基于三軸磁傳感器的彈丸加速度測試研究*

任先貞,殷 帥,裴東興,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

基于三軸磁傳感器的彈丸加速度測試研究*

任先貞,殷 帥,裴東興,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

針對目前彈丸在膛內發射過程中需要承受惡劣環境下的高溫、高壓、高過載,同時在發射過程中存在對加速度信息獲取及實測信號失效等問題。提出了采用動態存儲測試技術和三軸磁傳感器對彈丸在膛內及出炮口加速度信號的采集。經數據處理選擇了合適的濾波截止頻率,在誤差允許的范圍內,濾波后數據曲線更光滑,符合彈體的剛體加速度。通過對加速度信號截止頻率進行分析,得出該結果對彈丸加速度等信號處理研究有著重要的意義。

動態存儲測試技術;三軸磁傳感器;加速度;數據處理

0 引言

在火炮等武器的動態參數測試中,加速度是其中一個重要參數[1]。國內外學者研究了很多測量彈丸加速度的方法,一般是利用彈載存儲測試系統測得加速度信號,常使用的傳感器是壓電式壓力傳感器[2],通過在壓力信號測量中伴隨著加速度信號,但該方法測得的加速度準確性差。采用MEMS壓阻式高g值加速度計[3],該方法體積小,但對封裝要求高,更適用于炮彈侵徹加速度的測試。針對以上問題,提出了采用HMC2003-T-Y60216三軸磁傳感器測得加速度信號,其結構更加簡單,抗干擾能力更強[4]。

1 測試系統原理

三軸磁傳感器的中心應安裝到彈體質心上,再通過彈載測試系統安裝到彈體上,將彈載測試儀安裝在彈體中心軸線上,試驗彈及彈載測試儀安裝示意圖如圖1所示[5]。

圖1 彈載測試儀示意圖

圖2為測試系統的原理框圖,該系統是由三軸磁傳感器、前沖加速度傳感器、信號調理電路、存儲器、A/D轉換器、微控制器、電源管理模塊組成。在工作狀態下,測試系統將采集到的信號轉換成電信號輸出,通過信號調理電路進行A/D轉化,采樣頻率為50 kHz,當滿足內觸發的條件后,進行數據存儲。當彈丸發射完成后,將裝置收回,通過上位機讀取數據后,進行數據處理[6]。通過彈載測試儀對數據的獲取和存儲,可提高數據采集的準確性[7]。

2 傳感器的選擇

2.1 三軸磁傳感器

本系統選用的三軸磁傳感器具體型號為HMC2003-T-Y60216,Honeywell HMC2003是用于測量低磁場強度的傳感器[8],20-pin DIP封裝,接口采用全模擬輸出。內部的勵磁電流源可以降低溫度誤差和調節傳感器電橋電壓,三個精密的低噪聲儀表放大器及1 kHz的低通濾波器可提供重復測量結果,并且可以抑制不需要的噪聲[9],該傳感器如圖3所示。其特點如下:

1)DIP-20引腳面積(1 in×0.75 in,1 in=2.54 cm);

2)3軸傳感;

3)工廠校準模擬輸出;

5)模擬輸出1 V/Gs;

6)板上+2.5 V基準電壓;

7)6～15 V直流單電源操作;

8)低磁性材料;

9)工作溫度范圍:-40℃～85℃。

圖2 測試系統原理框圖

圖3 Honeywell三軸磁傳感器

2.2 前沖加速度計

前沖加速度的測試選用Model 1221傳感器,Model 1221是Silicon design公司生產的一款低噪聲電容式加速度計。Model 1221加速度計自帶溫度傳感器,可以測量芯片內部的實際溫度,兩路差分模擬量輸出,應用差分模擬量輸出可以消除內部干擾,減小系統誤差對輸出造成的影響[10]。

Model 1221是微機械電容結構,具有高集成度、低功耗等特點,并且能夠承受高過載而不失效,量程選用±100g,其實物圖如圖4所示,Model 1221具有兩個輸出端,輸出特性如圖5所示。

