基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統

嚴 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學研究所)

基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統

嚴 蕊 張 婷 劉志偉 陳 曼 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學研究所)

針對傳統發射藥藥型尺寸測量儀存在的問題，研制了一套基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統。給出系統的總體結構與工作原理。采用2/1樟標準藥對系統測量結果進行了驗證，利用兩種藥型發射藥產品對測量系統和傳統尺寸測量儀的測量結果進行了對比試驗，結果表明：系統測量結果與標準藥的總體平均值無顯著差異，測量系統分辨率達到1μm，量程達到0.02～100mm。

發射藥藥型尺寸測量系統 光柵尺 孔徑 弧厚

隨著火炸藥技術的發展，新型發射藥的配方和工藝技術不斷進步。藥型尺寸作為影響火藥彈道性能的重要因素，一直是各種新型藥劑必須控制的指標之一。為了適應不同武器發射對彈丸形狀尺寸的要求，發射藥被制成球狀、片狀、帶狀、環狀、粒狀、管狀及梅花形等；從內孔數來看，有無孔、單孔和多孔之分。發射藥藥型尺寸的測定包括長度、寬度、弧厚、孔徑及外徑等指標。常規測量(長度測量)采用直尺、游標卡尺及百分表等工具測試，人員目測讀數并記錄[1]。除去由手工測量帶來的偶然誤差，對于非剛性的發射藥樣品，利用游標卡尺等接觸測量工具測量時，測量結果受測量工具力度的影響較大。采用藥型尺寸測量儀進行測量時，將樣品置于可調節方位的載物臺上，在高倍顯微鏡下通過目鏡十字形基線確定樣品位置，通過電子按鈕進行測量，計算機負責完成數據的儲存、處理和輸出。這種非接觸式測量儀能夠客觀、快速、準確地完成測量。

然而，現役發射藥藥型尺寸測量儀器大多存在一些不足，主要包括：建立在電子表格基礎上的數據處理系統功能不夠，數據處理繁瑣；數碼千分尺較短，單批測量藥型數量有限，不能滿足大藥量測試需要；電腦拍照圖形失真，人工修復工作量大，增加了測試的偶然誤差[2,3]。為此，筆者利用光柵測量技術開發了一套藥型尺寸測量系統，以擴大藥型測試量程，提高測量精度，并通過光柵尺完成量值溯源[4,5]。

1 發射藥藥型尺寸測量系統

發射藥藥型尺寸測量系統(圖1)分為光學系統、數據采集傳輸系統和測試控制系統3部分。系統采用特有的光柵尺測量技術，實現精密測量和量值溯源，結合光學系統，設計專用軟件，完成藥型尺寸測量系統的自動控制、圖像采集、數據傳輸和結果處理輸出功能，降低由標準藥間接溯源帶來的誤差。

圖1 發射藥藥型尺寸測量系統結構示意圖

1.1 光學系統

光學系統包括一套高精度的顯微鏡系統和一套光柵尺測量系統。通過目鏡與物鏡的合理匹配，使顯微鏡系統的總放大倍數最高可達100。其中，物鏡可以選擇2.5倍、10倍兩種范圍，目鏡可選10倍。

光柵尺測量系統利用精密光柵定量測量，和原普通標尺測試系統相比，其精度較高。考慮到光柵標尺移動回位“死位移”值，設計時需預先確定并輸入校正值，降低測試誤差。光柵尺測量系統避免了原系統需要通過標準藥校正溯源的缺點，直接向最高標準溯源，因此其測量量程擴大到0.02～100mm，測試精度提高約10倍。

1.2 數據采集傳輸系統

數據采集傳輸系統采用組態王軟件進行上層軟件界面的組態設計，將不同規格發射藥測試方法和基礎數據預先內置。系統能在Windows XP操作環境下運行，窗口操作界面，包括數據存儲和處理系統，滿足大量數據存儲和測試報告按自主設定格式輸出的要求。軟件主要功能有：

a. 用戶登錄。設定密碼進入用戶界面。

b. 藥型選擇。根據測試藥型，在預設軟件庫中選擇合適的測試藥型。

c. 藥型批次。輸入測量批次，并可加注標記，實現數據分類管理。

d. 藥型測量。進入測量界面，在預設軟件庫中先選擇測量藥型，再設置測量方法(如“一條線法”、“三條線法”等)，然后選擇需要測量的藥型長度、弧厚、孔徑及外徑等指標，完成選擇后，讀取光柵尺初始數據開始測量。

