引信膛內三軸加速度測試

邊玉亮，嚴曉龍，王 康，沈大偉

（1.阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041；2.中海油能源發展股份有限公司山西分公司，山西 晉中 030600；3.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

引信膛內三軸加速度測試

邊玉亮1，嚴曉龍1，王 康2，沈大偉3

（1.阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041；2.中海油能源發展股份有限公司山西分公司，山西 晉中 030600；3.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

引信作為炮彈最關鍵的組成部分，由于膛內的惡劣環境影響，引信所受到的超高加速度對引信的可靠性至關重要。本文設計了一種基于彈載測試技術的微型三軸加速度測試系統。該微型測試系統替代原先引信的位置，同時將高g值三軸加速度傳感安裝在引信最薄弱的地方。MSP430F149單片機作為系統的主控制器，通過對三軸加速度在膛內整個過程的輸出的信號進行采集、存儲，從而獲得引信在內彈道所受到的加速度值。本設計系統對彈丸、火炮以及引信的設計和研究具有十分重要的參考價值。

引信；彈載測試技術；MSP430F149；三軸加速度傳感器

炮彈的引信裝置作為炮彈引爆最重要的部件之一，在炮彈的發射過程中，隨著彈丸一起在膛內劇烈運動。在此期間，引信不僅承受著炮膛膛壓引起的軸向沖擊力，還要時刻承受著炮管由于自身劇烈振動而引起的橫向沖擊載荷的影響。炮彈發射過程中在膛內所受到的外界影響十分復雜，在很大程度上影響著引信機構的安全性和可靠性[1-4]。由于引信自身結構原理的限制，使得膛內超高的膛壓和炮管振動的作用成為影響引信能否正常工作的關鍵因素。彈丸發射過程中在膛內所承受到的完整加速度信號的獲取一直是彈丸全彈道參數獲取的難點課題。傳統的膛內加速度測試方法采用硬線連接的方式將采集信號進行實時傳輸[5]，這種方法由于需要引出導線傳輸信號，因此發射過程中的帶電氣體和干擾信號會在很大程度影響數據采集的準確性。該方法具有數據捕獲率低，可靠性不高等缺點。

本設計系統采用美國德州儀器公司的MSP430F149超低功耗單片機作為測試系統的主控制器，為測試系統提供所有的控制信號。為了實際測試引信所受到的加速度值，因此將高g值三軸加速度傳感器安裝在引信機構中最薄弱的部位。系統選用非易失的Nand-flash存儲器作為測試數據存儲芯片，防止系統掉電時數據丟失。為了適應嚴格的測試環境，系統采用模塊化的思想，減小測試系統體積的同時保證系統的可靠性，成功的獲取了彈丸引信在膛內的三軸加速度數據。

1 彈載測試系統總體方案設計

彈載測試系統是依據存儲測試技術設計的一種彈上測試系統[6]。該系統是為了各種彈丸或引信進行全彈道飛行參數獲取而專門制作的數據采集系統[7]。彈載測試系統通常被安裝在引信或者彈丸內部最薄弱的位置，測試使用的傳感器被單獨取出通過剛性鏈接固定在特定位置，承受該位置正常狀態下所受到的環境力，并實時的將所采集到的數據記錄并保存到測試系統的存儲單元中。由于測試儀是由電子電路構成的，因此該測試系統還要進行特殊的抗高沖擊設計以保證測試系統不會在工作過程中發生損壞[8]。

1.1 彈載測試系統結構

彈載測試系統主要用來實時測試被測參量，并且將所測得的實驗數據進行實時記錄保存。由于儀器安裝在彈丸上與彈丸一起飛行。因此，測試結束后需要對測試裝置進行回收處理。采用自制的數據通信接口，使用專門的上位機讀取軟件將存儲單元中的數據讀取出來，再經過程序轉換處理，將采集到的三軸加速度數據信號保存到計算機中[9]。

