存儲式彈丸破片速度測試裝置設計及應用

錢禮華，陳亞奇，申曉敏，朱軼龍，白　蕾

(中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 華陰　714200)

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存儲式彈丸破片速度測試裝置設計及應用

錢禮華，陳亞奇，申曉敏，朱軼龍，白蕾

(中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 華陰714200)

摘要：對目前常用的3種彈丸破片速度測試方法包括梳狀靶、斷靶和光電靶進行了比較分析，針對原有測試方法的缺陷和不足，研制了存儲式彈丸破片速度測試裝置，并對其設計方法及實際應用情況進行了分析。該測試方法提高了試驗的可靠性，減少了測試工作量，取得了較好的使用效果。

關鍵詞：彈丸破片；速度測試；存儲記錄

彈丸破片速度是考核彈丸殺傷能力與破片動能的主要依據。目前常用的彈丸破片速度測試方法主要有以下3種。第1種采用通靶(如梳狀靶)、信號調理器和數據采集系統組成；第2種采用斷靶(如網靶)和測時儀組成；第3種采用非接觸的光電靶和數據采集裝置等組成。

目前在30～155 mm彈丸和導彈戰斗部靜爆試驗中測試預制破片和自然破片速度測試采用通靶、信號調理器和數據采集系統的應用最為廣泛。通過靶場多次采用該類測試系統，其不足主要表現：

1) 梳狀靶、信號調理和數據采集系統間需要較長的信號電纜，現場電纜在爆炸和彈片集中區域防護困難；

2) 破片信號記錄采用數據采集系統，目前主要采用220 V 交流供電，還需要配置發電機和防護鋼殼掩體。試驗中還出現過因爆炸振動大發電機熄火引起掉電導致數據未記錄等問題。

針對以上不足，綜合考慮目前存儲技術發展，進行存儲式彈丸破片速度測試裝置設計。

1測試系統組成和工作原理

1.1系統主要技術指標

存儲式彈丸破片速度測試裝置主要技術指標如下：

1) 通道數：8

2) 時間分辨率：1 μs

3) 計時范圍： 2 s

4) 工作時間：不小于8 h

5) 供電方式：內部電源

6) 抗電磁干擾：2 000 V

1.2測試系統組成

存儲式彈丸破片速度測試裝置由梳狀靶(通靶)信號調理電路、數據存儲、USB數據接口和電源等部分組成，其原理框圖如圖1。

圖1　存儲測試裝置原理框圖

1.3工作原理

梳狀靶作為一種典型的通靶，采用印刷電路板工藝制作，通常為開路狀態(圖2)。破片速度試驗中，通常在距爆心6 m、8 m、10 m和12 m距離分別架設一塊梳狀靶，每路梳狀靶的信號通過信號線連接至靶附近的存儲式彈丸破片速度測試裝置的輸入端，同時在彈丸起爆位置布設斷靶線。彈丸起爆后，斷靶線斷開，存儲測試裝置接收到啟動信號開始記錄，金屬彈片穿過梳狀靶靶面時將其兩相鄰電極接通，此刻為短路狀態，裝置可以將8路信號分別調理成為從低到高的階躍電壓信號進入后續信號存儲電路進行記錄，可得到彈片起爆到經過各個架設點的時刻，通過時刻與距離計算出破片到靶面的平均速度，通過破片到達不同距離梳狀靶的速度可以推算出破片初始速度。

圖2　梳狀靶示意圖

電路由CPLD器件作為主控，其完成信號鎖存、時鐘分頻、數據存儲、數據輸出等一系列時序和信號控制[1-3]。

工作流程為：首先設定為采集狀態工作；接通內部電源，進行準備采集狀態，加電時進行上電復位，將內部計數器和地址發生器清零；彈丸爆炸后觸發電路開始進行數據記錄，此時存儲地址線按照采集時鐘進行推進，當地址達到預設值時，產生結束信號完成采集。試驗結束后采用計算機的USB接口進行數據讀取。

2系統設計

2.1梳狀靶信號調理電路設計

試驗中梳狀靶架設在爆心附近，戰斗部爆炸時會產生大量的“火花”，繼而產生的電磁信號會通過梳妝靶上的信號線進入測試裝置，引起強烈的電磁干擾，在數據采集時測試系統經常可以采集的大量干擾信號。如果不采取信號隔離，雜亂的干擾信號會影響有效信號的分析。因此在梳狀靶信號調理時需要進行信號隔離電路設計。

電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法等[4-5]。

本次設計采用簡單有效的光耦隔離方式，使信號輸入端與采集端兩部分電路之間沒有電的直接連接，使隔離兩端分別采用不同的接地點，切斷了“地”干擾的傳播途徑，使干擾信號無法進入后續電路，有效地抑制了尖脈沖和各種噪聲干擾。

如圖3所示，實際測試中通過信號電纜線將梳狀靶輸出端連接至S1的兩端，當彈片通過梳狀靶面時瞬間接通S1，光耦輸出從低至高的階躍電壓信號，這樣就將通靶(斷通信號)轉換為上升沿信號。

圖3　梳狀靶信號調理電路

2.2數據存儲電路設計

在數據采集存儲電路中,目前主要有FLASH、SRAM、SDRAM等存儲方案可供選擇。在本次設計中綜合考慮整體電路的體積、功耗、存儲速度和容量等因素，尤其考慮實際中的電路瞬間掉電等極端情況下數據存儲的可靠性，因此選取非易失芯片(NVRAM)，其在數據記錄后掉電數據不會丟失(理論保持20年)，就減小了因電源不穩定造成數據丟失的可能性。在設計中選取2MB存儲器HK1285。其為HongKong公司的2M×8位的NVSRAM，包括21位地址總線，8位數據線。電路圖4所示。

