基于薄膜式磁傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)試新方法研究*

任先貞,裴東興,沈大偉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

基于薄膜式磁傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)試新方法研究*

任先貞,裴東興,沈大偉

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

目前轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法通常采用雷達(dá)法和光學(xué)高速攝影法,但其測(cè)量方法成本高、不能實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。因此設(shè)計(jì)了內(nèi)測(cè)法測(cè)量彈丸的轉(zhuǎn)速,將測(cè)試裝置放置在彈丸內(nèi)部,利用薄膜式地磁傳感器切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來反應(yīng)彈丸的轉(zhuǎn)速變化,并提出了處理轉(zhuǎn)速的新方法——中心點(diǎn)處求法。通過多次實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性,與現(xiàn)有方法相比,測(cè)得結(jié)果誤差小、精度高,對(duì)今后研究彈丸的章動(dòng)參數(shù)都有很高的參考價(jià)值。

薄膜式地磁傳感器;轉(zhuǎn)速;中心點(diǎn)處求法

0 引言

彈丸在飛行過程中,近似于一個(gè)剛體運(yùn)動(dòng),其中轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要的研究參數(shù)[1]。國內(nèi)外學(xué)者研究了很多測(cè)量彈丸轉(zhuǎn)速的方法,主要采用的方法為外測(cè)法,其中有彈底刻槽法[2]、光學(xué)高速攝影法[3]、線陣CCD器件攝影法[4]等。彈底刻槽法,通過多普勒信號(hào)可以得出彈丸的旋轉(zhuǎn)速度,但對(duì)于彈底較薄的彈丸并不適用[5]。高速攝影法,雖然可以采集到彈丸飛行過程中的陰影成像,但需幾十臺(tái)攝影機(jī)及平面鏡等設(shè)備,成本較高,并且后續(xù)沖洗照片等需要長時(shí)間完成。線陣CCD器件攝影法,成本高而且需要中心站和測(cè)量站,易受條紋寬度的影響。針對(duì)以上問題,提出采用內(nèi)測(cè)法[6]將薄膜式線圈磁傳感器置于測(cè)試裝置內(nèi)部測(cè)出彈丸的轉(zhuǎn)速,該方法成本較低,性能穩(wěn)定,便于安裝。

1 彈丸轉(zhuǎn)速測(cè)試原理

1.1 薄膜式地磁傳感器原理

薄膜線圈粘貼于彈丸壁表面,用漆包線纏繞在表面,體積小,便于安裝,如圖1、圖2所示為薄膜式地磁傳感器示意圖和其安裝示意圖。

圖1 薄膜式地磁傳感器

地磁場(chǎng)是一個(gè)弱磁場(chǎng),地磁的強(qiáng)度隨地域的變換而不同。彈丸在飛行過程中,如圖3所示,閉合電路在地磁場(chǎng)內(nèi)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

圖2 安裝示意圖

(1)

式中:E為線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);N為線圈匝數(shù);Φ為磁通量;t為時(shí)間;B為地磁場(chǎng)強(qiáng)度;S為線圈面積;θ為線圈的旋轉(zhuǎn)角;γ為彈軸Z′(N)與磁場(chǎng)強(qiáng)度B之間的夾角。

圖3 彈丸飛行模擬圖

1.2 薄膜式地磁傳感器的設(shè)計(jì)

薄膜線圈地磁傳感器的設(shè)計(jì)有三個(gè)方面的因素,線圈面積S和線圈匝數(shù)N[6],還有磁導(dǎo)率μ的變化,通過實(shí)驗(yàn)來確定最合適的線圈匝數(shù)。通過表1的比較,在線圈面積相同的時(shí)候,隨著線圈匝數(shù)的增加,磁傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也逐漸增大,同時(shí)靈敏度也會(huì)變大,靈敏度增大使實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,但是線圈匝數(shù)增加也會(huì)帶來一些不利的因素,其中最大的影響就是會(huì)出現(xiàn)漏磁的現(xiàn)象,因此要選擇合適的線圈匝數(shù),進(jìn)而達(dá)到合適的靈敏度[7],經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較,選擇50 mm×50 mm的線圈。

實(shí)驗(yàn)所處的位置為某靶場(chǎng)內(nèi),該位置的磁場(chǎng)大小為5.42×10-5T。

表1 不同尺寸的薄膜磁傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比較

2 彈載測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是測(cè)試系統(tǒng)的核心,該系統(tǒng)是由薄膜式地磁傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、Flash存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、MSP430、電源管理模塊組成,通過USB通信接口電路連接計(jì)算機(jī),讀取數(shù)據(jù),得出轉(zhuǎn)速的曲線,如框圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1.1 放大電路設(shè)計(jì)

由于磁傳感器的輸出大約為30 mV,信號(hào)幅值較小,因此將輸出的信號(hào)經(jīng)過放大電路處理送入模數(shù)轉(zhuǎn)化器,通過設(shè)計(jì)采用INA128儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,VREF為偏置電壓,通過采用置位電路[8],如圖5所示,可以解決傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾,從而可快速恢復(fù)靈敏度,其輸入輸出關(guān)系如下

(2)

式中:Vin+、Vin-為地磁傳感器的差動(dòng)輸出;VREF為正偏置電壓;G為放大倍數(shù)。

圖5 放大電路原理圖

2.1.2 濾波電路設(shè)計(jì)

圖6 濾波電路原理圖

(3)