本文設計的測試系統由高g值三軸加速度傳感器、電路調理模塊、接口電路、緩沖材料和專用高強度外殼組成[10]。其中高g值三軸加速度傳感器是經過高精度傳感器校準、標定之后，安裝在引信部位。高強度外殼是使用特制材料加工而成，一方面起到保護測試電路不被破壞和屏蔽外界干擾信號的作用，另一方面是防止測試系統與彈體之間發生相對運動從而破壞測試系統。由于測試系統被安裝在彈丸內部，采用專用鋰電池供電無外部引出線，系統功耗是設計測試系統首要考慮的事情。因此系統采用超低功耗的MSP430F149微控制器作為整個測試系統的核心控制器，該控制器主要起到控制數據采集的采樣策略、控制數據存儲以及與上位機進行數據通信等作用。傳感器輸出信號的適配電路起對傳感器輸出信號的調理、放大等作用，使信號與A/D轉換電路匹配。A/D轉換電路包括高速模數轉換器、三軸加速度傳感器輸出信號通道選擇和應答信號。Flash存儲器作為系統的數據記錄載體，將測試數據完整的保存下來。為了提高系統存儲速度，Flash存儲器采用多片流水線操作模式，由單片機提供不同時刻的選通信號。上位機接口電路用于MSP430F149單片機與計算機通信，彈丸回收后，將數據通過接口電路發送到計算機中。測試系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 測試儀結構原理框圖

1.2 MSP430軟件設計

火炮發射實驗屬于危險的大型實驗，實際測試實驗之前，實驗準備和協調過程十分復雜。為了完成實驗，炮彈在發射數小時甚至數天之前，測試裝置就要提前安裝到指定位置。但是由于測試環境對測試系統體積和功耗的要求，也同時限制了測試系統的內存大小，所以本系統采用負延時采樣策略。在單片機中預設加速度比較閾值，三軸加速度在炮彈發射時軸向加速度輸出信號與此閾值比較作為觸發條件，直到炮彈發射達到觸發條件時，才會進入正式采樣階段，并且保存觸發之前的數據，保存數據的大小可以通過軟件程序進行調整。

本系統采用超低功耗MSP430F149單片機作為系統的主控制器，主要作用是提供A/D轉換電路的三個通道選通信號、NAND Flash的指令控制信號和地址信號以及與上位機進行并行通信。該單片機的主程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

數據采集和存儲在上電開始后直接進行，首先進入循環存儲階段，由單片機預先設置此階段數據存儲的容量大小。觸發后進入預設循環采樣以外的地址進行存儲并保存觸發時存儲地址。數據讀出通過上位機發出讀數指令觸發單片機的中斷進行，上位機根據讀出數據和保存的觸發地址值進行數據的重新組合、顯示。Flash儲存器擦除操作采用整片擦除，擦除指令也是由上位機發出，采用外部中斷觸發單片機進行擦除操作。

1.3 抗高過載設計

為了真實的測得引信處的三軸加速度數據，彈載測試系統要被安放到彈丸引信的對應位置處。為了保證測試系統在整個測試過程不被破壞，并且準確的獲取加速度信號，因此將彈載測試系統分為傳感器模塊和測試電路模塊分別進行抗沖擊處理。

測試系統將高g值加速度傳感器與測試電路做成兩個相互獨立的模塊，分別使用高強度環氧樹脂進行灌封。高g值加速度傳感器是獲取加速度信號的最關鍵部件，必須能夠準確的感知到引信所受到的加速度作用，為了盡可能的減少由于過多的機械結構連接引入系統高頻的干擾信號，使用真空灌封的方式將加速度傳感器與彈丸十分緊固的結合在一起。而將測試電路用高性能的緩沖橡膠包裹起來，起到明顯的緩沖效果。

最后，在實驗室內通過高精度的沖擊試驗臺對測試電路和加速度傳感器分別進行配對校準和標定。實際進行測試實驗時，將測試電路與標定后的加速度傳感器進行配對使用。測試系統結構原理圖如圖3所示。

