一種改進(jìn)型線圈靶測速裝置

駱君東

（南京嘉恒儀器設(shè)備有限公司，江蘇南京 210000）

彈丸速度是兵器研制過程中至關(guān)重要的測量參數(shù)，關(guān)系著武器裝備的性能提升等多方面因素。目前國內(nèi)外使用的非接觸式彈丸測量方式具體分為光幕靶[1-2]、天幕靶、梳狀靶[3]、線圈靶[4-10]等，在實(shí)際使用中線圈靶受外界因素干擾小，操作簡單，得到了廣泛應(yīng)用。

線圈靶分為感應(yīng)式線圈靶和勵磁式線圈靶，由于以上兩種線圈靶在結(jié)構(gòu)和功能上的局限性，該文設(shè)計了一種改進(jìn)型的線圈靶結(jié)構(gòu)，使用仿真軟件分析和現(xiàn)場試驗測試，結(jié)果均表明,該裝置提高了現(xiàn)場操作的便捷性，有效消除了熱噪聲對感應(yīng)信號產(chǎn)生的影響，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

1 線圈靶測速裝置對比分析

線圈靶分為感應(yīng)式線圈靶和勵磁式線圈靶，前者需要將彈丸磁化，磁化彈丸穿過線圈靶時造成線圈內(nèi)的磁通量變化[11]，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成區(qū)截信號[12-13]。后者是兩組線圈，內(nèi)層為勵磁線圈，工作時需要通入直流電源產(chǎn)生勵磁電流，然后形成一個恒定的磁場，外層為感應(yīng)線圈，當(dāng)導(dǎo)磁體彈丸通過感應(yīng)線圈時，引起感應(yīng)線圈的磁通量變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成區(qū)截信號。

感應(yīng)式線圈靶需要對彈丸進(jìn)行磁化，費(fèi)時費(fèi)力，且因彈丸受材料和體積所限，磁化后的彈丸磁力并不大，對感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量變化影響較小，很容易丟失信號，造成實(shí)驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，嚴(yán)重者甚至無法測試到實(shí)驗數(shù)據(jù)，造成人力物力的損耗。勵磁式線圈靶雖然不需要對導(dǎo)磁體彈丸進(jìn)行磁化，但是由于工作時需要通入直流電源產(chǎn)生勵磁電流，長時間工作會產(chǎn)生熱噪聲，嚴(yán)重干擾感應(yīng)線圈信號，造成測試結(jié)果失真，增大了測試數(shù)據(jù)的測量誤差。

針對以上兩種線圈靶的不利因素分析，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，減小了測試數(shù)據(jù)的誤差，增大了測試數(shù)據(jù)的精度，一定程度上提高了線圈靶測量彈丸速度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 線圈靶測速裝置優(yōu)化設(shè)計

2.1 線圈靶測速原理

根據(jù)電磁學(xué)理論，電磁偶極子[14]在磁場中運(yùn)動會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)測試技術(shù)要求，線圈靶直徑需大于20 倍彈丸口徑，因此彈丸在線圈靶中的運(yùn)動可以忽略彈丸的本身物理尺寸，因此可以將彈丸看成一個電磁偶極子。

導(dǎo)磁體彈丸就相當(dāng)于電磁偶極子，磁鐵圈產(chǎn)生磁場。當(dāng)彈丸通過槍管射出后，使得彈丸在高速穿越線圈靶時，磁鐵圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的同時，此信號被測試系統(tǒng)捕捉到，再經(jīng)過信號放大器和數(shù)采模塊與處理系統(tǒng)分析，便可得出彈丸的速度。線圈靶使用示意圖如圖1 所示。

圖1 中，1 為彈丸，2 為線圈靶1，3 為線圈靶2，4為信號放大器和數(shù)采模塊。由圖可知，當(dāng)彈丸分別從線圈靶1 和線圈靶2 之間穿過時，兩靶間已知的距離為s，通過信號放大器及數(shù)采模塊采集得到的波形信號，可分析得出彈丸的通過時間，利用物體運(yùn)動速度計算公式v=s/(t2-t1)，得出彈丸的實(shí)際運(yùn)動速度。

圖1 線圈靶使用示意圖

2.2 線圈靶測速系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

由于外界的磁場對該系統(tǒng)的影響比較小，可以忽略不計。為了改進(jìn)勵磁線圈靶長時間通電引起的熱噪聲對感應(yīng)信號產(chǎn)生干擾的缺點(diǎn)，特將有源的勵磁線圈換成了無源的強(qiáng)磁鐵圈。

