核系統進行考核使其適應彈載測試的惡劣環境。

彈載電子測試儀完成被測參量的獲取和存儲記錄，通過抗高沖擊殼體緩沖結構的有效防護，可以提高儀器的存活性。通過專用數據通信接口，地面計算機完成對彈載電子測試儀的參數設置及實驗數據的讀取、處理、顯示。

彈載電子測試儀由電路模塊、電池、上電開關、面板、傳感器接口、通訊接口、灌封結構、殼體緩沖結構等組成。儀器的原理框圖見圖1，圖中傳感器1為軸向安裝的加速度傳感器;傳感器2和3為徑向安裝的加速度傳感器;傳感器4為自制的地磁傳感器;電路的核心中心控制電路采用本研究室研制的專用ASICHB0202，完成對整個測試系統的控制，為了確保數據的可靠性采用了兩級防護結構(見2.2關鍵技術)。

圖1 彈載電子測試儀原理框圖

2.2 關鍵技術

國中國的防護結構：為了確保數據的可靠采集和存儲，該測試儀采用了國中國的防護結構，即儀器的外殼采用高強度鋼以保護內部的電路模塊，同時在儀器電路模塊內部進一步采用高強度鋼對核心存儲部分閃存進行保護，即使電路模塊在撞擊目標時結構損壞確保閃存內數據的完整性。

智能采樣策略：為了滿足彈上多種變化規律，采樣頻率、增益以及偏置的選擇及設置關系到能否正確獲取完整的信號和測試數據的質量。測試儀采用的專用ASIC-HB0202具有多種采樣策略，可根據被測對象的特點、信號的變化規律，實時調整采樣頻率、增益及偏置等參數。

強化緩沖技術：為了確保儀器的可靠性對儀器進行強化處理，即電路模塊采用真空灌封工藝，用高強度高硬度環氧樹脂灌封，使得在高沖擊過載作用下不致因灌封材料彈塑性變形而拉斷板間的連接線和板上焊點，同時在電路模塊周圍增加合適的緩沖結構對電路進行緩沖;為了確保測試儀在高速旋轉時各部件間沒有相對位移，設計了止轉結構。

3 實測數據分析

上述的彈載電子測試儀已在靶場進行了20余次實彈測試，成功獲取了某引信在膛內和飛行過程的加速度及轉速參數(數據捕獲率為96%)，以下對其中一組典型數據進行分析。

3.1 引信加速度信號的實測分析

圖2為利用彈載測試儀測試的某引信在膛內及其發射過程的三軸加速度曲線。

圖2 某引信在膛內和發射過程的加速度信號

在圖2中可以看出，Z代表軸向加速度，X和Y分別代表了兩維徑向加速度?？梢钥闯銎漭S向最大加速度為11670g;其徑向的最大加速度為7930g。

由F=ma可知，加速度跟壓力成正比，本次試驗同時通過放入式電子測壓器獲得了火炮膛壓曲線，圖3為膛壓曲線與軸向加速度曲線的比較。

根據相關系數rxy公式：

式中：rxy為相關系數，Xi為 i時刻的膛壓值，Yi為i時刻的加速度值，為膛壓平均值，為加速度平均值，i=1，2，…，13，N=13。計算得膛壓曲線和軸向加速度曲線的相關系數為98.8%，說明膛壓曲線和軸向加速度一致性很高。

圖3 膛壓與軸向加速度的曲線的比較

3.2 引信轉速信號的實測分析

圖4(a)為引信在0～1s內的轉速信號變化過程;圖4(b)為其在0～100ms內曲線的展開，可以看出在膛內的發射過程中轉速變化比較復雜，最后在炮口處使得轉速穩定;圖4(c)為膛外轉速的變化曲線，可以看出所測得引信膛外轉速變化在大約1s時間內從1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。

圖4 某引信在膛內和發射過程的轉速信號

在發射的同時使用天幕靶對彈丸的初速進行了測量，初速為703m/s。通過對引信軸向加速度信號的積分得出了彈丸在膛內的速度曲線，如圖5所示，計算出引信在出炮口的最大速度為697m/s。和所測的初速相差6m/s，驗證了測試數據的正確性。

圖5 彈丸在膛內的速度曲線

4 結論

文中針對彈丸發射動態環境(高沖擊、高轉速、空間狹窄等)的測試難題，設計出了一種新型的存儲式彈載電子測試儀，論述了總體方案和關鍵技術，成功測得引信發射及飛行過程的加速度和轉速信號。經過多次實測驗證該儀器具有很強的存活性和可靠性，能適應于不同的彈載測試。

[1]Jing Zu.New concept on dynamic measurement[C]∥ISTM 5th，2003.

[2]祖靜，馬鐵華.動態測試技術的若干進展和展望[C]∥中國兵工學會第10屆測試技術研討會，2000.

[3]Louis R Szabo，William I Osborne.Advances in digital memory telemeters for artillery projectiles，ADD090101[R].1981：321－345.

[4]Louis R Szabo，Leon H Glass.Applications of recoverable digital memory telemeters in artillery projectles，ADD100116[R].1983：217－235.

[5]孫福治.國外兵器測試技術發展綜述[J].測試技術學報，1995(1)：8－13.

[6]劉根旺，趙利軍，馬瑞萍.測試儀器的發展及其對軍用測試領域的影響[J].計算機自動測量與控制，2001，9(2)：1－2.