轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的沖擊校準(zhǔn)法*

李志敏，張瑜，范錦彪，王惠源

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051）

轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的沖擊校準(zhǔn)法*

李志敏1，張瑜1，范錦彪1，王惠源2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051）

針對轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)在承受高g值沖擊后靈敏度方面會發(fā)生一定改變的問題，提出了一種基于Hop?kinson桿和激光多普勒干涉儀的沖擊校準(zhǔn)方法。該方法利用Hopkinson桿對測試系統(tǒng)進(jìn)行加速度信號加載，采用激光多普勒干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)系統(tǒng)對沖擊加速度的絕對復(fù)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種校準(zhǔn)方法可以很好地完成轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)，相對誤差滿足測試靈敏度要求。

高g值沖擊；沖擊校準(zhǔn)法；加速度；Hopkinson桿；激光多普勒干涉儀

隨著飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈速度的提高，作為近程低空、超低空反導(dǎo)的高射速轉(zhuǎn)管武器，除了與近程導(dǎo)彈配合使用外，還可以單獨(dú)執(zhí)行防空任務(wù)，為小規(guī)模作戰(zhàn)單位提供掩護(hù)和防空火力支持，發(fā)展高射速武器是近距離末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的一個(gè)基本要求［1］。轉(zhuǎn)管武器工作機(jī)心加速度和供輸彈過程加速度對其工作可靠性有著至關(guān)重要的作用。

由本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)多次完成了對XX口徑轉(zhuǎn)管機(jī)槍機(jī)心運(yùn)轉(zhuǎn)及彈體供輸彈過程加速度參數(shù)的測試，測試儀正常工作并記錄不同射速下的加速度數(shù)據(jù)［2］。雖然經(jīng)過分析推算證實(shí)了該測試方法可行，測試數(shù)據(jù)真實(shí)，但由于轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)部的加速度傳感器在承受大量過載后在靈敏度方面發(fā)生改變，這就要求測試前必須對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的可靠性。

本文針對轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)在測試中存在靈敏度改變的問題，提出了基于Hopkinson桿和激光多普勒干涉儀的校準(zhǔn)方法［3］，并進(jìn)行了多次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1　轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)

根據(jù)轉(zhuǎn)管武器中凸輪曲線運(yùn)動特點(diǎn)及傳統(tǒng)測試系統(tǒng)安裝布線困難等問題，機(jī)心運(yùn)動及供輸彈過程的加速度測試采用放入式存儲測試。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測試系統(tǒng)的前端為敏感單元—EGAXT3型壓阻式三軸加速度傳感器，有加速度激勵(lì)作用于傳感器敏感面時(shí)，其內(nèi)部的惠斯通電橋失去平衡，產(chǎn)生差動電壓信號。系統(tǒng)對輸出信號進(jìn)行硬件濾波和放大調(diào)理，經(jīng)控制模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)內(nèi)部FLASH存儲。測試結(jié)束，計(jì)算機(jī)通過紅外通信接口直接對轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，讀數(shù)軟件可顯示該加速度信號全過程波形及峰值。

圖1　測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2　轉(zhuǎn)管武器加速度測試系統(tǒng)校準(zhǔn)方案

本文針對這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)狹小、空間密閉的高g值加速度測試系統(tǒng)，提出校準(zhǔn)的總體方案為采用基于Hopkinson桿以及差動式激光多普勒干涉儀的沖擊校準(zhǔn)法。加速度的沖擊校準(zhǔn)方法是直接借助計(jì)量學(xué)的基本量和單位（時(shí)間和長度）復(fù)現(xiàn)加速度量值和單位的方法。

