彈載高沖擊三維加速度存儲測試儀

陳宏亮，馬少杰，張錦明

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

C8051F506

彈載高沖擊測試技術在現代工程應用中具有重要的作用，特別是在軍工領域如硬目標侵徹引信的環境信息獲取和新研制的高g值加速度傳感器的性能驗證等方面具有非常高的實用價值[1]。根據測試的實際使用環境，要求測試裝置的量程大，精度和采樣頻率高，抗沖擊能力強，體積和功耗小[2]。目前有2種彈載高沖擊測試方法，信號同步傳輸法和硬回收法[3]。信號同步法是在試驗彈實時侵徹過程中將測試到的過載信息通過無線電發送到地面基站，這種方法無線電信號容易受干擾，且在高沖擊載荷的作用下難以保證信號高速傳輸的連續性。硬回收法是將傳感器、測試儀器、存儲器封裝在一個獨立的裝置內，將該裝置放到試驗彈中進行試驗，回收后讀取存儲器內的數據。硬回收法可靠性高，技術難度較小，是目前常用方法。國外，M.J.Forrestal等人研制的加速度記錄裝置記錄到的最大加速度值為20 000g[4]；瑞士武器系統與彈藥試驗中心研制了彈道飛行數據記錄器[5]，通過140 mm滑膛炮發射使炮彈高速侵徹鋼筋混凝土靶板，成功記錄到了90 000g的峰值加速度，持續脈寬大于200 μs。國內，中北大學研制了一種超高g值加速度測試裝置，成功測試到了整個彈道加速度信號，加速度最大值為45 000g[6]，以上所述的彈載高沖擊測試均為硬回收法。

作者采用硬回收法設計一種能夠測試高沖擊三維加速度的彈載存儲測試儀，能在實彈侵徹試驗中可靠應用。

1 總體方案設計

彈載存儲測試儀進行硬目標侵徹試驗時，環境十分惡劣，伴隨有數萬g的高沖擊加速度、高頻振動信號和高背景噪聲，為保證測試儀在實際應用環境的可靠使用，測試儀的設計應遵循如下準則[7]：

1) 抗高沖擊過載：為對加速度傳感器信號的采集與存儲，必須使測試儀抗沖擊能力強，主要采用強化灌封、設計保護殼體、機械濾波等措施；

2) 低系統功耗：測試儀記錄時間雖然只有幾百毫秒，但試驗時，從發射前準備到發射過程到測試儀回收需要測試儀工作較長的時間，因此需要進行低功耗設計；

3) 低系統噪聲：測試儀需要加速度信號作為觸發信號，對信噪比要求高，確保可靠觸發和精準測量。

4) 體積小、質量輕：要產生高幅值的沖擊加速度，需用小直徑、輕質量的試驗彈高速侵徹硬目標靶板，因此留給存儲測試模塊的空間有限，且小體積有助于提升測試儀的抗沖擊性能。

根據實際使用需求，彈載存儲測試儀的主要性能指標設計為：① 數據采集通道≮3個通道；② 每個通道均可存儲測試0～150 000 g加速度；③ 每個通道的記錄時間均≮300 ms；④ 每個通道的低通濾波截止頻率為4 kHz；⑤ 每個通道的采樣頻率均為50 kHz；⑥ 采樣分辨率≮12 bits；⑦ 記錄從膛內發射到侵徹靶板到試驗彈回收的整個彈道加速度信號曲線。

2 保護模塊設計

測試儀的保護模塊主要由外殼體、內殼體和薄濾波墊組成，如圖1。為方便調試采用了模塊化設計，內殼體分電池保護殼體和電路板保護殼體，存儲測試電路板和電池組分別固定于殼體內部，三軸高g值加速度傳感器固定在電路板保護殼體的下部，為減小質量，均采用低密度的A、B雙組分微泡材料加壓保溫灌封以保護內部器件。外殼體通過螺紋蓋板螺紋擰緊對內部殼體起到固定和保護的作用。

為防止測試儀內部器件和結構在高頻振動下發生共振，對測試儀進行機械濾波設計，機械濾波的機理為應力波的反射衰減[8]。機械濾波分為測試儀的內部濾波和安裝濾波，內部濾波如圖1所示，外殼體、電池保護殼體和電路板保護殼體之間均放置有毛氈、聚四氟乙烯兩種材料疊加的薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm；安裝濾波如圖2所示，測試儀在試驗彈上安裝前后均放置有薄濾波墊，整體厚度為2.0 mm。試驗彈在侵徹硬目標時，沖擊產生的壓縮應力波到達測試儀殼體和復合墊片界面時，由于墊片材料的波阻抗與測試儀殼體材料相差很大，透射系數較小，應力波絕大部分反射為拉伸波，侵徹試驗時，應力波會在墊片處經歷多次反射，應力波頻率越高，反射次數越多，應力波耗散越大，從而起到沖擊應力衰減和濾波的作用[9-10]。

