水下自動武器后坐能量測試傳感器的結構優化設計

王麗麗，余紅英，楊 臻，李 萍

(1.中北大學 計算機與控制工程學院，山西 太原030051;2.中北大學 機電工程學院，山西 太原030051)

0 引 言

水下武器在研制過程中由于其特殊的使用環境，武器的測試方法與常規的地面武器有較大的差異［1，2］。自動機作為自動武器的心臟部件，其后坐能量的大小是衡量武器性能的重要指標之一［3］。已有的自動機后坐能量測試方法是將武器安裝在固定滑臺上，通過測量武器發射時的后坐速度間接測試后坐能量［4，5］，后坐速度利用磁電式傳感器間接測量得到［6］。

目前采用的磁電式傳感器一般選用高導磁的金屬材料作為鐵芯，雖提高了靈敏度，但如果選用的材料能形成回路，將會在鐵芯表面形成渦流，產生感應電動勢，阻止速度線圈中的總感應電動勢隨磁鐵速度的改變而產生的變化，嚴重降低傳感器的靈敏度和動態特性［7，8］。因此，需對該傳感器進行優化設計，使其在保證高靈敏度的同時，減小甚至消除渦流帶來的影響［9］。

本文提出了一種基于電磁感應原理的測速傳感器的結構優化設計，試驗表明:該設計結構動態性能更好，更能精確反映自動機的運動規律。

1 傳感器的結構優化設計

1.1 傳感器本體結構優化

本文提出的對磁電式傳感器的優化設計主要是以環氧樹脂板代替鐵芯。環氧樹脂板具有良好的力學性能，可以適應各種應用對形式提出的要求，并且絕緣，避免了在自動機測量中渦流等對傳感器靈敏度產生的影響。本文根據自動機的行程選擇合適長度的矩形柱形的環氧樹脂板作為線圈的鐵芯。在環氧樹脂板上用漆包線緊密纏繞一層線圈作為速度線圈，在速度線圈表面利用絲包線等間距正反多圈間繞而成位移線圈。由于環氧樹脂板不導磁，為保證傳感器的靈敏度，鐵芯需具有較高的導磁率，故在速度線圈與環氧樹脂板之間加一層坡莫合金片。該合金由鐵鎳兩種元素組成，選擇鐵鎳比例合適的合金，能夠使其在弱磁場下具有極高導磁率。內部結構如圖1 所示。

圖1 傳感器內部結構圖Fig 1 Inner structure of sensor

1.2 傳感器工作原理

測量時，永久磁鐵與連接件組合成磁頭件，與被測件剛性連接。如圖2 所示，當自動機工作時，磁頭件隨著自動機的運動而運動，永久磁鐵將在速度線圈內產生如圖2 所示的磁場，并且磁通量Φ 的大小隨著永久磁鐵與速度線圈的距離按指數衰減。當被測件以速度v 運動時，將帶動永久磁鐵在速度線圈表面運動，使穿過各匝速度線圈的磁通量隨著各匝線圈與永久磁鐵的距離而產生變化，即各匝速度線圈中的磁場強度也是x 的函數B=B(x)。設速度線圈的橫截面積為S，則通過各匝速度線圈的磁通量

當線圈幾何參數一定時，S 是常量，所以，有

對式(2)進行變換

因此，由法拉第電磁感應原理

圖2 工作原理Fig 2 Operating principle

由式(4)可以看出，在各匝速度線圈中將產生與速度v呈正比的感應電動勢，而總的感應電動勢應為各匝感應電動勢之和。上述公式中x 軸方向表示速度線圈軸向方向，N 為速度線圈匝數。

永久磁鐵在運動時，同時也從位移線圈表面滑過，經過一個繞組產生一個電動勢信號。由于位移線圈中兩個相鄰繞組的繞向相反，對外電路來說，相鄰繞組中產生方向相反的感應電動勢，故產生的位移信號為鋸齒波，相鄰的峰尖和峰谷對應的時間間隔相當于永久磁鐵通過一個節距所用的時間，通過計算產生鋸齒波的個數即可得到自動機運動的位移。

1.3 信號調理單元優化

自動機運動劇烈，在對自動武器進行測量時，往往是多個參數同時測量，使用磁電式傳感器測出的信號通常比較微弱，多種因素的干擾會對自動機的信號產生影響，故本文設計了信號調理電路對自動機輸出的信號做進一步的處理，使其能更直觀準確地反映自動機的運動規律。信號調理電路如圖3 所示。