圖4 Model 1221傳感器

圖5 Model 1221輸出特性

3 濾波截止頻率的選擇

在處理加速度信號中最關鍵的是對濾波截止頻率的選擇,選擇不同的截止頻率對加速度信號的影響不同,因此對濾波頻率做了相關比較研究,截止頻率的選擇原則是根據頻譜分析,結合實際測得的加速度信號的第一頻譜峰值進行濾波,并在誤差范圍內,要求濾波前后的加速度信號積分速度不變[1]。

在加速度信號中包含了較高的頻率分量,同時對實測加速度信號進行數據處理才能獲得彈丸的剛體加速度[11]。對測得的加速度信號進行頻譜分析,在頻譜分量上存在許多頻譜峰值點[12],選擇不同的截止頻率對加速度信號的影響不同,截止頻率選擇越大對加速度的噪聲干擾影響則越大,得到的曲線與實際值相差較大。

4 靶場實測實驗數據分析

經過靶場實彈測試后,將測試裝置進行回收,通過專用的讀數軟件,得出如圖所示的數據,圖6是三軸加速度曲線,圖7是前沖加速度曲線。

對軸向加速度進行分析,濾波前加速度最大值達到16 890g,脈寬為2.43 ms,如圖8所示。圖9為頻譜分析,選擇第一頻譜峰值,即選擇2 kHz的濾波截止頻率后,最大加速度值達到14 330g,脈寬為2.44 ms,如圖10所示。濾波前后對加速度信號積分得到速度曲線,如圖11所示。選擇5 kHz濾波截止頻率后,最大加速度值為14 790g,脈寬為2.1 ms,如圖12所示,濾波前后對加速度積分得到速度曲線,如圖13所示,得到的速度曲線不能完全重合,有誤差。根據不同截止頻率的濾波曲線,2 kHz濾波后的曲線更光滑,脈寬與峰值大小符合實驗要求。

圖6 三軸加速度曲線

圖7 前沖加速度曲線

圖8 濾波前軸向加速度

圖9 頻譜分析

圖10 2 kHz濾波后軸向加速度

圖11 2 kHz濾波前后速度比較

圖12 5 kHz濾波后軸向加速度

圖13 5 kHz濾波前后速度比較

通過以上的實測數據分析,總結出了加速度信號濾波截止頻率應選擇第一頻譜峰值:該濾波器截止頻率通常稱為臨界截止頻率,按此頻率濾波得到的加速度稱為彈體的剛體加速度。

5 結論

通過對彈丸在膛內發射過程中加速度信號的獲取,通過實彈測試實驗,利用三軸磁傳感器得出加速度信號,并且根據不同采樣截止頻率進行分析得出不同波形曲線。實驗表明,采用截止頻率為加速度信號的第一頻譜峰值時可以得出最優的數據曲線,按此頻率濾波得到的加速度稱為彈體的剛體加速度,并且在一定的誤差范圍內,濾波前后加速度信號的積分速度不變。同時設計的彈載測試系統能夠滿足實際測試需求,對今后彈丸加速度等信號處理研究有著重要的意義和參考價值。

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TestingofProjectileAccelerationBasedonThree-axisMagneticSensor

REN Xianzhen,YIN Shuai,PEI Dongxing,SHEN Dawei

(National Ky Laboratory for Electronic Measurement Technology,NUC,Taiyuan 030051,China)

Since projectile launching in bore bears harsh environment of high temperature high pressure and high overload,also problematic for the measured acceleration information acquisition and signal failure.Dynamic storage testing technology and three-axis magnetic sensor were proposed for acceleration signal acquisition in the bore of projectile and at muzzle.Through data processing,an appropriate filter cutoff frequency was chosen,in the range of allowable error,data curve was smoother after filtering,complying with rigid body acceleration of projectile.According to acceleration signal cutoff frequency analysis,the result is significant to projectile acceleration signal processing.

dynamic memory testing technology; three-axis magnetic sensor; acceleration; data processing

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.039

2016-07-16

山西省回國留學人員重點科研資助項目(2008003)資助

任先貞(1991-)女,山西陽泉人,碩士研究生,研究方向:智能儀器與動態測試。

TJ430

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