在線圈靶制作過程中，因高磁導(dǎo)率材料會干擾感應(yīng)信號，故采用低磁導(dǎo)率的鋁合金材料制作線圈靶外框。在外框內(nèi)部，先將特制的強(qiáng)磁鐵圈通過緊固件固定在外框上，此時要注意強(qiáng)磁鐵圈標(biāo)記的統(tǒng)一方向，所有線圈靶的磁力線方向應(yīng)一致，然后使用線徑為0.45 mm 的漆包線緊密纏繞在強(qiáng)磁鐵圈的上部中間位置，纏繞時漆包線應(yīng)盡量緊湊貼合，感應(yīng)線圈的匝數(shù)繞制500 圈后，感應(yīng)線圈整體再使用絕緣膠布進(jìn)行固定與絕緣處理，以防止感應(yīng)線圈發(fā)生移位或感應(yīng)線圈表面破損引起短路，造成感應(yīng)信號變?nèi)酢?/p>

將感應(yīng)線圈漆包線線頭焊接到感應(yīng)信號連接器上，電纜整體連接完成后，連續(xù)通電一小時之后，測試線圈靶表面溫度，經(jīng)過多次測量，線圈靶表面無明顯溫度變化，然后對線圈靶整體進(jìn)行測試，本底噪聲無明顯變化，線圈靶可以正常使用，而且完全消除了熱噪聲對感應(yīng)信號的干擾。通過多次靜態(tài)試驗可以得出，所測試的信號明顯且優(yōu)于勵磁線圈靶所產(chǎn)生的信號。線圈靶結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 線圈靶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，5 為感應(yīng)信號連接器，6 為鋁合金固定殼體，7 為漆包線線圈，8 為強(qiáng)磁鐵圈。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于線圈靶只有一層感應(yīng)線圈，很大程度上簡化了繞制線圈的過程，且采用強(qiáng)磁鐵圈替換勵磁線圈，安裝相對簡單，節(jié)省制作時間，提高產(chǎn)品制作效率，并且所有器件均采用無源器件，因此很大程度上降低了線圈靶的本底噪聲。

3 ANSYS有限元仿真分析

ANSYSF[15-16]有限元仿真軟件是目前工業(yè)仿真領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的軟件之一，有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。

有限元網(wǎng)格劃分的主要步驟：首先進(jìn)行總體模型規(guī)劃，包括物理模型的構(gòu)造、單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定等多方面內(nèi)容。其次在網(wǎng)格劃分和初步求解過程中，可以先粗略后精細(xì)，先簡單后復(fù)雜，先二維后三維合理搭配使用。為提高求解的效率要充分利用重復(fù)與對稱等特征，工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)對稱或軸對稱、鏡像對稱等特點(diǎn)，采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ模型可以提高求解的效率和精度。利用軸對稱或子結(jié)構(gòu)時要注意場合，如在進(jìn)行模態(tài)分析、屈曲分析整體求解時，則應(yīng)采取整體模型，同時選擇合理的起點(diǎn)并設(shè)置合理的坐標(biāo)系，可以提高求解的精度和效率。

通過對有限元模型的理論研究和分析，為了初步驗證磁鐵圈式線圈靶測試系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的可行性，使用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗，按照有限元劃分的指導(dǎo)思想建立模型。經(jīng)過多次試驗調(diào)整模型參數(shù)，最終將模型的外部條件設(shè)定為導(dǎo)磁體放置在距離磁鐵圈250 mm 處，相對磁導(dǎo)率設(shè)置為4 000，以500 m/s 的速度通過強(qiáng)磁鐵圈，在距離磁鐵圈250 mm處的另一邊結(jié)束運(yùn)動，此仿真模型示意圖如圖3 所示。在這種設(shè)定條件下，仿真得到導(dǎo)磁體穿過強(qiáng)磁鐵圈時所產(chǎn)生的感應(yīng)線圈波形圖，如圖4 所示。通過波形圖可以看出，當(dāng)導(dǎo)磁體通過磁鐵圈時，對磁鐵圈的磁場線（磁通量）產(chǎn)生了擾動，導(dǎo)致磁場線（磁通量）的變化，感應(yīng)線圈能完整捕捉到感應(yīng)信號。

圖3 仿真模型示意圖

圖4 仿真實(shí)驗感應(yīng)線圈波形圖

通過多次仿真實(shí)驗可以得出，當(dāng)線圈靶中的勵磁線圈被磁鐵圈替換之后，感應(yīng)線圈能夠有效地采集到信號，這為后期實(shí)驗提供了有利的理論支撐。

4 實(shí)驗室測試實(shí)驗

通過理論及數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合實(shí)際情況，將制作好的一套線圈靶在實(shí)驗室中通過支架與地面垂直擺放，保證實(shí)驗條件相同，即保證導(dǎo)磁體大小相同。保證導(dǎo)磁體穿過線圈靶的速度相同，保證穿過線圈靶的位置相同，均從線圈靶的中間穿過。通過以下三種線圈靶進(jìn)行對比實(shí)驗，即具有勵磁線圈的線圈靶、具有4 mm 厚度強(qiáng)磁鐵圈的線圈靶、具有8 mm厚度強(qiáng)磁鐵圈的線圈靶，進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗并觀察波形圖，如圖5-7 所示。

