彈載高g值三軸加速度測試系統技術分析

劉紅娟，沈大偉，李新娥*，卓 露

(1.電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室中北大學，太原030051;3.山東特種工業集團有限公司，山東淄博255201)

目前，國內外主要有三種測試膛內加速度的方法，分別是高g值遙測技術、硬線傳輸技術和動態存儲測試技術。硬線傳輸技術是在彈丸發射過程中，使用引線直接傳輸信號的一種測試方法，此方法對引線電纜的強度和收線杯的容積要求都很大，測試結果大部分在最高膛壓前后信號即中斷以至于無法達到測試預期的效果[1]，甚至在某些場合下無法引線。高g值遙測系統可以對遙測數據流進行實時顯示與處理，但這種方法容易在傳輸過程中引入空間無線干擾，測試精度低，電路實現復雜[2－4]。

近些年隨著動態存儲測試技術[5]在低功耗、微體積方向的不斷發展，利用存儲測試技術獲取加速度信號的方法得到了廣泛運用[6－7]。利用此技術開發的彈載加速度測試系統采用測試專用ASIC芯片(如HB0202)已在多次靶場實驗中成功測得了實驗數據[8]，但不足之處是這類專用芯片功能單一且性能不穩定，電路實現復雜，在三通道測試中多通過損失數據精度的方法來實現通道識別[9]。本文提出的彈載高g值三維加速度測試系統在以往存儲測試技術發展的基礎[10]上采用xilinx公司的CPLD芯片為控制中心，配合性能高、功耗低的COMS模擬電路、A/D芯片及鐵電存儲器，具有精度高、性能穩定、體積小、功耗低等優點，能為準確分析膛內壓力變化規律和研究沖擊載荷對火炮性能的影響提供技術支持。

1 測試系統工作原理

整個測試系統分為三部分:機械外殼、電路內筒、傳感器內筒。共使用三個高g值加速度傳感器，并沿X、Y、Z軸三個方向安裝在傳感器內筒的機械外殼上。工作前，將測試系統安裝在彈體內部“中心點”上，保證Z軸傳感器質心與彈體軸線重合，目的是為了既不影響被測體的振動頻率特性又將傳感器的橫向效應降至最低[11]。工作時，測試系統在CPLD總控制下，傳感器將采集到的物理量轉化成電量輸出，電信號經由信號調理電路放大濾波后進行A/D轉換并存儲，根據以往測試經驗及膛內加速度信號特點，采用了800 kHz的采樣頻率，系統在滿足內觸發條件后，進行有效數據存儲，存滿后，程序控制模擬部分下電。發射完成后，將裝置收回，連接到上位機讀取數據后，做相應的數據處理。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統原理框圖

2 測試系統微體積設計

存儲測試技術微體積設計中，主要考慮機械外殼設計、印制電路板大小及各部件安裝結構三個方面的因素[12]。對于本系統根據膛內加速度信號有效采樣時間只在幾十毫秒內，信號存儲量小等特點，盡量簡化電路組成結構并對電路板進行模塊化、多層板設計。電路板分別由數字板、模擬板和傳感器調理板組成，三塊板疊放在電路內筒中，并選購兵器204所的988加速度傳感器，實現小型化，整個測試裝置結構尺寸為φ25 mm×50 mm。

3 測試系統低功耗設計

電池是存儲測試系統中唯一的供能裝置，電池的體積直接影響整個系統的大小，所以節能是動態測試技術永恒的話題。在存儲技術的發展中主要通過選擇低功耗芯片(如模擬電路選擇功耗低的靜態CMOS芯片)和對電路的供電狀態進行合理規劃來實現系統的低功耗設計。在本系統中，采用分區/分時電源管理技術有效地控制功率消耗，配合使用CD4013和LP5996，對電路的數字和模擬部分按需上電，分開供電，來降低系統功耗，方法如下。

LP5996是具有兩個使能端的電源管理芯片，可分別控制兩路電源輸出。CD4013由兩個獨立工作的D觸發器組成，如圖2和圖3所示。

圖2 CD4013中D觸發器1

圖3 CD4013中D觸發器2

如圖中所示，ON負責系統上電，OFF負責系統全局下電;ONA控制LP5996其中的一個使能端，負責數字電路部分上電，ONB控制LP5996另一個使能端，負責模擬電路部分上電;TC信號是存儲器記滿后由CPLD發出的，負責模擬電路下電。通過圖中可知，需要上電時，只需給ON一個高脈沖，便可通過ONA經過電容式置位電路改變ONB的狀態，上電過程便于操作且降低了引入噪聲的概率。系統工作各狀態的供電情況如下圖4所示，其中VCC為電池電源，VDD為數字電源，VEE為模擬電源。