2.1校準(zhǔn)設(shè)備

基于Hopkinson桿和激光多普勒干涉儀的校準(zhǔn)原理如圖2所示。

圖2　基于Hopkinson桿校準(zhǔn)原理圖

利用壓縮空氣驅(qū)動前端具有一定錐度形狀的子彈在預(yù)設(shè)軌道內(nèi)做高速運(yùn)動，撞擊貼合在Hop?kinson桿一端的鋁片，產(chǎn)生壓縮波，該壓縮波沿桿傳播至裝有加速度傳感器的另一端。在理想情況下，Hopkinson桿為等截面的均勻桿（實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程選取桿的長徑比要盡量大），在滿足彈性理論的條件下，桿在沖擊波作用下變形時(shí)橫截面仍保持為平面，界面上的軸向應(yīng)力均勻分布［4-5］。

為了測量彈丸和被撞體碰撞過程中被撞體的加速度—時(shí)間曲線，利用激光干涉儀測量撞擊全過程的速度。由于流場對于激光測量沒有干擾，激光測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度、壓力沒有關(guān)系，多普勒激光干涉儀是目前世界上速度測量精度最高的儀器，從而實(shí)現(xiàn)加速度參量的溯源性校準(zhǔn)。

2.2校準(zhǔn)原理

使用激光多普勒干涉儀進(jìn)行加速度校準(zhǔn)的裝置都需要對多普勒信號頻移精確解調(diào)，它的成敗與否，從根本上影響校準(zhǔn)方法本身的效果，本文采用數(shù)字化解調(diào)解決此問題。

2.2.1激光多普勒效應(yīng)

根據(jù)激光多普勒效應(yīng)，多普勒頻移和被測物體運(yùn)動速度之間存在如下正比例關(guān)系［6-7］：

式中：Δf（t）為多普勒頻移；λ為激光波長；θ為衍射角；v（t）為被測體運(yùn)動速度。

另外，根據(jù)光柵衍射原理，衍射角與衍射級數(shù)有如下關(guān)系：

式中：D為光柵常數(shù)；k、l為衍射級數(shù)。

結(jié)合式（1）、式（2）得v（t）與多普勒瞬時(shí)頻率Δf（t）的關(guān)系：

只要獲得多普勒瞬時(shí)頻率Δf（t），即可確定Hopkinson桿內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度v（t），對其進(jìn)行微分運(yùn)算，得到?jīng)_擊加速度：

2.2.2瞬時(shí)相位法

本文采用瞬時(shí)相位法實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)頻率Δf（t）的提取，利用Hilbert變換對多普勒信號xr（t）進(jìn)行解析，解析信號xc（t）=xr（t）+jxi（t），其中實(shí)部xr（t）為多普勒信號，虛部xi（t）為多普勒信號的Hilbert變換［8-10］。信號經(jīng)Hilbert變換后，在頻域各頻率分量的幅度保持不變，但相位將出現(xiàn)90°相移，即對正頻率滯后π/2，對負(fù)頻率導(dǎo)前π/2。解析信號xc（t）的瞬時(shí)相位：

瞬時(shí)相位φ（t）對時(shí)間求導(dǎo)即為多普勒瞬時(shí)頻率：

結(jié)合上式（4）有：

3　校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程空氣炮沖擊的時(shí)間為μs級過程，校準(zhǔn)系統(tǒng)及被校測試系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)高頻采樣。光柵因Hopkinson桿響應(yīng)沖擊發(fā)生的位移經(jīng)激光干涉儀產(chǎn)生多普勒信號，其頻移如式（1）所示，讀取波形記錄儀記錄的激光干涉波形如圖3所示。

圖3　Hopkinson桿沖擊過程多普勒干涉波形

其中，安捷倫示波器采樣頻率設(shè)置為100 MHz，縱坐標(biāo)為采集的電壓量，橫坐標(biāo)為相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。分析上圖可知：多普勒信號出現(xiàn)了零線漂移、電荷干擾和幅值減小的現(xiàn)象。