3 電路模塊軟硬件設計

3.1 電路模塊工作原理

硬目標侵徹試驗單次成本較高，為提高試驗的成功率，測試儀采用兩套完全一樣電路模塊進行測試，保證冗余性。圖3為測試儀電路模塊的工作原理圖，主要包括4大部分：電源模塊、信號調理部分、MCU和數據存儲與回讀部分。其中信號調理部分包括調零電路、可調增益的差分放大電路和低通濾波電路，用于對三維加速度信號進行處理；MCU包括數據采集和控制模塊，主要器件為C8051F506單片機，用于對整個測試儀的控制和數據的A/D轉換；電源模塊給整個存儲測試系統供電，主要器件為三端集成穩壓源LP2950-3.3；數據存儲與回讀部分對采集到的數據進行存儲與回讀至計算機，主要器件為鐵電存儲器。

3.2 增益可調的差分放大電路設計

MEMS壓阻式三軸高g值加速度傳感器輸出的差分信號微弱，需要對其進行放大處理。測試儀在實際使用時，每次侵徹不同的目標靶板，加速度的幅值不同，傳感器輸出的最大電壓也不同，而單片機的A/D模塊的輸入電壓范圍0～3.3 V是確定的，為使放大后的電壓幅值盡可能地接近A/D采樣輸入電壓范圍，達到適用不同量程傳感器、侵徹不同目標靶板的目的，采用增益可調的差分放大電路。

增益可調的差分放大電路原理圖如圖4所示，采用2個ANALOG DEVICES公司的AD8426儀表放大器和1個4通道的AD5254數字電位計。Vout_X+和Vout_X-分別表示加速度傳感器X軸2個橋臂電壓經過調零后到差分放大器的輸入端，SSX為經差分放大后的X軸加速度信號，通過數字電位計調節RG1和RG2間的電阻RG阻值即可改變放大器的放大倍數G，差分放大器的傳遞函數為

Vout=G×(VIN+-VIN-)+VREF

式中：

設X為主控器寫入到數字電位器的八位二進制數，X[00000000,11111111]，有

可得到差分放大電路放大后輸出電壓為

測試儀Y和Z通道的差分放大原理類似，不再重復闡述。

3.3 低通濾波器設計

硬目標侵徹試驗過程中除了剛體本身的過載信號外，還包含著大量不需要的高頻信號分量，為了慮除不需要的高頻信號分量，避免A/D轉換后的信號產生混疊現象，需要對放大的加速度信號進行低通濾波處理。

為使濾波器在帶通內幅頻特性更加平坦，高于截止頻率的信號衰減得更快，濾波器設計為-3 dB截止頻率為4 kHz，品質因數Q為0.707的單位增益有源二階低通濾波器[11]。其中，采用單位增益是為了盡可能減少R、C元件，同時使運算放大器的帶寬最大。TLC2264是TI公司推出的四路軌對軌運算放大器，只需采用一個器件即可構建三通道低通濾波器，具有低功耗和低噪聲的特點。圖5為采用TLC2264設計的三通道低通濾波器X通道電路圖，Y、Z通道類似，不再畫出。

3.4 軟件設計

軟件控制流程圖如圖6所示，主要分為兩大部分：寫數據部分和讀數據部分。MCU通過判斷I/O口的高低狀態判定是讀操作或寫操作。讀操作時，MCU從鐵電存儲器讀取數據，然后將數據通過UART發送電腦端。寫操作時，MCU首先通過指令控制數字電位器調節放大器的放大倍數，隨后開啟A/D進行3個通道高速循環采樣，選用三軸高g值加速度傳感器的Z軸方向(與炮管軸向平行)的膛內發射加速度作為觸發信號，當加速度傳感器Z軸方向輸出值連續多次大于設定閾值時，觸發內部的延時計數器，將數據存儲到存儲器中，完成指定長度的數據存儲后，關閉A/D模塊，進入等待狀態，完成寫操作。