圖3 測試電路結構原理圖

2 實際測試過程

將三軸加速度傳感器安裝到引信部位，用高強度高硬度環氧樹脂進行真空灌封。實際測試時打開測試系統的操作面板，將電路與專用電源對接在一起，啟動測試，使測試系統進入循環采樣待觸發狀態。然后，將測試系統連同引信外殼，安裝到彈丸頂部固定，隨彈丸發射。測試系統記錄能夠記錄膛內整個過程的加速度值，每個通道采樣頻率能夠達到100 kHz。對彈丸回收后，單片機通過通信接口將采集到的數據發送到計算機中。

3 實測數據分析

根據在靶場實彈測試結果，實際所測得的三軸加速度數據如下圖所示。圖4(a)是加速度傳感器測得的引信部位軸向加速度信號，圖4(b)和圖4(c)分別是彈丸引信部位兩個相互垂直的徑向加速度信號。對彈丸軸向加速度數據進行積分后可以得到彈丸速度變化時間曲線如圖5所示。出炮口時，彈丸速度最大達到739.5 m/s，與靶場通過雷達測速得到的742.1 m/s十分吻合，說明實驗測試數據的可靠性。

由圖中可以看到，彈丸膛內軸向過載達到了11 500 g左右，對兩個徑向加速度進行合成后得到徑向加速度達到9 000 g，整個膛內過程大概持續了16 ms。曲線上兩端出現信號劇烈震蕩的地方，信號前端出現較大振動的原因是由于旋轉彈的彈帶部位被擠入炮膛的膛線中時所產生的諧振信號。后端產生更大的振動則是由于彈丸被膛內高壓氣體推出炮口時，彈丸進入后效期階段，加速度慢慢降低，轉速增大到最大值，空氣阻力變大。雖然還是處于加速階段，但由于膛內壓力急劇降低使得彈丸推力降低，同時彈丸失去了炮膛的徑向約束，再加上高速旋轉彈丸自身的章動和進動運動造成的。由圖4(a)可知，軸向振蕩的正向峰值達到了17 000 g，負向峰值達到了19 000 g，比膛內加速度要大得多。因此炮口處的惡劣環境對引信的破壞更加嚴重，對引信的要求更加嚴格。

圖4 加速度實驗曲線

圖5 膛內彈丸速度變化曲線

4 總結

通過實際測試數據可知，彈丸在整個膛內過程對引信的沖擊和過載主要有三個地方。一是彈丸彈帶擠入膛線時，軸向和徑向的高頻振蕩；二是彈丸發射后7 ms時，軸向過載達到最大值11 500 g；三是彈丸出炮口時，振蕩幅值軸向達到了17 000 g和19 000 g，徑向達到了9 000 g。因此，在彈丸引信設計時，應當主要考慮以上分析的三個時間點，而且出炮口時的惡劣環境對引信的可靠性能影響最大。

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Fuze triaxial acceleration test in the bore

BIAN Yu-liang1,YAN Xiao-long1,WANG Kang2,SHEN Da-wei3
(1.College of Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236041,China;2.CNOOC Energy Technology&Services Limited Shanxi Branch,Jinzhong Shanxi030600,China;3.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi030051,China)

As the most important component of a projectile,fuze has a very high acceleration due to its harsh environment,which is very important to the reliability of the fuze.In this paper,a miniature three axis acceleration testing system based on missile borne test technology is designed.The micro test system replaces the position of the original fuse,and at the same time,three axis acceleration sensor with a high g value is installed at the weakest point of the fuze.MSP430F149 microcontroller as the main controller of the system,through three axis acceleration in the bore of the entire process of the output signal acquisition and storage,so as to obtain the internal ballistic trajectory of the acceleration.This design system possesses very important reference value to the design and research of the projectile,artillery and fuze.

fuze;missile test technology;MSP430F149;three axis acceleration sensor

TJ43

A

1004-4329（2017）03-040-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）03-040-04

2017-06-02

安徽高校自然科學研究項目（KJ2017A838，KJ2012B138）資助。

邊玉亮（1990- ），男，碩士，助教，研究方向：嵌入式系統開發與智能儀器設計。