炮口煙光電測試方法設計

【裝備理論與裝備技術】

炮口煙光電測試方法設計

暢院東1，開百勝2

(1.西安工業大學 陜西省光電測試與儀器技術重點實驗室，西安710021；

2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江157000)

摘要：針對炮口煙霧濃度測試的目的，設計了一種煙霧濃度光電測試方法；采用半導體激光器作為調制光源，APD作為光敏探測單元，結合鎖相放大的方式得出光強與煙霧濃度的對應關系；設計了炮口煙箱結構及信號處理電路，通過理論分析及仿真驗證了設計的正確性。

關鍵詞：光電檢測；鎖相放大器 ；煙霧濃度；透過率

收稿日期：2014-11-15

基金項目：陜西省教育廳2013基金(2013JK1055)

作者簡介：暢院東(1986—)，男，碩士研究生，主要從事武器光電測試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.013

中圖分類號：TJ410.6

文章編號：1006-0707(2015)01-0044-05

本文引用格式：暢院東，開百勝.炮口煙光電測試方法設計[J].四川兵工學報，2015(1):44-48.

Citationformat:CHANGYuan-dong,KAIBai-sheng.DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):44-48.

DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke

CHANGYuan-dong1, KAI Bai-sheng2

(1.KeyLaboratoryofPhotoelectricTestingandInstrumentTechnologyofShaanxiProvince,

Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China;

2.HeilongjiangNorthToolCo.,Ltd.,Mudanjiang157000,China)

Abstract:A new method of smoke concentration measuring had been designed for measuring the muzzle smoke concentration. Using semiconductor lasers as the modulated optical sources and APDs as the cells of photosensitive detection, we came to the corresponding relation between light intensity and smoke concentration by combining phase-locking amplifier. The structure of smoke-box and the signal processing circuit were designed and the validity of these designs was demonstrated through theoretical analysis and simulation.

Keywords:photo-electricdetection;phase-lockedamplifier;smokeconcentration;transmittance

現代戰爭中，常規武器系統在發射過程中產生的煙焰越少越好。因此，保證火炮能量充足的前提下，對煙霧濃度進行檢測可以為發射藥的研究提供重要的參考依據。現有的煙霧濃度檢測方法主要為基于圖像檢測法和基于光檢測法，這2種方法都屬于非接觸式檢測法[1]。相比較而言，圖像檢測法造價高昂、設備構造復雜，而光檢測法具有結構簡單、測試精度高等優點受到研究者的重視。該測試技術選用通過光透過量變化原理的煙霧濃度激光檢測方法，其解決了小口徑炮口煙指標測量的技術難題。該技術可以應用在彈藥測量等領域。

1測量原理與結構

1.1測量原理

炮口煙霧測試時，由于發射藥燃燒時產生的是混合氣溶膠，不是單一煙霧粒子,在實彈試驗中很難對炮口煙進行定標。因此在對炮彈發射藥產生的煙霧不能定標的情況下，采用了相對透過率來表征煙霧濃度的大小。據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[2]

A=Lg1/T=KbC

(1)

其中：A為吸光度，T為透過率(T=I/I0，I0是無煙時透過光強，I是有煙時透過光強)，K為消光系數，b為吸收層厚度，C為煙霧濃度。

1.2三光路測量法

為提高該測試技術的可靠性，選用3個激光器和3個光電探測器組成三光路測量法。該測試技術包括煙箱裝置、3個激光器和調制驅動單元、3個APD探測器、三路鎖相放大及信號處理電路[2-3]等。煙箱裝置用于形成密閉環境，收集炮口煙霧，保證測試的準確性[4]。激光器驅動調制單元產生一定頻率的正弦波信號，分成兩路輸出，一路用作鎖相放大電路的參考信號，另外一路用作激光器調制信號。三束平行的調制激光束垂直射入煙箱裝置，經煙箱裝置透射出的激光束分別照射到3個APD探測器的光敏面上。APD探測器將光強信號轉化為微弱電信號，經鎖相放大及信號處理電路放大處理后分別輸出V1、V2、V3。圖1為測量原理圖。

圖1　測量原理

圖1(a)為煙箱內無煙霧時，3個光電探測器檢測到的光強分別為I10、I20、I30，光電探測器將光強信號轉化為微弱電信號再經信號處理電路處理后輸出的電壓信號分變為V10、V20、V30。圖1(b)為煙箱內有煙霧時，3個光電探測器檢測到的光強分別為I11、I21、I31，信號處理電路輸出的電壓值分別為V11、V21、V31。由光電檢測基本理論知，光強I與信號處理電路輸出電壓V成線性關系，這里可表示為

(2)

煙箱內煙霧透射率為

(3)

得到

(4)

消光系數K=σ(λ)，是一個只與透射光波長λ相關的函數[1]，設計中所使用的激光器為單色紅外激光器，波長λ是一定的，因此消光系數K為常數。煙霧吸收層厚度b為煙箱寬度，是一定值常數。根據上面所確定的各參數，最終可以得到煙霧濃度的表達式為

(5)