圖7為設計制作好的測試儀實物圖，金屬殼體材料為鋁合金，整體尺寸為Φ70 mm×70 mm，測試儀包含兩套完全獨立的測試模塊，左右引出的接線端為兩套測試模塊的調試控制端口。

4 侵徹試驗與結果分析

為檢驗測試儀的實際使用性能，對其開展硬目標侵徹試驗。試驗時，將測試儀裝入到試驗彈中，試驗彈通過炮擊的方式在膛內加速，然后高速侵徹鋼筋混凝土靶板，通過回收裝置將試驗彈回收并回讀試驗數據至計算機處理。試驗條件為：目標靶板為鋼筋混凝土靶板(強度C30)，目的是為了更加接近實際使用環境，靶板厚度1.5 m；試驗彈出炮口速度為804.2 m/s，由天幕靶測速獲得，炮口距靶40.5 m；試驗平臺為 125 mm火炮，采用水平發射方式，炮管軸線與靶板垂直，實測試驗彈出炮口到侵徹靶板自由飛行的時間約為50.4 ms。

圖8為測試儀記錄到的一條完整的試驗三軸加速度信號曲線，包括試驗彈從膛內加速發射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收，整條曲線記錄的時間約為400 ms。三軸高g值加速度傳感器輸出的加速度信號經過測試儀內的濾波器，濾去了不需要的干擾信號，整個彈道加速度信號清晰，噪聲較小。

由圖8和圖9可知，試驗彈從出炮口到侵徹靶板自由飛行的時間約為51.2 ms，考慮到彈體本身長度和測試誤差，測試儀記錄的飛行時間與實際通過天幕靶測試得到的飛行時間50.4 ms較為接近。其中，Z軸方向加速度在峰值處存在劇烈振蕩，分析原因為螺紋蓋板沒有完全旋緊，劇烈振蕩后，測試儀內部結構微變形壓緊，振蕩消失。取振蕩部分包絡曲線中值，則膛內Z軸方向加速度的幅值在15 000g左右，持續時間約為12.9 ms，X軸和Y軸方向的幅值分別為-1 336g和-1 250g。

試驗彈侵徹鋼筋混凝土靶板時，加速度傳感器Z軸方向加速度的總體趨勢為試驗彈圓錐形頭部剛開始入靶時，加速度幅值瞬間增大，當試驗彈完全進入靶板內部時，加速度值減小并維持一定大小，試驗彈出靶時，加速度值減小至零。由圖10可知，試驗彈在侵徹鋼筋混凝土靶板過程中的波形特征與實際分析的波形特征相符，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為-5 010g、3 455g、-48 050g，Z軸方向從試驗彈開始侵徹到試驗彈出靶的持續時間約為3.0 ms。圖10中右邊存在反向較小的加速度信號為試驗彈尾翼出靶脫落產生的。理想情況下正向垂直侵徹鋼筋混凝土靶板X軸和Y軸方向的加速度均為0，但實際情況時，無法完全保證侵徹角度為90°侵徹，且三軸加速度傳感器存在橫向效應，因此會存在較小的X和Y軸方向的加速度值。

由圖11可知，試驗彈回收過程中，測試儀測得的X、Y、Z軸方向加速度幅值分別為23 970g、-21 070g、17 980g，各方向產生較高加速度的原因是試驗彈回收時碰到靶板后方的廢棄鋼筋混凝土堆產生變向。

通過波形特征和試驗數據分析可知，本次彈載侵徹試驗測試儀準確地記錄到了試驗彈的整個彈道的三維加速度曲線，試驗結果與實際波形特征及其記錄時間較為吻合。

5 結論

本測試儀以單片機C8051F506為核心處理芯片，在硬件電路和軟件程序的作用下，對三軸高g值加速度傳感器獲取的加速度信號進行信號調理，采樣后存儲到存儲器中，并將試驗數據回讀至計算機。通過強化灌封、設計保護殼體、加機械濾波墊方式有效提高測試儀抗高沖擊過載能力。利用該測試儀進行彈載侵徹試驗，測試儀準確地記錄到試驗彈從膛內發射到侵徹鋼筋混凝土靶板再到回收的全彈道三維加速度曲線。試驗結果表明，該測試儀具有3通道數據采集，數據采集速度較快，存儲容量較大，功耗低，系統體積較小和使用方便等優點。在承受48 000g幅值、3 m脈寬和15 000g幅值、13 ms脈寬的沖擊載荷下依舊能夠正常工作，滿足彈載存儲測試儀的預定設計要求。

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