電磁軌道炮膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)研究

摘 要：為了提高電磁軌道炮的使用壽命和發(fā)射精度，文章通過(guò)研制膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量裝置，利用磁探針和電壓傳感器對(duì)膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，所得到的結(jié)論為研究電樞膛內(nèi)加速過(guò)程、接觸狀態(tài)及轉(zhuǎn)捩時(shí)刻等具有很強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軌道炮；磁探針；炮口電壓

1 概述

在電磁發(fā)射過(guò)程中，大電流通過(guò)導(dǎo)軌和電樞的接觸面時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使金屬電樞發(fā)熱至熔化甚至氣化，帶來(lái)的物質(zhì)損失會(huì)導(dǎo)致接觸面喪失從而轉(zhuǎn)捩為電弧接觸，嚴(yán)重影響重復(fù)穩(wěn)定發(fā)射和炮膛的使用壽命。電磁軌道炮膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量膛內(nèi)電樞運(yùn)動(dòng)速度及炮口電壓等參數(shù)，考察膛內(nèi)加速過(guò)程和電樞-軌道接觸情況。

2 系統(tǒng)組成及功能

膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量裝置由磁探針、電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊三部分構(gòu)成。如圖1所示。將磁探針沿發(fā)射器軌道的軸線方向布置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁信號(hào)的檢測(cè)，得到電樞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而電磁軌道炮的炮口電壓在一定程度上可以反映出電樞與軌道間的接觸情況。

圖1 膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

各部分功能分別描述如下：

（1）磁探針：放置于發(fā)射器預(yù)留位置，當(dāng)電樞到達(dá)線圈所在位置時(shí)，線圈上感生的電壓信號(hào)通過(guò)屏蔽線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊；（2）電壓傳感器：放置于發(fā)射器炮口位置，與兩根內(nèi)軌相連，當(dāng)電樞出膛時(shí)，將發(fā)射器軌道上的高壓轉(zhuǎn)換為低壓并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊；（3）數(shù)據(jù)采集模塊：具有上位機(jī)通信、觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集等功能，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，接收來(lái)自電壓傳感器和磁探針的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

3 磁探針

磁探針又叫做磁場(chǎng)探測(cè)器，它是一個(gè)很小的導(dǎo)體環(huán)形圈，由于被測(cè)磁場(chǎng)變化，該線圈內(nèi)的磁通會(huì)產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即該感應(yīng)電壓與通過(guò)線圈的磁通變化率成正比。

磁探針根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理工作，磁場(chǎng)隨電樞運(yùn)動(dòng)而向前擴(kuò)展，變化的磁場(chǎng)在磁探針中感應(yīng)出變化信號(hào)[1-2]，因而磁探針信號(hào)的變化特征能夠反映出電樞的位置，這種性質(zhì)可表達(dá)為：

磁探針由線圈和套管兩部分組成，探針長(zhǎng)度可根據(jù)發(fā)射器進(jìn)行調(diào)整，原則上盡可能接近發(fā)射器中心位置，探針插入發(fā)射器所預(yù)留的測(cè)量孔內(nèi)，其底座部分通過(guò)連接器與發(fā)射器固聯(lián)，避免發(fā)射器沖擊振動(dòng)對(duì)設(shè)備造成影響。

磁探針線圈信號(hào)線連接回路暴露在變化的磁場(chǎng)中，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成誤差，會(huì)影響探針波形。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將漆包線互相交叉制作成雙絞線形式，連接過(guò)程中盡量減少信號(hào)線環(huán)路。磁探針線圈信號(hào)線以雙絞線的方式引入骨架內(nèi)孔，并經(jīng)由套管內(nèi)的細(xì)孔與連接器的接線端子焊接，線圈骨架及套管采用絕緣性能良好的四氟材料。