按上述分析可知，煙霧濃度的測試結果只受T值的影響。

1.3結構設計

煙箱測試裝置結構分為兩個部分。第一部分減壓聚煙裝置，只是起到聚攏煙霧的作用，并且讓炮彈從箱體飛出，這樣大大的減小了炮彈的沖擊波，起到了保護箱體的作用。第二部分為負壓測試裝置，主體是一個負壓箱，負壓箱由于壓強的作用，將正壓箱內的煙霧吸進其內，并對煙霧進行濃度測量。整個裝置既可以保證能夠承受炮彈的強大沖擊力，也能保護測試裝置不被破壞，更能保證測試的準確性，圖2為整體結構圖。

圖2　煙箱整體結構

測試之前先將負壓箱用真空泵抽成負壓，測試時炮彈從正壓箱飛射出去，安裝在正壓箱后面的探測裝置器探測到炮彈飛出則負壓箱打開箱門，由于煙霧噴出需要時間，煙霧噴出時負壓箱開始吸收煙霧，當負壓箱內的氣壓達到標準大氣壓時，感應裝置感應到將箱門關閉。此時負壓箱處在密封狀態下對煙霧濃度進行測量。

正壓箱由連接支架、箱體和感應裝置組成。圖3為正壓箱的結構設計。

圖3　正壓箱的結構設計

負壓箱主要負責煙霧的測量，主要由箱體、連接支架、推桿、擋板、壓力傳感器、真空泵、激光器和光電探測器及固定支架等組成。圖4為負壓箱的結構設計，圖5為負壓箱的內部結構設計。

圖4　負壓箱的結構設計

圖5　負壓箱的內部結構

2建模與分析

應用Simulink軟件進行炮口煙箱光電測試技術建模，并對檢測煙霧濃度信號的過程進行理論仿真[5]。圖6為該測試技術的建模圖，運用的是典型的鎖相放大器，即實際信號先經過交流放大和帶通濾波后與參考信號相乘，得到的信號再經過直流放大和低通濾波后輸出最終信號[6]。

圖6　仿真模型

1) 實際信號波形。實際信號為透射過煙箱的激光光強信號，即理論信號經過一定頻率的正弦波調制后再疊加噪聲信號，噪聲主要為白噪聲。圖7為仿真得到的實際信號。

2) 鎖相放大器輸出波形。實際信號先進行放大，再經過帶通濾波器，與經過90°相移的參考信號(正弦波調制信號)相乘得到如圖8所示波形。

圖7　實際信號波形

圖8　鎖相放大器輸出波形

3) 濾波后輸出波形。圖9為乘法器輸出信號經過放大，再經二級濾波最終輸出信號的波形，圖10為透過率變化理論信號波形(單位：V)。最終得到的信號波形與理論信號波形相吻合。在激光煙霧濃度檢測中應用鎖相放大器可以很好的實現微弱信號的處理，獲得理想的結果。

圖9　濾波后輸出波形

圖10　透過率變化信號理論波形

3電路設計與仿真

1) 前置放大電路。前置放大器對APD輸出的交流微電壓信號進行放大，放大倍數為A1=1+R1/R2，圖11為前置放大電路原理圖。

2) 移相電路。RC與運放結合可以組成有源移相電路，圖12為滯后型移相電路，當R6=16 kΩ時，相移角度約為90°。

3) 帶通濾波電路。圖13為帶通濾波原理圖，R8和C3組成低通濾波，高于這個頻率的不能通過。耦合電容C 實現一級放大和二級放大各個靜態工作點及放大參數的互補影響，同時也起到通交隔直的作用，R11與C4組合實現了高頻濾波效果，可有效去除高頻部分噪聲信號。

4) 信號相關電路仿真。采用ADI公司的AD630作為信號相關器。AD630由兩個預算放大器A和B、切換開關S、輸出積分放大器，比較器COPM、片內電阻。片內補償電容組成。由COPM驅動開關S置A或B，通道A和B之間的隔離度超過100 dB。該芯片是設計鎖相放大器最為理想的集成芯片。加載激勵信號n(t)=sin(ωt+90°)，r(t)=5sinωt則uo(t)= n(t)×r(t)=2.5sin(2ωt)。圖14為信號相關電路仿真。

5) 整體仿真。基于以上各電路模型仿真，組合各部分電路原理圖得到最終的信號處理電路。圖15為整體原理圖。圖16為原始低頻信號與輸出信號的波形圖。

圖11　前置放大電路仿真

圖12　移相電路仿真

圖13　帶通濾波器電路仿真

圖15　整體電路原理

圖16　低頻信號與輸出信號

依據測試模型分析，給信號處理電路加載激勵信號，即一個低頻信號與一個高頻信號相乘獲得的信號，通過觀測電路處理后的輸出信號與這個低頻信號的吻合程度來判斷電路設計是否正確。由圖16可知，信號處理各項指標符合設計要求。

4結論

本文根據煙霧的變化特點，結合朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律和光電轉換理論建立起煙霧濃度和電路輸出電壓之間的比例關系。通過采用鎖相放大原理對微弱電信號進行放大處理的方法，應用Matlab和Multisim軟件對該測試技術進行建模分析和電路設計理論仿真。得到了理想的結果，證明了該測試技術的正確性。

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(責任編輯周江川)