圖5 具有勵磁線圈的線圈靶實(shí)測波形圖

由圖5 可知，具有勵磁線圈的線圈靶通過導(dǎo)磁體時，本底噪聲的峰峰值約為0.16 V，有效信號的峰峰約為0.36 V。

由圖6 可知，厚度為4 mm 磁鐵圈的線圈靶通過導(dǎo)磁體時，本底噪聲的峰峰值約為0.02 V，有效信號的峰峰值約為0.74 V。

圖6 厚度為4 mm磁鐵圈的線圈靶實(shí)測波形圖

由圖7 可知，厚度為8 mm 磁鐵圈的線圈靶通過導(dǎo)磁體時，本底噪聲的峰峰值約為0.02 V，有效信號的峰峰值約為1.15 V。

圖7 厚度為8 mm磁鐵圈的線圈靶實(shí)測波形圖

對比圖5 與圖6 可知，具有厚度4 mm 磁鐵圈的線圈靶的測試裝置，所測到的峰峰值是勵磁式線圈靶的2～3 倍，而且本底噪聲也比勵磁式線圈靶小7～9 倍。因此可以得出，采用強(qiáng)磁鐵圈的線圈靶比勵磁線圈的線圈靶在相同實(shí)驗環(huán)境條件下，測速裝置信噪比大，有效信號強(qiáng)，信噪比高。通過對比圖6與圖7 可知，隨著強(qiáng)磁鐵圈厚度增加，感應(yīng)線圈接收到的感應(yīng)信號也相應(yīng)增強(qiáng)。但是由于體積和結(jié)構(gòu)的限制，所用強(qiáng)磁鐵的厚度需根據(jù)實(shí)際情況選取，建議選取不低于4 mm 的強(qiáng)磁鐵圈，這樣所采集的信號強(qiáng)度較大。

由上述實(shí)驗結(jié)果可以看出，改進(jìn)裝置所測的信號具有良好的信噪比，同時長時間工作也沒有額外的功率消耗，有效地消除了熱噪聲對感應(yīng)信號產(chǎn)生的影響。

5 實(shí)彈實(shí)驗場測試實(shí)驗及結(jié)果

實(shí)彈實(shí)驗通過將勵磁式線圈靶和磁鐵圈式線圈靶進(jìn)行對比，先將勵磁式線圈靶按要求布置，實(shí)驗時將靶架固定在距槍口10 m 處位置，因前后靶架的位置是設(shè)定好距離的，將線圈靶1 與線圈靶2 安裝在靶架上，此時線圈靶之間相距2 m，然后引出感應(yīng)線圈信號到信號放大器上，將信號放大器連接在數(shù)采模塊上，因勵磁式線圈需要直流供電，所以需外接直流電源對其單獨(dú)供電，安裝時相對繁瑣，而且需要隔段時間關(guān)閉電源，停止實(shí)驗，否則會因長時間通電導(dǎo)致勵磁式線圈發(fā)熱產(chǎn)生熱噪聲，干擾感應(yīng)信號，導(dǎo)致測試結(jié)果偏差。

磁鐵圈式線圈靶因沒有勵磁線圈，所以實(shí)驗布置場地相對簡單，只需按照勵磁式線圈靶的相同安裝要求直接安裝磁鐵圈式線圈靶，但是不必外接勵磁式線圈靶所需的直流電源，只需要引出感應(yīng)線圈信號到信號放大器上，然后將信號放大器連接在數(shù)采模塊上，通過線圈靶測速專用上位機(jī)實(shí)時連續(xù)采集信號，所測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 95式步槍彈測定數(shù)據(jù)

由表1 可以看出，兩組數(shù)據(jù)所測數(shù)值基本接近，第一組是勵磁式線圈靶所測數(shù)據(jù)，第二組為磁鐵圈式線圈靶所測數(shù)據(jù)，但勵磁式線圈靶所測數(shù)據(jù)相對時間分布區(qū)間較大，而改進(jìn)型的磁鐵圈式線圈靶所測數(shù)據(jù)相對時間分布較小，該現(xiàn)象皆因改進(jìn)型線圈靶的信噪比較高，所以取值相對容易，并且精準(zhǔn)。而勵磁式線圈靶因信噪比低，所以取值相對復(fù)雜，容易產(chǎn)生偏差。因此可以根據(jù)所測數(shù)據(jù)推斷，改進(jìn)型的磁鐵圈式線圈靶在測試精度上更高于勵磁式線圈靶。

6 結(jié)束語

該文提出一種對傳統(tǒng)線圈靶進(jìn)行改進(jìn)的方法，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將內(nèi)部勵磁線圈用強(qiáng)磁鐵圈代替，將有源器件改成無源器件。該方法有效解決了傳統(tǒng)的線圈靶中勵磁線圈長時間通電情況下熱噪聲過大，信噪比過低等缺點(diǎn)，通過對模型仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的分析及信號的對比，該方法具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和可操作性，對軍工企業(yè)、武器科研單位研究彈丸速度提供了有利的幫助，具有良好的發(fā)展前景，將在很大程度上提高測速工作效率以及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。