低成本彈載侵徹過載測試系統設計

周 強，賈方秀，張天宇，李 浩

(南京理工大學 智能彈藥國防重點學科實驗室，南京 210094)

準確獲取彈丸侵徹過程中的過載信號對于控制起爆深度和分析彈體及裝藥的受力情況具有重要的意義[1]。目前研究彈丸侵徹過程采用的測量手段主要是高速攝影。高速攝影可以記錄彈丸飛行中的瞬間動作，方便對實驗過程進行直觀分析，但要求其視野前方無障礙物阻隔。針對高速攝影的缺陷，研究人員提出了彈載測試系統的方案[2]。彈載測試系統安裝于彈體內部，在侵徹過程中獲取侵徹動態參數，并在侵徹過程結束后進行數據回收[3-4]。整個數據采集過程不與外界通信，從而保證了測試系統記錄數據的穩定性和持續性[5]。國外加拿大Controlex公司成功研制出可承受10萬g過載的彈載三軸加速度測試系統[6]；美國ISE公司研制出了多款商用彈載測試系統，量程可達10萬g，可適應多種彈種的結構要求[7]。國內中北大學開發了一系列彈載測試系統，成功測得過侵徹過載數據[8]；吳三靈等將彈載測試系統應用于侵徹多層硬目標的實驗并成功測得數據[9]。

國內已逐步將彈載測試系統應用于實際測試，加速度傳感器大都選用的是壓阻式，且測量過載不超過5萬g。壓電式傳感器相較于壓阻式，它的量程大、靈敏度高、信號不易受外界環境影響。但它不適合用于穩態測量。本研究根據侵徹過載信號的特征，設計了一種基于ICP壓電傳感器的彈載測試系統。測量范圍可達10萬g，給出了信號調理模塊和數據采集存儲模塊的方案。此系統具備體積小、成本低、安裝方便和可循環的特點。利用馬歇特錘裝置以44 000 g連續沖擊，經檢測系統仍能正常工作。最后，以100 kHz采樣率采集馬歇特錘下落過程的過載變化，采集到的數據曲線符合馬歇特錘信號響應特征，驗證了此系統方案的可行性。

1 總體方案

在設計此過載測試系統時，要求能夠測量彈丸軸向最大10萬g的過載，而市場上滿足量程要求的傳感器型號較少。通過綜合比較，最終選定了一款量程10萬g的ICP壓電加速度傳感器。ICP傳感器是內裝微型IC放大器的壓電傳感器，它的優點在于將傳統的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，使用方便、靈活、特別適用于現場測試及在線監測；精度高且輸出放大后的信號，不易受現場環境干擾[10]。但是它使用的難點在于傳感器的接口為二線制，它的供電線和輸出信號線為同一根線，供電上要求恒壓恒流源，并且自身存在直流電壓偏置，如圖1所示。

本研究圍繞ICP傳感器的特點設計了一個測試系統。整個測試系統可分為4個部分：壓電加速度傳感器模塊、信號調理模塊、數據采集存儲模塊和電池模塊。考慮到軸向加速度是彈體侵徹實驗中最重要的參數，故將傳感器沿彈軸方向安裝在機械外殼上。安裝時，保證傳感器與彈體軸線重合，使傳感器的橫向效應降到最低。另外，為了滿足測試系統的低成本及循環使用的要求，將電池模塊與其他三部分分開獨立灌封，以方便更換電池使系統再次工作。工作時，傳感器將采集到的過載信號轉化成電壓信號輸出，再經由信號調理電路放大濾波后進行A/D轉換。當主控芯片判斷轉換信號滿足設定的觸發閾值條件后，進行數據存儲操作。數據存儲完畢后，系統進入休眠狀態。在侵徹實驗結束后回收彈丸，取出測試系統裝置，通過通信接口讀出數據，進行數據處理。測試系統組成框圖如圖2。

2 系統硬件電路設計

2.1 信號調理模塊

本系統采用的ICP傳感器主要參數如表1所示。

表1 ICP傳感器主要參數

由表1可知傳感器供電電壓為20～30 V，輸出電壓為±5 V，而A/D采集口電壓范圍為0～3.3 V，電池供電電壓為10 V，因此必須經過電壓調理才能使傳感器正常工作并使輸出信號的電壓范圍與A/D采集模塊相匹配。信號調理模塊主要包括升壓、恒流源激勵、穩壓放大、電壓跟隨4個部分。圖3為信號調理電路原理圖。

考慮到在彈丸侵徹過程中電池存在損壞的可能性，在電池輸入處接入一個大電容存儲備用電量，以保證完整采集整個侵徹過程中的過載數據。電容的容值為

(1)