HK1285的寫模式時序如圖5所示。地址輸入穩定后，HK1285 在WE和CE信號處于激活(低電平)狀態為寫模式。最后出現的CE或WE下降沿將決定寫循環的開始，循環終止于CE或WE前邊的上升邊沿。在寫循環內所有地址輸入必須保持有效。在下一個循環能被初始化前，WE寫信號必須將高電平保持最少記錄時間(tSA)。寫循環期間OE控制信號應當保持失效(高電平)。避免總線沖突，如果輸出總線已經有效(CE和OE激活)，則寫信號可以在tPWE時序內從下降邊沿開始禁止輸出。

圖4　NVRAM　HK1285

圖5　HK1285寫模式時序

2.3狀態機設計

梳狀靶信號的采集和存儲控制主要有5個狀態，狀態機如圖6。首先是初始化狀態St0，分別設置內部寄存器和讀寫控制端，WE=‘1’、OE=‘1’；狀態St1時，對內部計數器和地址發生器進行自動復位， RD=‘1’、OE=‘1’、狀態指示的LED閃爍； St2為數據采集狀態，判斷觸發信號到來時，對數據進行鎖存，產生地址推進脈沖，RD=‘1’、OE=‘0’、狀態指示的LED常亮；St3為數據存儲狀態。St3時首先判斷地址狀態，如果未到上限則進行數據存儲，WE=‘0’、OE=‘1’、 狀態指示的LED常亮；St3完成后在St2和St3間循環，如果達到地址上限則進入St4，其為結束狀態，WE=‘1’、OE=‘1’、 狀態指示的LED熄滅。

圖6　采集存儲狀態機

2.4軟件設計

采集的梳狀靶數據每幀為8位數字量，每位表示一路梳狀靶的通和斷狀態，高電平表示接通狀態、低電平表示斷開狀態。數據處理時首先將要數據的8個位分離開，形成8個獨立的數據文件。分析時，根據判斷每路曲線的高低電平和對應時間關系，可得到彈片經過對應梳狀靶的時間序列。

3實驗室檢測

實驗室對存儲裝置進行檢測采用專用的時間序列發生器進行脈沖輸出，數據同時采用采樣率為10 Msps的數據采集系統檢測，其原理示意圖如圖7。檢測結果如表1所示。

通過檢測結果可看到，數據采集系統記錄時間和存儲裝置記錄時間差值均小于1 μs，其滿足設計需求。

圖7　檢測原理示意圖

通道號預置時間T0/μs存儲裝置記錄時間T1/μs數據采集系統記錄時間T2/μs差值T2-T1/μs1500005000050000.10.12100000100000100000.20.23200000200000200000.20.24400000400000400000.30.35500000500000500000.30.36600000600000600000.40.47800000800001800000.6-0.48100000010000011000000.7-0.3

4實際應用

通過在多次火箭橇試驗斷靶和靜爆試驗中應用，存儲式彈丸破片速度測試裝置的抗強電磁干擾能力、測試精度和可靠性均滿足實際測試需求。存儲式彈丸破片速度測試裝置實物如表8所示，試驗現場圖如圖9所示。

圖8　存儲式彈丸破片速度測試裝置

圖9　試驗現場場景

5結論

本研究采用信號調理電路和CPLD芯片，設計了存儲式彈丸破片速度測試裝置，通過實驗室檢測和實際應用，證明該裝置可以取代原有的大型數據采集系統加長信號線的測試方式。該測試裝置體積小，使用方便靈活，給測試帶來了較大便利。同時由于該裝置不需要長信號線，減小了信號干擾，提高了測試可靠性。

參考文獻：

[1]王芳.CPLD/FPGA技術應用[M].北京：電子工業出版社,2011.

[2]姜付鵬.電磁兼容的電路板設計[M].北京：機械工業出版社,2011.

[3]王海福.爆炸沖擊波存儲測試系統研究[D].北京：北京理工大學,2002.

[4]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.

[5]李楊，斬鴻,張志杰．CPLD在飛行體加速度測量中的應用[J]．儀器儀表學報,2006(S3):2400-2401.

(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：錢禮華，陳亞奇，申曉敏，等.存儲式彈丸破片速度測試裝置設計及應用[J].兵器裝備工程學報，2016(4):114-117.

Citation format:QIAN Li-hua，CHEN Ya-qi，SHEN Xiao-min，et al.Design and Application of the Storage-Type Speed Test Device for Fragment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):114-117.

Design and Application of the Storage-Type Speed Test Device for Fragment

QIAN Li-hua，CHEN Ya-qi，SHEN Xiao-min，ZHU Yi-long，BAI Lei

(Test and Measuring Academy of Norinco. Group，Huayin 714200, China)

Abstract:Three common fragment test methods，including comb target，broken target and photoelectric target during speed test for fragment， were compared and analyzed. We developed the storage-type speed test device for fragment aiming at defects and deficiencies of original test methods，as well as described its design method and actual application in details. Such test method improves test reliability，and reduces test quantity and obtains better use effect.

Key words：projectile fragment; speed test; storage record

文章編號：1006-0707(2016)04-0114-04

中圖分類號：TJ011.+2

文獻標識碼：A