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中,選擇MSP430單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制,采用AD7862進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,AD7862是一個(gè)高速并行接口,單電源3.3 V供電。它包含兩個(gè)4 μs的延時(shí)ADC,兩個(gè)鎖存器,一個(gè)內(nèi)部為2.5 V參考電壓和一個(gè)高速并行輸出端口,并對(duì)模擬輸入有過電壓保護(hù)。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的數(shù)字電路和模擬電路都采用3.3 V鋰電池供電,電源管理芯片使用TI公司生產(chǎn)的LP5996。為降低功耗,系統(tǒng)采用LP5996分時(shí)/分區(qū)供電,如圖7所示。ON1和ON2分別為VDD、VEE的控制引腳,系統(tǒng)上電前,ON1處于高電平狀態(tài),VDD為控制電路模塊供電,ON2為低電平,模擬板、存儲(chǔ)器及模數(shù)轉(zhuǎn)化器不工作。當(dāng)系統(tǒng)上電后,ON2被拉高,VEE為模擬電路供電以及數(shù)字板中的部分電路供電,系統(tǒng)循環(huán)采集,在數(shù)據(jù)采集完后系統(tǒng)自動(dòng)將ON1管腳置低,系統(tǒng)再次進(jìn)入低功耗狀態(tài)[9],如圖7所示。

圖7 電源電路原理圖

3 中心點(diǎn)處求轉(zhuǎn)速法

轉(zhuǎn)速的求法是根據(jù)其特征值點(diǎn)的選取,一般測(cè)轉(zhuǎn)速的方法為基于零點(diǎn)的半周期求法[10],其特征點(diǎn)為零點(diǎn);另一種方法為基于極值點(diǎn)的半周期求法[10],其特征點(diǎn)包括波峰、波谷;轉(zhuǎn)速的測(cè)量是通過對(duì)彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期求倒數(shù)得到的,即

(4)

在本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理中,采用以波峰與波谷之間的中心點(diǎn)為特征點(diǎn),求得轉(zhuǎn)動(dòng)的周期,近似的認(rèn)為以5個(gè)波峰為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期,通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,可以有效減少誤差,更接近于理論值

(5)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

通過接口電路將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)選用的采樣頻率為25 kHz,采樣時(shí)間為38 ms,處理得出圖8所示的全彈道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線。

圖8 彈丸感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線

圖9 0～4 ms彈丸轉(zhuǎn)速曲線

由圖9所示,彈丸在0～0.01 s的時(shí)刻中會(huì)有短暫的振動(dòng),這是由于彈丸受到內(nèi)部磁場(chǎng)的干擾,振動(dòng)比較明顯,到0.01 s之后,彈丸出炮口,曲線逐漸下降,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值在下降,說明彈丸轉(zhuǎn)速在逐漸降低,將轉(zhuǎn)速局部曲線放大,如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速局部放大圖

通過對(duì)波峰處和中心點(diǎn)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,根據(jù)式(6),計(jì)算得到表2所示數(shù)據(jù),對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,并計(jì)算出相對(duì)誤差的大小,如表3所示,相對(duì)誤差1是根據(jù)波峰點(diǎn)的理論值與測(cè)得值計(jì)算得出;相對(duì)誤差2是中心點(diǎn)的理論值與測(cè)得值計(jì)算得出的。

表2 彈丸在1 s內(nèi)測(cè)得轉(zhuǎn)速值

表3 轉(zhuǎn)速值誤差分析比較

圖11 誤差曲線圖

根據(jù)上表所示,在波峰處轉(zhuǎn)速測(cè)得的值與理論值相差較大,如圖11所示,并且每個(gè)點(diǎn)之間的取值會(huì)稍有偏差,通過表3的對(duì)比,在中心點(diǎn)處測(cè)得的轉(zhuǎn)速值誤差較小,因此選用中心點(diǎn)處的求值方法更符合實(shí)際值。

將各個(gè)點(diǎn)處得到的轉(zhuǎn)速值的大小進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得出轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。根據(jù)轉(zhuǎn)速曲線可以清楚地看到,在0.02 s時(shí)轉(zhuǎn)速為最大值25 320 r/min,之后的轉(zhuǎn)速逐漸下降,直至落地,與實(shí)際測(cè)得的值吻合。

圖12 轉(zhuǎn)速曲線圖

5 總結(jié)

該測(cè)試裝置通過薄膜式地磁傳感器來感應(yīng)彈丸的轉(zhuǎn)速變化,提出了中心點(diǎn)處的求得轉(zhuǎn)速值的方法,實(shí)驗(yàn)表明,通過計(jì)算分析得出新的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法,與實(shí)際測(cè)得的值一致,是一種行之有效的方法,同時(shí)該裝置還可以測(cè)得章動(dòng)參數(shù)等。

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Research on a New Speed Measurement Based on Diaphragmatic Geomagnetic Sensors

REN Xianzhen,PEI Dongxing,SHEN Dawei

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Currently, rotational speed is commonly measured by radar and optical high-speed photography method, but their high cost and failure in real-time data display result in falling back on the method for rotational speed measurement. Therefore, internal measurement was designed to test projectile speed. Test devices are installed inside projectile, and rotational speed change could be reflected by induced electromotive force produced by diaphragmatic geomagnetic sensors cutting magnetic induction line, and a new method for processing speed was proposed, which was center point method. Through several experiments, feasibility of the system was verified. Compared with conventional method, the measured result was small in error with high precision, and this could be referred for future research on projectile nutation parameter.

diaphragmatic geomagnetic sensors; speed; center point method

2016-03-31

山西省回國留學(xué)人員重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2008003)資助

任先貞(1991-),女,山西陽泉人,碩士研究生,研究方向:智能儀器與動(dòng)態(tài)測(cè)試。

TJ410.6

A