電荷干擾僅在沖擊信號到達(dá)前出現(xiàn)兩次，可以忽略其影響；對該多普勒信號高通濾波，信號零線漂移現(xiàn)象消除的效果并不明顯，因此，濾波的同時(shí)對其分段采用最小二乘法，每1 000點(diǎn)位一段擬合對應(yīng)的三次多項(xiàng)式；根據(jù)Hilbert轉(zhuǎn)換解析信號在分析信號瞬時(shí)特性上的優(yōu)勢，對多普勒信號進(jìn)行歸一化處理［11］，如下式：

對該多普勒信號消除零線漂移和幅值減小的影響后，進(jìn)行頻率解調(diào)后，根據(jù)式（7）可獲得作用于加速度傳感器上校準(zhǔn)系統(tǒng)加速度曲線，將激光干涉儀的Δf（t）、λ、θ參數(shù)代入可得加速度值為4267.8 gn，持續(xù)時(shí)間約為184 μs。圖4為沖擊過程解調(diào)后的加速度波形曲線。

圖4　解調(diào)后沖擊過程加速度波形

圖5為轉(zhuǎn)管武器加速度測試系統(tǒng)測得沖擊加速度—時(shí)間曲線，分析得出加速度在2 ms處出現(xiàn)峰值，峰值加速度為4417.8 gn。

圖5　轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)測得加速度曲線

對比圖4、圖5可以看出，校準(zhǔn)系統(tǒng)與被校加速度系統(tǒng)均完成對Hopkinson桿內(nèi)沖擊波的記錄，且二者測得加速度值相差150 gn，計(jì)算誤差值為3.51%，滿足系統(tǒng)對測試靈敏度誤差為5%的要求。對該測試系統(tǒng)進(jìn)行了6次循環(huán)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1　校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6組校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)分別在不同量值的沖擊下進(jìn)行，結(jié)果都滿足測試允許的誤差量5%的要求，故靈敏度可信［12］。

4　結(jié)論

本文提出了轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的一次沖擊校準(zhǔn)方法，該方法利用Hopkinson桿對測試系統(tǒng)進(jìn)行加速度信號加載，解決了被高g值加速度信號實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的模擬問題，采用激光多普勒干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)系統(tǒng)對沖擊加速度的絕對復(fù)現(xiàn)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用Hopkinson桿和激光多普勒干涉儀組成的加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)可以完成轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)，峰值加速度相對誤差滿足測試系統(tǒng)的靈敏度5%要求，多次實(shí)驗(yàn)表明了被校加速度測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠度很高。該校準(zhǔn)方法穩(wěn)定可靠，還可以推廣應(yīng)用于其他惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)校準(zhǔn)測試，有廣闊的應(yīng)用前景。

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李志敏（1991-），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閯討B(tài)測試與智能儀器，15135165374@ 163.com；

張瑜（1979-），女，遼寧莊河人，中北大學(xué)副教授，主要從事動態(tài)測試?yán)碚撆c技術(shù)的研究。

The Primary Shock Calibration of Acceleration Parameters Test System of Gatling Gun*

LI Zhimin1，ZHANG Yu1，F(xiàn)AN Jinbiao1，WANG Huiyuan2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Mechanical and Electrical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the sensitivity of the acceleration parameters test system of Gatling Gun may change under a high-g shock，the method shock calibration based on Hopkinson bar and LDDM wsa put forward.A Hopkinson bar was used to load the accleration of system，and the LDDM for calibration to achieve the impact acceleration ab?solute reproducibility.The results showed that this method of calibration can be well done on the acceleration pa?rameters test system of Gatling Gun，and the relative error satisfied the test sensitivity requirements.

high-g shock；shock calibration；acceleration；Hopkinson bar；LDDM

TN06

A

1005-9490（2016）02-0379-04

EEACC：7210B；7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.027

項(xiàng)目來源：2013年山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目（20133104）；中北大學(xué)第十一屆研究生科技基金項(xiàng)目（20141153，20141155）

2015-07-10修改日期：2015-08-05