圖4 系統狀態轉換圖

系統在各工作狀態的功耗情況如下表1所示。

表1 系統功耗

4 測試系統觸發方式設計

在存儲測試系統中，通過觸發技術使系統進入有效數據存儲狀態。本實驗中，由于測試裝置安裝在被測彈體內部，無法從外部提供觸發信號，火炮發射過程中炮膛內的惡劣環境難免會對信號產生干擾，而且內彈道階段持續時間極短，為保證觸發精度，防止誤觸發，本設計采用了多次比較內觸發方式，通過對CPLD進行編程實現。基本原理是對軸向測得的加速度信號值與設定的觸發值進行比較，當軸向加速度信號值連續比較三次均大于設定的觸發值時，則判定為滿足觸發條件，比較計數器會產生觸發信號，驅動負延遲計數器，系統由循環采樣存儲狀態進入采樣存儲狀態。

此觸發方式使電路完全適應環境信號，觸發點即為第一個采樣點，記錄采樣過程數據的存儲器起點地址是隨機的且僅取決于被測信號。用延遲計數器作為采樣過程控制因子，采用延遲計數器加比較器來實現靈活的延遲設置，負延遲時間靈活可控。有效數據記錄完整準確，保證了數據的精確度。所有過程全部由CPLD實現，適應性強且減少了硬件電路數量，縮小了整個系統的體積。

5 實測結果

上述高g值三維加速度測試系統已在靶場進行了實彈測試，成功獲取了某引信在膛內及其發射過程中的加速度參數。

5.1 軸向加速度

圖5 軸向加速度曲線

如圖5所示，在0～2 ms中，軸向加速度曲線振蕩頻率較低，這一階段，彈丸的彈帶擠入彈線;2 ms～14 ms中，曲線震蕩頻率迅速升高，振幅加大，并且在6 ms處受到膛內最大壓力，軸向加速度達到最大值8 466 gn(濾波后);14 ms～19 ms中，曲線振蕩頻率又逐漸降低;19 ms～23 ms中，曲線又出現明顯震蕩，此時，彈丸出炮口，持續時間5 ms。對軸向加速度信號進行積分后得到的軸向最大速度為600.599 m/s。

5.2 徑向加速度

如圖6和圖7所示，彈丸在彈帶擠入彈線，和出炮口處在徑向都發生了明顯的震動，震動頻率及震動幅度都很大，對曲線進行濾波后得到，在炮口處，X軸徑向加速度正向峰值為1 950 gn，負向峰值為－1 040 gn;Y軸徑向加速度正向峰值為1 060 gn，負向峰值為－966 gn;如果引信零件無法承受如此高的縱向沖擊，就可能會導致引信失去炮口保險，發生早炸。

圖6 X軸－徑向加速度曲線

圖7 Y軸－徑向加速度曲線

6 結論

本文提出的彈載高g值三維加速度測試系統，充分利用了動態存儲測試技術的優勢，具有小體積、低功耗、精度高等優點，能夠成功的載入彈上并在惡劣的膛內環境中獲取了有效數據。經實驗測得的數據與理論分析情況相符，從實測結果來看測試系統成功獲取了彈丸在內彈道各個階段的加速度情況。此研究對于彈丸和火炮的設計、驗收及研究有著十分重要的意義。

[1]羅學勛，黃文良，劉淑華，等.彈丸—引信系統在膛內力學環境中硬件傳輸測試技術的研究[J].彈道學報，1990(4):63－74.

[2]黨克治.低成本的高G值彈丸引信遙測儀[J].華北工學院測試技術學報，2000，14(6):748－750.

[3]唐壽江.遙測技術在彈藥檢測中應用研究[J].信息傳播，2012(22):218－219.

[4]黃崢.國外兵器遙測技術的發展現狀及國內兵器遙測技術發展的需求[J].探測與控制學報，2000，22(1):3－5.

[5]張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用[M].北京:高等教育出版社，2002.

[6]文豐，任勇峰，王強.高沖擊隨彈測試固態記錄器的設計與應用[J].爆炸與沖擊，2009，29(2):221－224.

[7]姚竹亭，王憲朝.微型膛內加速度測試儀[J].彈箭與制導學報，2004，24(3):86－87.

[8]沈大偉，裴東興，祖靜.引信膛內加速度信號測試與分析[J].中北大學學報，2009，30(3):292－295.

[9]裴東興，祖靜，張瑜，等.彈載電子測試儀的設計[J].彈箭與制導學報，2012，32(3):220－222.

[10]祖靜，申湘南，張志杰，等.當前動態測試技術的若干發展[J].測試技術學報，1996，10(2，3):1－7.

[11]史占付，梁瑊輝，楊琳，等.三維加速度測試橫向靈敏度交叉影響消除方法[J].探測與控制學報，2012，34(4):10－14.

[12]崔亮飛.新概念動態測試系統的微功耗、小體積技術研究[J].儀表技術，2010(10):60－62.