e. 數據存儲處理。共有256個批次數據存儲，可自動完成最大值、最小值、平均值的計算，并進行測量誤差和不確定度評定。

f. 用戶配置。可進行多組用戶定義管理，通過用戶優先級的設置，限制數據查詢權限。

采用先進的數字信號系統代替原拍照系統，避免了因成像系統圖形失真和人工修復而帶來的測試誤差，使測試精度提高到不大于0.01mm。利用CPS-GA數據采集模塊，將圖像信號轉變成數字化信息，通過S7-200-226 PLC控制器傳輸到測試終端。

1.3 測試控制系統

將數碼千分尺與測試控制系統組合，測試數據用數字信號傳輸給處理軟件，以滿足不同尺寸發射藥的測量需求，實現大批量數據的同時測定。

十字線刻度可調旋轉測試平臺針對藥型邊緣判斷困難的問題，將原定位盤改進為定刻度可旋轉平臺，按任意角度旋轉測量，測試數據數字信號傳入處理系統自動計算，從而降低測試誤差。

2 系統性能測試

2.1 準確度與精密度

表1 2/1樟標準藥藥型尺寸測定結果

采用t檢驗對測定結果進行評價：

當重復測量次數n=10時，自由度f=n-1=9，查tα，f表可知：

t0.05，9=2.26

t孔徑

t弧厚

因此，采用基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統進行尺寸測量未引起明顯的系統誤差，即所測數據的平均值與總體平均值之間不存在顯著差異。同時，孔徑和弧厚的RSD均為1%左右，說明系統精密度較好。

2.2 藥型尺寸測試結果

選取兩種單孔藥和一種七孔藥分別在基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統和傳統藥型尺寸測量儀上進行測量，結果見表2。可以看出，基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統所測得的數據與傳統藥型尺寸測量儀相當，基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統的測量分辨率達到1μm，是傳統儀器的10倍。

表2 藥型尺寸測試結果 mm

3 結束語

筆者采用基于光柵尺的發射藥藥型尺寸測量系統實現了發射藥藥型測試的自動化與智能化，提高了測試精度，降低了測試誤差；光柵尺測量技術的應用使測量分辨率提高到1μm；千分尺測量系統使測試量程擴展至0.02～100mm；經檢驗，系統測定結果與標準藥的總體平均值無顯著差異，能夠滿足發射藥藥型尺寸測量要求。

[1] 王瓊林.國外槍炮發射藥技術發展概況[J].火炸藥學報,1998,21(4):54～58.

[2] 田廣豐,康建成,胥會祥,等.小型推進劑管狀裝藥藥形尺寸數字化檢測技術[J].火炸藥學報,2006,29(4):61～64.

[3] 楊均勻,袁亞雄,張小兵,等.基于圖像處理的火藥尺寸測量方法及其實現[J].火炸藥學報,2005,28(1):28～30.

[4] 節德剛,劉延杰,孫立寧,等.基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法[J].光學精密工程,2007,15(7):1077～1083.

[5] 黃敏.一種基于單球測量的光面環規測量方法[J].計量與測試技術,2011,38(7):8.

DimensionMeasurementSystemforPropellantsBasedonGratingRuler

YAN Rui, ZHANG Ting, LIU Zhi-wei, CHEN Man,WANG Jing-na, HU Lan
(Xi’anModernChemistryResearchInstitute)

Considering the shortcomings of existing measurement systems for propellants, a grating ruler-based dimensional measurement system for propellants was developed and its overall structure and the operating principle were provided. The measuring result verified by standard 2/1 Zhang propellants shows that, as compared to the traditional dimensional measurement system, no obvious difference exists between them and the resolution of the system developed is 1μm along with the measuring ranges from 0.02 to 100mm.

dimensional measurement system for propellants, grating ruler, aperture, web

TH822

A

1000-3932(2017)04-0376-03

2016-10-25，

2017-02-25)

國防科工局技術基礎項目(JSJL2015208A006)。

嚴蕊(1983-)，副研究員，從事含能材料理化分析的研究，yanrui204@126.com。