圖3 信號調理電路Fig 3 Signal conditioning circuit

2 測試結果

利用封裝好的傳感器，在某自動武器動態參量測試基地進行了多次后坐能量測試，圖4 所示為速度—時間曲線，圖5 所示為位移—時間曲線。

圖4 速度—時間曲線Fig 4 v-t curve

圖5 位移—時間曲線Fig 5 s-t curve

炮彈射擊時，火藥壓力產生的沖量向前發射彈頭，向后使武器后坐，經過一段時間，氣體作用結束，自動機速度下降，但是由于慣性繼續后坐，后坐到位后，在復進簧伸張力的作用下復進，經過一段時間復進到位，開始第二發炮彈的射擊。在復進到位時，由于撞擊等原因，又會反方向運動一小段距離。在軟件中對位移信號進行巴斯沃特濾波處理，并經過相關積分算法處理后的位移—時間曲線如圖6 所示。

圖6 濾波處理后的位移—時間曲線Fig 6 s-t curve after filtering

3 數據分析

為了驗證本傳感器的精確度與靈敏度，對傳感器的測量結果進行了誤差分析與不確定度分析。

3.1 誤差分析

本傳感器多次測量的數據如表1 所示。

表1 傳感器測量數據Tab 1 Sensor measurement data

算術平均值為

表2 殘余誤差Tab 2 Residual error

根據殘余誤差代數和校核規則，已知n=9，經計算

其中，σ 為算術平均值的標準差，算術平均值的極限誤差按τ 分布計算，取α=0.05，查表得到:τα=2.31，極限誤差為

最后測量結果通常用算術平均值及其極限誤差來表示，即

根據有關資料可知，傳感器的測量精確度滿足要求。

3.2 不確定度分析

根據分析，不確定度采用B 類評定方法［10］，有以下幾個方面:

1)采集卡滿幅量程為5 V，16 位，相對誤差為

2)采樣頻率100 kHz，相對誤差為

3)傳感器自身靈敏度，相對誤差公式為

當溫度變化時，由銅線本身的屬性可得

4)永久磁鐵的磁性會隨溫度和時間的推移而變化，在受到沖擊或振動作用后，磁感應強度會有些損失，約下降1%，故

μ1=0.00067%，μ2=0.42%，μ3=0.15%，μ4=0.33%.

因各個不確定度分量相互獨立，合成不確定度為

因各個不確定度分量和合成標準不確定度皆基于誤差范圍為3σ，故取包含因子k=3，則系統不確定度為

經過查詢有關資料［4］，優化后的傳感器結果的不確定度優于已有的水下測試傳感器，傳感器的靈敏度得到了很大的提高。

4 結 論

本文提出的優化方法有效地解決了水下自動機運動參數測量中傳統傳感器金屬鐵芯產生的渦流影響傳感器精度的問題，測試信號經處理單元后，能準確地反映出自動機的運動規律。通過對測量數據的分析，傳感器的精確度和靈敏度都得到了提高。在測試的過程中，不僅單發測試結果準確，連發射擊測試結果也客觀可靠，對自動武器的水下工作的研究提供了有力的幫助。

［1］ 吳祥海，樊麗霞，石小晶，等.漫談自動武器測試技術［J］.測試技術學報，1997，11(3):35－42.

［2］ 王 蕾.基于虛擬儀器的自動機運動規律研究［D］.南京:南京理工大學，2007.

［3］ 張永德.槍械后坐能量測試方法研究［J］.華北工學院學報，2005，26(3):219－221.

［4］ 狄長安，孔德仁，王昌明，等.水下發射裝置后坐能量測試及特性分析［J］.火炮發射與控制學報，2006(3):47－50.

［5］ 陳 靜，王昌明.水下槍械自動機速度測量系統［J］.傳感器與微系統，2006，25(1):66－68.

［6］ 徐科軍.傳感器與檢測技術［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［7］ 吳祥海.YSW 型永磁式速度位移傳感器［C］∥全國傳感器及其應用學術討論會論文集，武漢，1984:351－356.

［8］ 孔德仁.兵器動態參量測試技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2013.

［9］ Yu Y，Yang T，Du P.A new eddy current displacement measuring instrument independent of sample electromagnetic properties［J］.NDT＆E International，2012，48:16－22.

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