4 電壓傳感器

炮口電壓是指軌道炮炮口處導(dǎo)軌之間的電壓，它可以清楚的反映出特定條件下電樞轉(zhuǎn)捩的開(kāi)始時(shí)刻，其幅值的變化能夠反應(yīng)出電樞與導(dǎo)軌之間從固體滑動(dòng)接觸到等離子體電弧接觸的轉(zhuǎn)變過(guò)程[3-5]。炮口電壓測(cè)量裝置能夠?qū)ε诳诘拇郎y(cè)高電壓信號(hào)進(jìn)行分壓，將其轉(zhuǎn)化為與膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量裝置匹配的電壓信號(hào)。

電壓傳感器按照測(cè)量原理分為電阻分壓器、電容分壓器、電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器和霍爾電壓傳感器等[6]。本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電壓傳感器的要求為精度高、可靠性高、體積小、易安裝。綜合考慮各因素，選擇電阻分壓器作為電壓傳感器。如圖5所示，電阻分壓器主要由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2兩部分組成，其中，U1端連接發(fā)射器軌道，U2端連接數(shù)據(jù)采集模塊。

圖5 理想的電阻分壓器原理圖

理想狀況下低壓臂輸出電壓U2為：

5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，磁探針及電壓傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)調(diào)理電路的處理后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片，信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配及信號(hào)的雜散高頻信號(hào)的濾波，信號(hào)的放大以及幅值的限幅。16位高精度高速AD轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，通過(guò)大容量FIFO對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，數(shù)字信號(hào)控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)算法計(jì)算出電樞運(yùn)行速度并輸出炮口電壓曲線。RS485接口電路實(shí)現(xiàn)與總控分系統(tǒng)的通信。電源管理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部分的供電。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

6 測(cè)量結(jié)果

利用膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量裝置對(duì)長(zhǎng)度為1.5m、電樞質(zhì)量為6g的串聯(lián)增強(qiáng)型發(fā)射器進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)中充電電壓為2200V，對(duì)強(qiáng)電和弱電之間的聯(lián)系，采用光電隔離方式將試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)控設(shè)備隔開(kāi)，防止陰極電位浮動(dòng)帶來(lái)的地電位抬高對(duì)弱電測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，確保弱電控制系統(tǒng)的可靠工作及人員安全。

磁探針測(cè)得的結(jié)果如圖7所示。

電樞經(jīng)過(guò)三個(gè)探針時(shí)，軌道電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈內(nèi)部分別產(chǎn)生曲線的峰值點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析處理，得到三組速度值分別為1658m/s和1662m/s，可以看出電樞在膛內(nèi)依然處于加速階段。

炮口電壓曲線如圖8所示。

在放電時(shí)刻的起始位置，炮口電壓存在一個(gè)反向峰值。這是由于串聯(lián)增強(qiáng)發(fā)射器外軌所包圍的面積從放電的起始時(shí)刻開(kāi)始就產(chǎn)生了磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)交鏈于電樞與內(nèi)軌構(gòu)成的開(kāi)放環(huán)。當(dāng)放電電流突然增大時(shí)，在該環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，來(lái)反抗原來(lái)交鏈線圈磁通的增加，故表現(xiàn)為炮口電壓信號(hào)的反向峰值。

在負(fù)向波形過(guò)后，炮口電壓波形平緩且幅值較低，說(shuō)明電樞在膛內(nèi)加速時(shí)，電樞與軌道間保持了比較穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)捩過(guò)程。當(dāng)電樞出膛時(shí)，由于炮口電弧的生成，電壓突變，因此，可以從炮口電壓波形中判讀彈樞出炮口的時(shí)刻。

7 結(jié)束語(yǔ)

文章研制了用于電磁軌道炮的膛內(nèi)狀態(tài)測(cè)量裝置，利用磁探針和電壓傳感器對(duì)膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，研究結(jié)果表明：利用磁探針可以有效捕捉電樞在膛內(nèi)的加速過(guò)程，而膛口電壓則能夠?qū)﹄姌信c軌道的接觸狀態(tài)、轉(zhuǎn)捩時(shí)刻、出膛時(shí)刻等進(jìn)行判斷。

參考文獻(xiàn)

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