基于磁感應的彈丸落/著點定位方法研究*

郭尚生，吳曉穎，張萬君

(1遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045;2裝甲兵工程學院，北京 100072)

0 引言

研究彈丸立靶密集度試驗和制導彈藥首發命中率試驗皆采用活動靶車進行，靶車上安裝有6m*6m的木制靶板，射擊后，由人員利用簡單測量工具對落點進行測量，工作量大，安全性差，工作效率低，同時由于靶板太大，加之受氣候影響，經常導致靶車傾覆，給試驗帶來許多困難。若實現動態非接觸測量彈丸落/著點坐標，例可采用 CCD交互測量，需要 3臺CCD設備布置在不同的站點，通過交互式測量確定彈丸落點。但由于需要動用大量昂貴設備，組織和實施困難，因此在實踐中極少采用。文中針對現有試驗中存在的問題，利用彈丸通過預定磁場時磁場強度和方向能夠發生變化的特性以及磁傳感器對弱磁場變化感知能力來實現電磁轉換測量彈丸落點。

1 電磁定位系統工作原理

磁性物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應。利用該效應制成的傳感器稱為磁阻傳感器。當外加磁場平行于磁阻傳感器內部磁場方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化，當外加磁場偏離磁阻傳感器內部磁化方向時，電阻發生變化。通過各向異性磁阻的電阻值隨周圍磁場強度發生改變的特性，感知彈丸距磁阻傳感器的距離，進而確定彈丸通過靶板時的落/著點位置，利用該原理測量彈丸落/著點位置的裝置稱為感應定位系統。該定位系統由磁阻傳感器陣列靶、通電線圈、自動檢靶儀、數字傳輸儀和數據處理系統等組成。其中的磁阻傳感器是由各向異性物質構成的電橋，在沒有外加磁場作用的情況下，若在電橋的一端加載電壓，電橋的另一端輸出電壓不變;如果有外加磁場的作用，磁阻傳感器的電阻會發生變化，導致輸出電壓的變化，通過測量電壓變化，可以獲得外加磁場的變化情況。磁阻傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 磁阻傳感器的工作原理圖

對于一定的工作電壓，如對HMC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界的磁感應強度成正比。

式中:k為磁阻傳感器靈敏度;B為待測磁感應強度;U0為外加磁場強度為0時傳感器的輸出量。

在電磁定位系統中，為降低地磁場的影響，首先繞制一定規格的線圈并通交流電建立一個弱磁場。該線圈半徑為a，通電電流為i，匝數為n。采用圓柱坐標系構建線圈在其垂直軸線上的磁場分析模型，該磁場在某一點M處的磁感應強度為:

圖2 線圈靶磁場分析模型

式中:n為線圈匝數;i為通過線圈的電流;a為線圈半徑;z為測量點距線圈中心的距離;r為線圈任一點到M點的距離;μ0為真空磁導率。

據式(3)可以計算出通電線圈不同位置處的磁場強度，結合式(1)，可計算出磁傳感器在線圈不同位置處的輸出電壓值。

當有彈丸通過感應線圈時，線圈周圍的磁場會隨著彈丸位置的變化發生改變。利用磁阻傳感器組成的陣列將不同位置處的磁阻變化轉變成電壓信號輸出，根據輸出電壓的變化，確定彈丸通過線圈的位置，實現實時非接觸精確測量彈丸落/著點的目的。

2 電磁定位系統基本結構

電磁定位系統為完成精確定位的功能，應包括磁阻傳感器陣列靶、自動檢靶儀、數字傳輸儀和數據處理系統等。系統工作過程如圖3所示。

圖3 系統工作過程

線圈靶的作用是在線圈周圍形成弱磁場。利用電磁理論計算磁場內不同點的磁場強度，對彈丸接近磁場時的各種情況進行分析、設定和靜態試驗，分析各種干擾對磁場的影響，著重分析典型尺寸彈丸以不同速度、不同姿態進入磁場，導致磁場強度和方向的變化規律;尋找磁阻傳感器因磁場變化引起的輸出變化規律，為模型建立提供依據。

傳感器的作用是將彈丸經過磁場時磁場強度和方向的變化轉化為電壓輸出。傳感器選取充分考慮靈敏度、測量的精度，覆蓋的范圍以及外加磁場變化和輸出的線性度等因素，同時要考慮其對環境的適應性，如對高低溫、沙塵、振動等耐受程度，力求選擇適應性強、靈敏度高和測試范圍廣的產品。傳感器在靶上的布置位置，在滿足測試要求的基礎上，應牢固可靠，減少受彈概率。圖4即為傳感器陣列的安裝位置示意。

圖4 傳感器陣列安裝位置示意圖

自動檢靶儀能夠實時檢測到由傳感器陣列發出的信號，并將該信號準確無誤快速的傳給數據傳輸儀器，在傳輸儀器中將信號進行整形濾波放大等處理，利用有線或無線傳輸方式，傳給數據處理系統。

數據處理系統是該定位系統的核心部分，它包括磁場的分布規律，磁阻變化規律和彈丸位置的對應關系等。

靜態磁場的分布規律由電磁理論分析得到，根據不同位置處的磁場強度與距線圈的距離的3次方成反比;彈丸經過線圈時磁場的變化通過靜態試驗獲得，試驗中研究典型尺寸彈丸，不同彈體材料，彈丸著靶姿態、著靶速度等對磁阻變化的影響規律，建立一系列數學模型，實現磁阻變化和彈丸位置的一一對應關系;最后探索試驗各種干擾因素對磁阻傳感器靈敏度和輸出的影響，利用軟件編寫修正模型。在各種軟件的支持下，各種模型運行，實現對磁阻傳感器輸出電量值的處理，得到彈丸落點坐標。實現利用電磁定位系統精確測量彈丸落點坐標。通過顯示系統顯示結果。

3 系統軟件設計

該定位系統的核心在于獲得磁阻變化和彈丸位置之間精確的一一對應關系，為此需要對影響磁阻變化的主要影響因素進行修正，從而需要利用軟件設計進行修正。

為克服外部復雜磁場環境對傳感器的信號測量的影響，在每次使用前必須對磁阻傳感器進行置位/復位(S/R)，來保證傳感器一直處在高靈敏度模式下工作。S/R電流帶的目的是把磁阻傳感器恢復到測量磁場的高靈敏度狀態，一旦傳感器被置位(或復位)，可實現低噪音和高靈敏的磁場測量。由于磁阻傳感器輸出的電壓信號很低，不能夠直接進行傳輸，因此需要利用兩到三級的放大電路對磁阻傳感器輸出的電壓信號進行逐級放大，最終得到消除干擾的輸出信號，用于后續的分析和處理，具體的放大電路設計可參考文獻[10]。

軟件模型建立的主要依據為靜態磁場的分布規律和電磁理論，其次為試驗狀態下獲得的不同影響因素對定位精度影響的量化數據，然后對數據進行分析處理，擬合成相應的關系式，最終獲得輸出和彈丸落點之間一一對應關系。

4 結論

通過對電磁定位系統工作原理的分析和結構探討后，認為在一定理論分析和模擬實驗的基礎上，能夠尋找到彈丸位置和磁阻變化的對應關系，從而實現彈丸落/著點的非接觸測量，為改變試驗研究測量手段和完善測量方法提供思路。為電磁定位系統測試設備的研制奠定了理論基礎和技術支撐。但該研究僅限于理論分析和靜態試驗階段，距離工程應用仍具有一定的距離。

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