式中：U0為電池總電壓(V);I0為系統所需總電流(mA);T為彈丸侵徹所需時間(ms);U1為系統正常工作所需最低電壓(V)。

令U0=10 V，I0=80 mA，U1=7.4 V，結合彈丸侵徹仿真結果T=3.2 ms，計算得到C1=99 μF。加入設計余量將容值翻倍，最終選取C1=220 μF。用整流二極管提供恒壓恒流輸出，由于ICP傳感器的供電線纜與輸出線纜相同，輸出信號中耦合著恒流源的直流偏置信號，需要去除信號中的直流分量得到交流分量。在ICP傳感器輸出處加入電容C2，利用電容的“隔直流通交流”的特性即可實現。另外，傳感器輸出的電壓為±5 V，通過穩壓放大和電壓跟隨電路適當分壓，以滿足A/D采集口的電壓范圍要求。具體實現如圖3所示，根據電壓疊加原理，可以得到：

(2)

進而得到：

(3)

取R2=R3，R5=3R4，U2=14 V，UICP+=±5 V，則Uadc1的范圍為0.25～3 V。Uadc1的最大值僅在過載10萬g時達到。因此，輸出電壓滿足A/D采集口的電壓要求。

2.2 測試系統觸發方式設計

本測試系統的數據采集流程設計主要考慮兩個方面。一方面，若直接從系統上電就開始采集數據，極有可能在彈丸發射前的準備過程中，Flash存儲空間就已存滿，系統進入休眠狀態；另一方面，測試系統安裝在彈體內部，無法從外部提供觸發信號，只能從軟件上實現內部觸發。考慮到火炮發射過程中膛內的惡劣環境對信號的干擾，采用多次比較閾值的方式實現內觸發。

基本思路如圖4所示，系統在上電后先進行循環采樣，將測得的過載信號值與設定的觸發閾值進行比較，當采樣值連續4次均大于設定的觸發值時，程序判定滿足觸發條件，系統由循環采樣狀態進入順序采樣存儲狀態。當Flash芯片存滿后，系統進入休眠狀態，等待讀數。

整個系統的存儲序列如圖5所示，程序在系統內部事先開辟一大一小兩個緩存數組，分別為b(n)、a(n)。小數組a(n)用于循環采樣，大數組b(n)用于順序采樣。系統處于循環采樣時，程序將采集的數據從a1到an依次存儲，當存到數組a(n)末尾時，新采集的數據重新從頭開始進行覆蓋存儲，等待觸發信號來臨。當數組中ak～ak+3連續4個數均大于觸發閾值后，程序判斷觸發信號有效，由循環采樣進入順序采樣。系統處于順序采樣時，此時采集的數據都為有效數據，直接依次存入數組b(n)中，一直到數組b(n)存滿。最后，程序集中將數組a(n)、b(n)中的數據寫入Flash存儲芯片中。

此觸發方式保證了測試系統在上電到電池電量耗盡這段時間內都處于正常工作狀態。存儲數據的拼接方式如圖6所示，可以發現數組a(n)中還記錄了一部分觸發點前的信號數據，最大限度地還原了彈丸整個過程中的過載變化情況，保證了數據的準確性和完整性，分析結果可信度高。

3 低成本和可循環設計

整個測試系統的組裝結構如圖7所示。整體尺寸為Φ32 mm×80 mm，結構簡單，加工難度低，安裝方便快捷。兩塊小型電路板通過支承架安裝于殼體內部，ICP傳感器通過螺紋與殼體連接。考慮到電池容量有限且方便更換，將電池艙與電路測量部分分開灌封。因此，只需更換電池艙就可使此測試系統重新工作，從而達到循環使用的目的。

4 實驗驗證

4.1 抗過載性能驗證

為了檢驗此系統的連續抗沖擊能力，使用馬歇特錘沖擊裝置對整個測試裝置進行了連續沖擊試驗。馬歇特錘沖擊裝置實物如圖8所示。整個裝置可產生最大值44 000 g的沖擊加速度。

試驗前將測試裝置安裝于仿彈丸殼體內部，仿彈丸殼體通過螺紋連接在錘桿上。試驗時先將測試系統接通電源，使其處于正常工作狀態，然后按照所設計的沖擊方向固定在錘頭上，將錘桿升至較大擺角直至滿量程連續沖擊數次后，取下測試系統檢查其工作狀態是否正常。經過5次連續沖擊后，此測試系統上下電功能、工作狀態、讀數功能均正常，說明具備連續多次抗高過載能力，滿足可重復使用要求。

4.2 過載采集測試

為了檢驗此測試系統能否正常采集過載數據，把帶有傳感器的測試系統同樣固定在落錘上，抬升錘桿至7 000 g刻度處釋放。結束后取出測試系統，根據讀出的數據繪制的曲線圖如圖9所示。

結合采集數據和圖9可以得到，測試系統測得的過載峰值為6 992 g，脈寬為300 μs左右。波形和峰值脈寬都符合馬歇特錘的過載響應特性，而實際彈丸過載的脈寬為毫秒級，證明了此測試系統能夠滿足采集彈丸侵徹過程中的過載的要求。

5 結論

本文對落錘試驗測得的數據進行處理，分析得測試系統有效獲取并還原了馬歇特錘的過載變化情況。此測試系統體積小且可重復使用，但目前只經過實驗室測試驗證，考慮到在彈丸實際發射、與目標作用等過程中，其環境和情況會更惡劣更復雜，本系統還需進一步實彈檢驗。